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Bioquímica

JORGE SARMIENTO EDITOR - UNIVERSITAS

Luis Simes – Telma Brich

BIOQUÍMICA ORIENTADA AL ANÁLISIS CLÍNICO - Edición 2015 -

JORGE SARMIENTO EDITOR - UNIVERSITAS

Obispo Trejo 1404. 2° “B”. Barrio Nueva Córdoba – Tel. (0351) 4117411-153650681- Email: [email protected]

Diseño Interior: Diseño de Tapa: Autor: Producción Gráfica: Diagramación, diseño y dibujos:

Jeremías Sarmiento Jorge Sarmiento Luis Simes – Telma Brich Universitas Los Autores

El cuidado de la presente edición estuvo a cargo de Jorge Sarmiento ISBN: 978-987-572-229-3

Prohibida su reproducción, almacenamiento y distribución por cualquier medio, total o parcial sin el permiso previo y por escrito de los autores y/o editor. Esta también totalmente prohibido su tratamiento informático y distribución por internet o por cualquier otra red. Se pueden reproducir párrafos citando al autor y editorial y enviando un ejemplar del material publicado a esta editorial.

Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Impreso en Argentina

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Obispo Trejo 1404. 2 “B”. Bº Nueva Córdoba. (5000) Córdoba Te: 54-351-153650681 - Email: [email protected]

© 2015. Primera Edición. JORGE SARMIENTO EDITOR-UNIVERSITAS.

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A Patricia, Antonella y Aldana

Bioquímica

Introducción A Patricia, Antonella y Aldana Este libro está destinado a los alumnos que cursan la Carrera de Técnico en Análisis Clínicos de nuestra Facultad. La primera parte se adapta a los contenidos mínimos de la asignatura Bioquímica. En razón de la fuerte correlación vertical de contenidos que se verifica con la Asignatura Análisis Clínicos II, es que se ha elaborado la segunda parte del texto en consonancia con el programa vigente, articulando sus temáticas coincidentes, aunque reorientadas desde la teoría hacia su aplicación. Mientras la primera parte se enfoca al desarrollo de los aspectos estructurales de la Bioquímica, necesarios para cimentar el conocimiento de los principales grupos bio-inorgánicos, orgánicos y biológicos comprometidos en este ámbito del saber, la segunda se propone el desarrollo de aspectos fisiopatológicos, analíticos e instrumentales fuertemente vinculados con las habilidades y destrezas que el técnico debe adquirir y desarrollar. Finalmente, en orden a la articulación horizontal derivada del proceso analítico, se desarrollan los capítulos correspondientes a la etapa post-analítica, con la pretensión de consolidar el cierre adecuado de la gestión operativa del Laboratorio de Análisis Clínicos, atendiendo a las pautas de excelencia y calidad requeridos por las normas jurídicas, los principios éticos y el compromiso de cada gestor vinculado con las prácticas sanitarias, publicas y privadas atinentes a las responsabilidades y desafíos del equipo de salud, del cual el técnico en Análisis Clínicos es un actor esencial. Quiero en esta breve sinopsis agradecer a nuestro Rector, Prof. Dr. Héctor Alejandro Barceló y al Vicerrector, Lic. Axel Barceló, por apoyar esta edición bibliográfica como un símbolo concreto del cumplimiento de una meta de nuestra Institución Universitaria, cual es la de formar profesionales con capacitación académica de excelencia con fuerte compromiso ético-profesional. Este libro humildemente pretende ser un pequeño engranaje que contribuya al sostenimiento y alcance de las metas y objetivos institucionales desarrollados exitosamente durante más de cuatro décadas. Debo en estos párrafos reconocer el trabajo de producción de contenidos y amena redacción de los capítulos de Análisis Clínicos II y Análisis Clínicos III desarrollado por la Docente de esas asignaturas, Dra. Telma Brich, quien con gran dedicación y exacta rigurosidad se encargó de desplegar los mejores recursos para que el conocimiento fluya hacia los alumnos de manera clara y atractiva, y con el entusiasmo con el que asume el cotidiano desafío docente en nuestra universidad En este texto tampoco podían faltar, como es habitual, los significativos aportes del Sr. Guido Breglia en el diseño gráfico de fórmulas y figuras y del Sr. Omar Breglia en la producción fotográfica, quienes no escatimaron esfuerzos a la hora de completar con éxito esta demandante tarea, con particular dedicación y esmero. Además fue elocuente la colaboración brindada por la Sra. María Emilia Censi, alumna de la Escuela de Ayudantes de nuestra Carrera, en el trabajo de corrección de textos de los capítulos de Bioquímica, trabajo al que se abocó con entusiasmo y eficiencia manifiesta. Agradezco al editor de este libro, Ing. Jorge Sarmiento de Editorial Universitas, por la responsabilidad con que afronta cada nueva edición, aportándonos su expertis en la materia, a la vez que brindando su particular orientación sobre las directrices necesarias para converger en un producto editorial de calidad. Seguramente no ha estado a mi alcance evitar errores propios, por lo que gustoso agradeceré todas las sugerencias y correcciones, que de buena voluntad, el lector espontáneamente quiera hacernos llegar, a fin de poder ser salvadas en ediciones posteriores, y fundamentalmente para bien de nuestros estudiantes. Mientras tanto espero que este libro ayude a que los alumnos y lectores, puedan avanzar, aunque sea en parte, hacia la consecución de sus metas. Luis Simes Buenos Aires, Febrero 2015

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Luis Simes

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Bioquímica

Índice Introducción.................................................................................................................................5 PARTE I BIOQUIMICA .............................................................................................................................9 I Particularidades de la química orgánica.................................................................................11 2 Funciones de la química orgánica. ............................................................................................49 3 Glucidos. ......................................................................................................................................73 4 Lipidos...........................................................................................................................................97 5 Aminoácidos, peptidos y proteina...............................................................................................123 6 Enzimas. ........................................................................................................................................149 7 Acidos nucleicos..........................................................................................................................155 PARTE II ANALÍTICA.................................................................................................................................167 8 Funciones y Objetivos Del Laboratorio Clinico. ...................................................................169 9 Tecnicas Electroquimicas y de separación. .............................................................................185 10 Medio Interno..............................................................................................................................211 11 Fisiologia y Función Renal........................................................................................................223 12 Metabolismo De Glucidos..........................................................................................................235 13 Bioquimica De Los Lipidos..........................................................................................................247 14 Enzimas. ........................................................................................................................................269

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Luis Simes

15 Sistema Endocrino.......................................................................................................................289 16 Liquidos de derrame y lcr..........................................................................................................313 PARTE III POST - ANALÍTICA...................................................................................................................325 17 Control de calidad interno

de procedimientos analíticos. ....................................................................................................327

18 Especificaciones De Calidad Y Variabilidad Biológica (VB) ..............................................337 19 Validación De Resultados..........................................................................................................343 20 Sistema informático en el laboratorio clínico.......................................................................355 BIBLIOGRAFÍA..........................................................................................................................365

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Bioquímica

PARTE I BIOQUIMICA

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Bioquímica

Particularidades

I de la química orgánica

LA QUÍMICA La química conforma una unidad. Como ciencia que estudia la materia, se rige por leyes invariables que incluyen a todas las sustancias químicas. Sin embargo, la necesidad de organizar los conocimientos en el vasto campo del saber que abarca, llevó a hacer una primera división en ella: las químicas inorgánica y orgánica. Las leyes generales gobiernan todo el espectro de la química, pero sus particularidades estructurales y funcionales permiten sustentar esa primera división práctica. Cuando alboreaba el siglo XIX, ya se sabía que las sustancias que constituían los compuestos vegetales y animales, poseían un elemento común en todas ellas: El Carbono. Por eso la Química Orgánica recibe también el nombre de Química del Carbono. Para algunos, la química del Carbono resultaba asimilable a Química de la vida. La clásica definición de vida (nacer, crecer, reproducirse y morir) encuentra a la luz de los conocimientos actuales, dificultades para incorporar a todo los posibles mecanismos vitales insertos en esas características del “estar vivo”. El conjunto nacer, crecer, reproducirse y morir, no se cumple siempre en todas las especies incluidas en cada uno de los reinos vivos. Para encontrar una propiedad que pudiera conceptualizar el vitalismo, se propuso que un ser vivo era aquel que pudiera evidenciar procesos y mecanismos bioquímicos: poseer biomoléculas en su composición, participar en procesos metabólicos y manifestar intercambios energéticos, incursos todos ellos en procesos físicos, químicos y biológicos dinámicos; en síntesis, denotar procesos vitales activos, aunque no evidencien las cuatro etapas del nacer, crecer, reproducirse y morir. Algunas baterías no siguen estas cuatro etapas estrictamente y hay cristales inorgánicos que sí lo hacen. No obstante, aun después de lograda la primera síntesis de una sustancia orgánica1, gran parte del mundo científico de finales del Siglo XIX, siguió pensando en la existencia de un fluido vital que animaba lo inanimado. Toda forma de vida tal como la conocemos, siempre muestra la presencia de carbono en su composición. Las nuevas experiencias y evidencias, alejaron rotundamente la teoría del fluido vital. La transición hacia el Siglo XX, trajo otros cambios paradigmáticos en la ciencia: el pasaje de la concepción del energetismo, ampliamente sostenida a la sazón por las sociedades científicas europeas, hacia el atomismo, las teorías de la Relatividad de Einstein que sorprendieron al mundo y la intrusión de la mecánica cuántica en un mundo de la ciencia física preconformada bajo el diseño del newtonismo, sacudieron intensamente preconceptos históricamente arraigados.

EL REINO DE LA VIDA Luego de tratar de enfocar el concepto de vida, con el fin de involucrar a todos los organismos vivientes a pesar de las muy particulares diferencias que puedan existir entre ellos, se sintetiza en las dinámicas vitales que son abarcadas por el estudio de la Bioquímica. La evolución ha evidenciado que ciertas estructuras esenciales se modifican poco, (se encuentran muy conservadas) ya que conllevan mecanismos fundamentales comunes en gran parte de los organismos, sean plantas, bacterias o animales, y un cambio sobre los mismos puede derivar en seres no viables. Existen tres dominios muy marcados en la naturaleza:

a. Arqueobacterias b. Eubacterias c. Eucariotas 1

1928. Friedrich Wöler sintetiza la urea.

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Desde el punto de vista evolutivo, las arqueobacterias son las estructuras más antiguas, pudiendo haber dado origen a los reinos de eubacterias y eucariotas. Por el hecho de haber sido descubiertas más recientemente, las arqueobacterias son menos conocidas en sus procesos y estructuras. Constituyen formas de vida adaptadas a ambientes demandantes con alta salinidad, elevadas temperaturas, grandes presiones o pH extremos. Las eubacterias abarcan el gran dominio de microorganismos procariotas (gram positivos, gram negativos, ácido alcohol resistentes, ciano y flavobacterias, etc.). Los dominios de las arqueo y las eu bacterias parecen haber divergido muy tempranamente en la evolución, diferenciándose en sus mecanismos y adaptaciones al entorno. Este enorme grupo de bacterias se particularizan en subgrupos que se relacionan con el desarrollo en ambientes con oxígeno o carentes de él (aerobios o anaerobios), por su fuente de energía, (foto o quimiotrofo, según utilicen compuestos químicos o luz solar u otras fuentes electromagnéticas), auto o heterótrofos según su aporte de carbono provenga del CO2 o de compuestos químicos. Éstos últimos pueden ser lito u organotrofos, según su fuente provenga de minerales o de compuestos orgánicos. Núcleo Hábitat N° células Tamaño

No

Procariota

Si

Eucariota

Ambientes extremos

Arqueobacterias

Ambientes normales

Eubacterias

Una

Unicelulares

Elevado

Pluricelulares

No visible a simple vis- Microscópicos y ultramicroscópicos ta Visibles para el ojo hu- Macroscópicos mano

Oxígeno

Si

Aeróbicos

No

Anaerobios estrictos

Parcial

Facultativos

Luz – Radiación

Fototrofo

Fuente de Electromagnética Energía Compuestos químicos

CO2

Autotrofos

Compues- Hetero- Inorgánicos Quimiotro- tos quími- trofos Orgánicos fos cos

Litotrofos Organotrofos

Célula Todas las estructuras agrupadas en los tres dominios mencionados, poseen una unidad funcional denominada célula. La célula se clasifica en dos grandes grupos, de acuerdo a la ausencia o presencia de núcleo: procariota y eucariota respectivamente. Además las estructuras vitales pueden ser uni o multicelulares de acuerdo a que se desenvuelvan aisladamente o que se integren en organizaciones supracelulares complejas. A pesar de la gran variedad de organismos existentes, la gran mayoría de ellos pertenecen al reino de los seres microscópicos. Están formados por una pequeñísima masa gelatinosa, rodeada por una membrana. Justamente esa es la mínima porción capaz de mostrar las características que definen a los fenómenos vitales. Estos representantes de la vida microscópica son los seres unicelulares como mencionamos, mientras que otras especies, mostrarán un agrupamiento celular en tejido. Las células muestran una organización estructural interna (miofibrillas del citoesqueleto y organelas) con subespecialización funcional. Esta organización implica tanto la presencia de organelas con funciones particulares y regulación de acciones necesarias para la sobrevida y un grado de actividad de sus membranas que las diferencian del mero concepto de envoltorio para cumplir muy activas funciones vitales.

Bioquímica

Las células más simples poseen una membrana externa que envuelve al protoplasma (Procariotas).Otras, las eucariotas, más refinadas, exhiben un pequeño núcleo rodeado por una membrana semejante a la externa, denominada membrana nuclear. Las células vegetales además poseen por fuera de la membrana celular una estructura de mayor rigidez denominada pared celular. Según las teorías actuales la gran diversidad de células que existe, provienen de una única célula inicial. Considerando que la edad de la tierra es de 4.500 millones de años, en 700 millones de años se dieron las condiciones para que algunas moléculas autoreplicantes de ácido ribonucleico, ARN, se rodearan de moléculas lipídicas que originaron la primera organización articulada. Las diferentes células cuentan con estructuras organizadas, más o menos símiles, asociaciones moleculares y supramoleculares, compuestos biológicos macro, unidades funcionales, enzimas, moléculas intermediarias en los sistemas energéticos, además de sustancias inorgánicas, todas imprescindibles para el mantenimiento de las funciones de supervivencia de cada célula. La membrana plasmática es una doble capa lipídica, constituida por fosfolípidos que orientan sus colas no polares hacia el interior de esa doble capa. Además de los fosfolípidos incluye colesterol, proteínas de membrana, glicolípidos que cumplen funciones de receptores, de señalización, etc. Los principales fosfolípidos son la fosfatidil colina, en la capa externa, y la fosfatidil etanol amina, la fosfatidil serina y el fosfatidil inositol, en la interna. La esfingomielina, y los glicolípidos, tienen una orientación preferente hacia el interior celular y, mientras que el colesterol muestra su presencia en ambas capas. Las proteínas que integran la membrana tienen movilidad para poder cumplir con sus funciones, constituyendo un mosaico fluido2. Estas proteínas dotan a la membrana de una estructura tanto de sostén como funcional a través de proteínas integrales que recorren toda la membrana, y otras en menor proporción que asoman de la bicapa. Este movimiento es lateral, pero queda regulado por la estructura y la presencia de otras proteínas, conformando dominios y regiones. La estructura de bicapa fluida se mantiene merced a enlaces no covalentes que se establecen entre las moléculas en sus ambientes polares y no polares. Las interacciones de puente hidrógeno e iónicas actúan en los ambientes polares, mientras que las fuerzas de Van der Waals determinan interacciones polares o no polares, como las fuerzas de London en ambientes hidrofóbicos. Además de fosfolípidos y proteínas la membrana posee, aunque en menor cantidad, glúcidos constituyentes del glicocálix, conformando un perfil de marcación de las rutas de señalización intra e intercelular. La membrana interviene en procesos de intercambio de moléculas, a través de los siguientes mecanismos:

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Difusión pasiva: La realizan las moléculas pequeñas a través de espacios de membrana, o canales. Este mecanismo es utilizado por el agua y moléculas pequeñas. Si son mayores, la facilidad en el pasaje está determinada por la mayor liposolubilidad de la sustancia: macromoléculas hidrofóbicas. En el caso del agua, si se produce una diferencia de osmolaridad entre ambos lados de la membrana, el agua pasa por acción de la presión osmótica desde el ambiente menos concentrado al más concentrado, procurando igualar las actividades químicas de ambos espacios, concentrando al primero y diluyendo al segundo equivalentemente hasta que se igualan. Cuando la sustancia interviniente en el gradiente osmolar, posee carga eléctrica, (como las proteínas que se cargan negativamente a pH fisiológico), la presión osmótica se denomina oncótica.

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Difusión facilitada: Las moléculas hidrofílicas que no pueden utilizar el mecanismo anterior en razón de su insolubilidad en compuestos orgánicos, utilizan proteínas específicas (permeasas) o canales iónicos.

-

Transporte activo: Se debe utilizar energía para efectivizar el desplazamiento de las moléculas contra gradiente de concentración. El transporte puede ser unidireccional o bidireccional. Por ejemplo, la bomba sodio/potasio, transporta sodio hacia el exterior y potasio hacia el interior celular, contra gradiente y utilizando energía ATPasa.

Modelo de Singer y Nicholson.1972

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Difusión El soluto atraviesa membrana

Ósmosis El soluto no atraviesa membrana

La actividad química se iguala por pasaje de La actividad química se iguala por pasaje de solsoluto vente El soluto pasa de la zona más concentrada a la El solvente pasa de la zona más diluida a la más más diluida concentrada La membrana posee función de endocitosis, incorporando partículas mediante invaginaciones de la membrana que forma vesículas hacia el interior celular. Cuando el material incorporado es una solución, la actividad se denomina pinocitosis. Si en cambio se procesan partículas mayores, como gérmenes, alergenos o virus, será un proceso de fagocitosis. Estas moléculas incorporadas se distribuyen en los canales reticulares para ser conducidas hacia la membrana o destruidas en los lisosomas La exocitosis es el proceso inverso, mediante el cual la célula transporta al exterior ciertas sustancias. Las vesículas conteniendo el material a exportar, se fusionan con la membrana celular, abriéndose al exterior. Puede ser espontánea o dirigida, mediada por receptor, generalmente dependiente de calcio, que origina una acción específica frente a estructuras reconocibles. Los neurotransmisores son exportados por este sistema. Las células se relacionan entre sí, organizadamente para constituir tejidos, mediante moléculas de adhesión, de cuatro tipos: caderinas, selectinas, integrinas e inmunoglobulinas. Las células pueden intercambiar material con sus vecinas mediante canales llamados uniones gap. Por otra parte, la presencia de receptores permite que la célula interaccione con moléculas específicas y que pueda seguir un curso de acción mediante información mediatizada por estas estructuras intermedias. Receptores: Los receptores son estructuras capaces de interactuar con otras moléculas, libres o acopladas a células, que actúan como ligandos. De acuerdo con la energía de interacción comprometida en el proceso entre ambas estructuras, será la afinidad que se manifieste. Esta vinculación receptor- ligando origina una serie de cambios conformacionales en la célula portadora. En ciertos casos se produce una endocitosis ligando-receptor. Este mecanismo permite que la célula determine una serie de comportamientos que intensifiquen o que inhiban ciertas respuestas. Las señales se disparan por acción del ligando, o bien por la generación de moléculas comunes en estos procesos, denominados segundos mensajeros (AMPc, Ca++, IP3, GPS). Estos segundos mensajeros, en general desencadenan dos mecanismos de respuesta: a) Activación de una enzima interna de la membrana como la adenilato ciclasa o guanilato ciclasa que se ubican en el interior de la membrana. Cuando un ligando las activa se incrementan los niveles de AMPc o GMPc, que producen modificaciones sobre el metabolismo celular. Este mecanismo activa ciertas enzimas a través de un proceso de fosoforilación por kinasas específicas. b) Receptores acoplados a canales de Ca++: el ligando produce modificaciones que facilitan la entrada de Calcio a la célula o bien su liberación desde compartimentos intracelulares. El calcio puede actuar directamente sobre sistemas enzimáticos, o a través de la proteína calmodulina, activada.

Tomado de scs, Illinois.com

Núcleo: es la organela más notable de las células eucariotas, y contiene en su interior el material genético. En él se realiza la replicación del ADN y la síntesis de ARN mensajero, como así también el procesamiento de éste. El núcleo posee dos membranas (interna y externa) que se unen en el polo nuclear. Éste es el lugar de pasaje de materiales

Bioquímica

entre núcleo y citoplasma. Las moléculas chicas lo atraviesan, pero las grandes requieren de proteínas transportadoras. El material genético en interfase se halla fuertemente condensado en cromosomas. Posee un nucléolo que es el lugar de ensamblaje de ARN ribosomal y de los ribosomas. Retículo endoplásmico: es un sistema de membranas relacionado con el núcleo que recorre el citoplasma. Se denomina rugoso cuando integra a su estructura a los ribosomas, ocupándose de funciones relacionadas con proteínas. Tanto interviene en el transporte de macro moléculas, como en la marcación, plegamiento, procesamiento y exportación de proteínas. En el caso del Retículo endoplásmico liso, sus funciones se relacionan con la exportación de lípidos. Los ribosomas son estructuras que presentan diferente masa según el tipo de célula. Su magnitud se expresa en unidades S3 (que determina los coeficientes de las partículas en los procesos de ultracentrifugación, conforme su densidad). Están conformados por proteínas y ARN ribosomal. En las células eucariotas presenta dos unidades estructurales, la mayor de 40 y la menor de 20 unidades S. Cada una de ellas está conformada por diferentes ARN ribosomales. Mitocondrias: son organelas rodeadas por doble membrana, encargadas de las funciones fundamentalmente energéticas. Se relacionan con la producción de energía y con el funcionamiento de la cadena respiratoria por transporte de electrones entre moléculas intermediarias. Poseen un ADN propio, circular, de aproximadamente 15.000 pares de base. Actualmente se consideran que se originaron en estado libre y que en algún momento de la evolución se integraron al citoplasma de otra célula, en un proceso de simbiosis que favorecería la situación de ambas unidades. Complejo de Golgi: es un sistema de sacos, con estructura de membrana, relacionado con el procesamiento de macromoléculas. Participa activamente del procesamiento de proteínas, lípidos y glúcidos. Existe en esta estructura una zona cis donde se procesan y pasan a una zona trans donde se almacenan y se distribuyen mediante el retículo endoplásmico. Lisosomas y Peroxisomas: Son sistemas vesiculares cerrados por membrana única que contienen enzimas. Los primeros poseen pH bajo y enzimas para la digestión molecular como las hidrolasas ácidas que llegan desde el aparato de Golgi. Los peroxisomas se relacionan con sistemas oxidativos, principalmente asociados al metabolismo de lípidos. Citoesqueleto: es una estructura interna, muy compleja y activa, que no sólo se encarga de mantener la forma de la célula, sino también de provocar sus movimientos (citoquinesis). Tiene tres complejos principales: a) El primero está conformado por actina polimerizada (cabeza-cola), constituyendo una hélice. Se encuentra interrelacionado con proteínas que intervienen en los procesos de contracción, fagocitosis y modificaciones de la forma celular. La actina es una proteína motora cuya energía es aportada por la hidrólisis del ATP y que es esencial en los procesos de contracción muscular. Trabaja en asociación con otra proteína, la miosina. b) La otra estructura está integrada por los filamentos intermedios, que están asociados a unas 50 proteínas diferentes que no participan de los movimientos, sino que constituyen el andamiaje que sostiene a la célula. Se apoyan en la membrana nuclear y se dirigen hacia la membrana citoplasmática. C) El tercer componente lo constituyen los microtúbulos, formados por polimerización reversible de la proteína tubulina. Se extienden desde un centro llamado centrosoma y están asociados a las modificaciones de la célula, reorganizándose en la etapa de mitosis, estructurando al huso mitótico para un proceso muy delicado, como lo es la segregación de los cromosomas; además conforman axones, dendritas, flagelos y cilias Los movimientos están fundamentados en la actividad de las proteínas dinesinas en una dirección y las quinesinas, en la opuesta. De esta articulación direccional de las proteínas se organizan los movimientos celulares basados en acción de los microtúbulos.

Tomado de eltamiz.com 3

Por Theodor Svedberg, quien desarrolló la ultracentrífuga analítica.

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Luis Simes

La diferencia entre las células procariotas y eucariotas4 se sintetizan en el siguiente cuadro:

Particularidad Organismos

Célula Procariota Bacteria

Tamaño

Hasta 10 µ

Núcleo Vacuolas Mitocondrias Ribosomas Aparato de Golgi Retículo endoplásmico Citoesqueleto ADN

No

Si

No Bicatenario circular

ARN mensajero

Sin maduración

Replicación y traducción Metabolismo

Citoplasmática

si Bicatenario empaquetado en cromosoma Con maduración Nuclear

Reproducción

No No No 70 s No

Célula Eucariota Hongos, levaduras, De 10 µ α 100 m Si Si Si 80 s Si

Anaerobio - aerobio Asexuada binaria

Aerobio Mitosis – meiosis

SISTEMAS ENERGÉTICOS Existen dos tendencias universales a las cuales están sometidos los sistemas en el universo: la energía y la entropía. La energía es la capacidad de realizar trabajo, y existe en numerosas variedades interconvertibles: química, eléctrica, cinética, potencial, etc. Cuando un vegetal fotosintético incorpora la energía lumínica del sol, sintetiza compuestos orgánicos, los cuales proveen energía química; es decir que se verificó una inter transformación energética: de lumínica a química. Este fenómeno es explicado por la primera ley de la termodinámica. La segunda ley se ocupa de la entropía. La entropía es el grado de desorden de un sistema: así, un vaso sano tiene baja entropía, pues sus moléculas están ordenadas, y se conoce la regularidad de su distribución. En cambio al romperse, sus moléculas se desordenan y entonces su entropía aumenta. Un mazo de cartas ordenado, tiene baja entropía. Es factible conocer que después de un 5 vendrá un 6 y que ese 5 estaba antecedido por un 4. Cuando la información es alta por que el sistema está ordenado, la entropía será baja. Cuando mezclemos el mazo de naipes, estaremos aumentando el desorden y la desinformación y en consecuencia ahora la entropía del mazo aumenta. La tendencia espontánea de los sistemas, explicada por la Energía libre de Gibbs, ocurre hacia estados de menor energía posible, y hacia la máxima entropía. Entonces, ordenar un sistema, que naturalmente se desordena, requiere energía, y esta es una intervención no es espontánea.

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En razón del enfoque de nuestro estudio no se incluyen las características particulares de las células vegetales. Algunas funciones se encuentran simplificadas.

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Bioquímica

La vida tiene un alto grado de organización, por lo cual su entropía será mínima. Por ello, mantener la estructura y dinámicas vitales requieren de un elevado uso de energía que debe ser aportada desde el exterior. Resulta esencial para el mantenimiento funcional y la supervivencia de las células, aisladas u organizadas, una estricta regulación de la energía que soporte todos los caminos metabólicos esenciales, que conllevan al orden metabólico y a la disminución de la entropía. La energía captada como química o lumínica, debe ser transformada para adaptarla a un formato aprovechable por los sistemas celulares: metabolismo, movimiento, contracción, fagocitosis, etc. Cualquier sistema de transformación de la energía conducirá a que una cierta fracción de la misma se trasforme en calor. El calor no es útil para convertirse en trabajo cuando el sistema es isotérmico. Las transformaciones que realiza la célula son altamente eficientes y muy específicas, es decir que se orientan hacia una mecánica de elevada utilidad y especificidad. Las diferentes etapas metabólicas se acoplan de manera tal que hacen al sistema altamente eficiente, amparadas en un paradigma de máximo rendimiento a costa de baja utilización de recursos. Esta sistemática acoplada ofrece resultados más eficientes y conservativos, regulación del entorno, mejores rendimientos oxidativos y una sostenida protección del sistema.

QUÍMICA ORGÁNICA Como expresáramos, la química orgánica es una división dentro de la química , que abarca un gran número de componentes, los que cumplen las leyes de la química, aunque presentan particularidades que permiten diferenciarlas de los compuestos propios del reino mineral : la química inorgánica. El mundo de la química orgánica presenta un extraordinario número de compuestos merced a las peculiares propiedades del átomo de carbono, capaz de originar múltiples configuraciones en tres dimensiones y componentes que conforman un billonario e inabarcable catálogo. A pesar de tan enorme diversidad, son muy pocos los elementos de la tabla periódica que entran en su composición. De los más de 100 elementos conocidos, redondean el número de 20 aquellos comunes en el mundo orgánico. A estos elementos que forman parte de los sistemas biológicos y que en general se encuentran en concentraciones mayores que las que poseen en el ambiente, se los denomina organogénicos y más usualmente bioelementos. Como dijimos, el Carbono es el gran representante de la química orgánica, gracias a su capacidad de unirse consigo mismo constituyendo desde pequeñas hasta enormes cadenas, ciclos y esferas5. Los dos grandes acompañantes del Carbono son el Hidrógeno, para formar hidrocarburos (compuestos secundarios) y el Oxígeno, trío que conformará compuestos ternarios como los alcoholes, cetonas, ácidos orgánicos, glúcidos y muchas grasas y metabolitos intermedios. Aparece después un cuarto integrante de este privilegiado grupo: el Nitrógeno, necesario para constituir sustancias cuaternarias: los compuestos nitrogenados. Si se integran dos nuevos elementos a éste cuarteto, se tendrá por completado el grupo biogénico principal: al incorporar al Fósforo, serán posibles los ácidos nucleicos, mientras que el Azufre, componente de tres aminoácidos (cisteína, treonina y cistina), contribuye a la conformación de gran cantidad de proteínas6. Estos seis elementos, C, H, O, N, P y S se agrupan bajo la denominación de Bioelementos Primarios. Otros elementos fundamentales a la hora de conformar sustancias orgánicas, son: Cloro, Sodio, Potasio, Calcio, Magnesio, los que se encuentran en forma iónica (electrolitos), y clasificados en el grupo de los bioelementos secundarios. Otros átomos que resultan esenciales para el funcionamiento de los sistemas biológicos, caracterizados por encontrarse en muy baja concentración en esos ambientes (trazas), son denominados oligoelementos. Entre ellos se distinguen los metales de transición Manganeso, Molibdeno, Cinc, Selenio, Vanadio y Cromo. En general, todos los bioelementos poseen bajo peso molecular ya que en principio los elementos de alta masa pueden ser causantes de patologías al provocar alteraciones celulares e histológicas, por saturación enzimática y competitividad con la consecuente alteración de algunas vías metabólicas normales7. En la tabla que se observa a continuación, se mencionan a los principales elementos que actúan en los sistemas orgánicos 5 6 7

En estos aspectos, aunque más limitadamente, el Silicio presenta esa particularidad, siendo potencialmente capaz de originar una química del Silicio y ¿Una vida basada en el Silicio? Cistina, Cisteína y Metionina Los metales pesados como el mercurio y el plomo se comportan como tóxicos (HIdrargismo y Saturnismo)

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Luis Simes

Bioelementos

y sus

Pesos Atómicos

C (12) Cl (36) Mn(55) Mo(96)

PRIMARIOS SECUNDARIOS

OLIGOELEMENTOS

H (1) Na (23) B(11) V(51)

O (16) K (39) Br (80) Co(59)

N (14) Ca (40) Si(28) Se(79)

P (31) Mg (24) Cu(64) Cr(52)

S (32) Fe (56) I (127) F(19) Zn(65) Sn(119) Ni 59)

PARTICULARIDADES DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS E INORGÁNICOS. A pesar de la gran variabilidad de compuestos químicos conocidos, existe una serie de características que permiten simplificar la clasificación de los diversos compuestos naturales y sintéticos en sustancias orgánicas e inorgánicas. Esas particularidades se sintetizan en la tabla siguiente:

Característica

Compuestos Inorgánicos Cualquiera excepto los gases inertes (Grupo VIII) Menor de 500.000

Compuestos Orgánicos

Iónicos

Covalentes

Alta

Baja

Comportamiento frente a la Temperatura

Termoestables

Termolábiles

Solubilidad

Hidrosolubles

Liposolubles

Estabilidad

Elevada

Baja

Elementos

Cantidad de compuestos

Enlaces prevalentes

Velocidad de reacción

El

Bioelementos

Millones

agua

El mundo y los organismos vivientes están basados fundamentalmente en esta molécula de excepcionales propiedades que la coronan en un puesto de singular jerarquía entre todas las sustancias conocidas. El agua, por definición y acción es el solvente universal para los sistemas acuosos, o hidrosolubles. El principio químico que expresa “igual disuelve a igual”, agrupa a las sustancias en dos grandes campos: el de las sustancias hidrosolubles y la de las sustancias orgánicas o liposolubles. Las sustancias inorgánicas y polares tienen tendencia a disolverse en agua, mientras que las orgánicas, y fundamentalmente lipídicas se disuelven en solventes orgánicos o lipofílicos. Por esto, células conformadas por gran cantidad de agua, y células bañadas en el líquido intersticial acuoso, determinan que el organismo humano denote una elevada proporción de agua en su constitución, pero que debe convivir e interactuar eficazmente con sustancias liposolubles (Hidrofóbicas).

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Bioquímica

Distribución del agua corporal El agua corporal no se encuentra uniformemente distribuida en el organismo, sino que actúa en tres compartimentos separados principales: Intracelular ; Intersticial ; Intravascular Esta distribución depende de la condición física y de salud, del género y de la edad entre otras variables condicionantes. Para un adulto normal de sexo masculino, el agua comprende aproximadamente el 60% de su peso corporal. En general esa proporción es menor en las mujeres y en los adultos mayores y más elevada en niños. Hay una tendencia a la deshidratación que aumenta con la edad, situación frecuente en las personas mayores. Ahora bien, esa masa de agua no es cuantitativamente equivalente en cada espacio. Se sabe que aproximadamente, del total, un 40% es intracelular; el 20% restante constituye el fluido extracelular, que está dividido a su vez en dos espacios: el intravascular, correspondiente a los fluidos contenidos en el sistema circulatorio y linfático y por fuera de esos sistemas se encuentra el líquido extravascular, o intersticial. A este último espacio, también se lo denomina medio interno, ya que es el que baña a todas las células del organismo, lo que le permite evidenciar las condiciones generales del organismo, y consecuentemente el estado de la homeostasis. Intracelular (40%) Agua corporal (60%) Intravascular (5%) Extracelular (20% Intersticial ( 15%)

Estas proporciones son orientativas; varían con la edad y el género: los lactantes tienen menos del 30% de agua extracelular, mientras que en el niño esa proporción aumenta hasta un 75%, para disminuir en el anciano. En general, la deshidratación del anciano disminuye su agua intracelular, aumentando el líquido extracelular, que se manifiesta con la aparición de edemas. El ingreso y egreso de agua se encuentran regulados con el fin de mantener la proporcionalidad de los diferentes sectores y la osmolaridad del medio. Propiedades del Agua El agua posee propiedades muy particulares. Por su condición de solvente universal para los compuestos inorgánicos, juega en el organismo un rol vital esencial. Su carácter dipolar es inherente a esas particulares características y propiedades. El dipolo molecular se origina por la forma estructural del agua (ángulos de enlace de 104°), y por el gradiente eléctrico que se establece entre los átomos electropositivos (Hidrógeno) con electronegativo (Oxígeno). Esto determina que las moléculas de agua se comporten como pequeños imanes, que generan interacciones atractivas entre las moléculas del sistema. Este tipo de interacción inter molecular, se denomina puente hidrógeno, y es importante, no sólo para dotar de sus particulares características al agua, sino también que resulta trascendental en algunas moléculas biológicas, a las que estabiliza y sostiene en sus estructuras funcionales, como ocurre en el caso de las proteínas y de los ácidos nucleicos, por citar sólo algunos.

La distribución de carga dentro de cada molécula genera una polaridad que ejerce una atracción entre las zonas con densidad eléctrica negativa de una con las de densidad positiva de otra, que se denominan interacción de puente hidrógeno1.

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Luis Simes

Η Ο δ+ δ−

Si se compara la molécula de agua con otras moléculas de composición química semejante, como anhídridos o hidruros, se pone de manifiesto que el punto de ebullición del agua, debería ser mucho más bajo. Si se diera esa situación, el agua “herviría” aproximadamente a 30º C, lo que generaría una gran masa de vapor en el planeta, a la manera de las nubes de venus, por lo que no se darían las condiciones adecuadas para concebir la vida tal como la conocemos. La particular distribución de cargas de su molécula, genera interacciones atractivas (que aunque débiles en la individualidad, resultan fuertes en la multiplicidad) que elevan su punto de ebullición a 100°C cuando la presión es de 1 atm. facilitando su presencia global como sustancia líquida. Otra particular propiedad del agua la constituye su existencia en los tres estados de la materia: vapor de agua, hielo y agua líquida. Esta presencia trifásica origina a ciertas condiciones de temperatura y presión el punto triple del agua, que son las condiciones en las cuales el agua convive en sus tres estados de fase.

P 218

PC Agua

Hielo

PT

0

200

Vapor

400

K

El punto crítico establece el límite por encima del cual el agua líquida puede convertirse en gas. Por debajo de él, la transformación se produce de líquido a vapor, que es proceso que se produce en las condiciones normales. El punto triple ocurre a bajas temperaturas y presiones (cercano a 0° C y 0,006 atm. respectivamente Por el contrario el punto crítico se verifica a elevadas presiones y temperaturas (673 K y 218 atm.) Otra característica que distingue al agua de otras sustancias, es su densidad. Como bien se sabe, la densidad es la masa de una sustancia por unidad de volumen; en general la densidad disminuye cuando aumenta la temperatura, ya que se incrementa el volumen para la misma masa. La particularidad del agua es que existe un intervalo de temperaturas en las que es menos densa a menor temperatura. Efectivamente, todos hemos observado el fenómeno por el cual el hielo flota en el agua líquida. Esto ocurre a diferencia de otras sustancias donde el sólido por ser más denso tiende a hundirse en su líquido. En el caso del agua, densidad del hielo es menor (0,97 g/ml) que la del agua a 4°C. (1 g/ml). Esto hace que el hielo se dilate cuando baja de 4°C y es por ello que una botella con agua revienta cuando se congela.

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Bioquímica

Las fuerzas de atracción de las moléculas determinan al menos tres de las propiedades fundamentales de los líquidos, de los cuales el agua es un exponente muy particular: la viscosidad, la tensión superficial y la presión de vapor. Además, por su elevado calor específico al agua demuestra una gran capacidad termorreguladora. La viscosidad es el grado de fluidez que posee un líquido y obedece a las fuerzas de rozamiento que se producen entre los diferentes ordenamientos o “capas” moleculares de cada sustancia. Cuanto más rozamiento exista entre ellas, menos se desplazará una sobre otra, y en consecuencia, mayor será la viscosidad. Si se incrementa la temperatura de un fluido, la energía cinética de sus moléculas aumentará, lo que facilitará el desplazamiento interno, disminuyendo la resistencia y aumentando la fluidez: la viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura. En la vida diaria, estamos acostumbrados a percibir la distinta viscosidad que tienen los fluidos utilizados cotidianamente: nos “damos cuenta” que el agua es menos viscosa que la miel y que esta es más viscosa que el aceite, o que la nafta es muy poco viscosa, por ejemplo. La viscosidad es un factor muy importante para la circulación de la sangre. Las poliglobulias como la deshidratación que originan valores elevados de hematocrito, dificultan el pasaje de la sangre muy viscosa por las redes capilares y arteriolares, pudiendo generar isquemia en algunos tejidos. La tensión superficial es un fenómeno que se manifiesta en la superficie de un fluido, y que origina una especie de película que “deforma” o “tensiona” esa misma superficie. Como consecuencia de esa tensión es que podemos ver una pluma, o un insecto en la superficie del agua sin que se hundan. Esta propiedad, tiene una cierta importancia física, ya que es la que posibilita la absorción de un líquido sobre un papel, o que origina el efecto de capilaridad, por el cual un líquido penetra espontáneamente, aún en contra de la gravedad, en tubos de pequeño calibre, y que favorece por ejemplo la circulación de la sangre. Esta tensión superficial, hace que los líquidos, a volúmenes pequeños, adquieran forma de gotas. El mercurio, y el agua, por poseer alta tensión superficial, forman gotas. El alcohol, el éter, por el contrario no lo hacen. El fenómeno se origina en la reorientación de las energías intermoleculares, como consecuencia de que las moléculas de la superficie, no tienen partículas con las cuales interaccionar hacia arriba y por ello, esas fuerzas atractivas se lateralizan, generando una energía adicional que horizontaliza el fenómeno en la superficie. Los líquidos presentan el fenómeno de vaporización, que consiste en el pasaje de moléculas desde la masa líquida a la fase de vapor. Se denomina evaporación, cuando el fenómeno es lento y a temperatura ambiente. La cantidad de moléculas que pasan a la fase vapor se equilibra en algún punto con las que realizan el camino inverso (del vapor al líquido). El escape de las moléculas del líquido, hacia la fase vapor, depende de la atracción existente entre las moléculas de la fase líquida y de la presión externa; cuando la atracción intermolecular es baja, más fácilmente pasarán las moléculas del líquido a la fase vapor, y viceversa. Cuando un líquido se encuentra en un recipiente cerrado, comienzan a pasar moléculas desde el líquido a la fase gaseosa. Cuando se llega a un punto máximo, en el cual el número de moléculas que pasa a vapor es igual al número de moléculas de vapor que retornan al líquido, se ha alcanzado un equilibrio, punto que se denomina Presión de vapor. Cuándo ésta iguala a la presión atmosférica, decimos que el líquido hierve. El calor necesario para realizar este proceso en un gramo de líquido, se llama calor de vaporización. Punto de Ebullición (PE) Como ya se expresara, el PE es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido iguala a la presión atmosférica, produciéndose el pasaje de líquido a vapor del total de las moléculas. Mientras el proceso se lleva a cabo, la temperatura del sistema permanece inalterada. Equilibrio de fases Dijimos que los líquidos en general presentan una superficie plana que constituye el límite superior de su masa, y que se encuentra en contacto con la masa gaseosa. Si el recipiente que contiene un líquido, se encuentra abierto, el líquido, en el tiempo, se evaporará completamente. A pesar de que en ningún momento se ha superado el punto de ebullición, el líquido termina por vaporizarse en su totalidad. Todos hemos observado éste fenómeno al dejar agua en recipientes abiertos. Aunque la temperatura ambiente sea muy inferior al PE del agua, el líquido se evapora completamente en un tiempo que dependerá de la superficie del recipiente, de la presión atmosférica y de la temperatura ambiente. Esto significa, que aunque la temperatura no llegue al punto de ebullición, algunas

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moléculas alcanzan la suficiente energía cinética como para “escapar” de la masa líquida hacia el vapor a temperaturas menores. Cuanto mayor sea la presión de vapor de una sustancia, menor será su punto de ebullición, ya que deberá suministrar menos calor para lograr el pasaje del total de las moléculas a la fase vapor. Como ejemplo podemos observar que la presión de vapor del éter etílico a 25°C es de 58,6 y la del agua de 23,76 torr., por lo cual cabe esperar que el punto de ebullición del éter sea menor que el del agua, lo que se confirma en la práctica: a una atm. de presión, el Pto. Eb. Del éter es de 35ºC. mientras el del agua alcanza 100°C.

Agua

Eter

Es necesario aportar más calor al agua que al éter ya que éste tiene mayor presión de vapor que el agua. Calor específico El calor específico es la cantidad de calor que debe absorber una sustancia para aumentar su temperatura en un grado centígrado8. Está muy relacionado con el calor de vaporización. El agua tiene el calor específico más elevado de todos los líquidos, lo que la constituye en un excelente termorregulador, ya que absorbe gran cantidad de calor, sin modificar notoriamente su temperatura. Es bien conocido el efecto regulador del agua en el ambiente. Aquellos entornos secos como los desiertos, muestran una gran amplitud térmica. Durante las horas del día, se alcanzan temperaturas próximas a los 50 °C, pero durante la noche la temperatura puede situarse alrededor de 0 grados, e incluso menos. Por el contrario, las tierras costeras, muestran una baja amplitud térmica al actuar el agua como termorregulador. Por otra parte, en el momento de salir el sol, la temperatura ambiente disminuye en virtud de que se requiere gran cantidad de energía para vaporizar el agua de rocío depositada durante la noche. En los cuadros febriles, el sudor del cuerpo, debe ser evaporado. Como el calor específico del agua es muy elevado, su vaporización se produce con alta absorción de calor, lo que enfría eficientemente la superficie corporal. Electrolitos Se denomina electrolito a toda sustancia que al disolverse genera iones. Por consiguiente, se produce el desdoblamiento de sustancias en el medio acuoso; este proceso de “desarmado” de moléculas neutras origina estructuras individuales que en total presentan igual cantidad de cargas positivas y negativas, (equivalencia de cargas), es decir que se mantiene la electro-neutralidad del sistema. Los electrolitos tienen acciones biológicas importantísimas siendo fundamentales para el mantenimiento de funciones fisiológicas en la célula. Como en los sistemas biológicos el solvente preponderante es el agua, los iones al poseer carga eléctrica, encuentran un medio muy adecuado para desarrollar su actividad química. Es así que intervienen en reacciones de óxido reducción, del medio interno 8

De 14,5 a 15,5°C

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Bioquímica

y estado ácido base, de contractilidad muscular y conducción nerviosa y en intercambios transmembrana entre otras numerosas funciones. Una sustancia soluble en agua, hipotéticamente denominada AC que pueda desdoblarse en iones, mostrará un comportamiento como el que se muestra a continuación:

AC (Aq) =========== A - + C + A partir de una especie eléctricamente neutra que se desdobla, se originan una partícula negativa, (anión) y su contraparte positiva, (catión), mientras se mantiene la electroneutralidad del sistema. Los cationes, positivos, se denominan así ya que son atraídos por el cátodo (polo negativo de una batería); como contrapartida, los aniones se dirigen espontáneamente al Ánodo (polo positivo). Así, el Bicarbonato de Sodio, Na CO3 H, se disocia en catión sodio y anión bicarbonato:

Na CO3 H ===== Na + + CO3 HLos cationes preponderantes en el hombre son: Na+, K+; Ca+ + y Mg+ + de los cuales el sodio tiene ubicación extracelular, mientras que el potasio y el magnesio son mayoritariamente intracelulares. Esas diferencias de concentración se logran a costa de un importante gasto de energía. Estos gradientes posibilitan la contractilidad celular y el envío de mensajes en músculos y nervios al producirse la despolarización y repolarización de las células por la movilidad transmembrana de los iones. La bomba Na+ /K, + es la encargada de mantener al K+ mayoritariamente en el medio intracelular y al Na+ fuera de la célula. Los aniones más relevantes para el organismo son el cloruro, el bicarbonato, el fosfato y los proteinatos, incluyendo hemoglobinatos.

El agua como solvente El agua es considerada un solvente universal a nivel biológico por su gran capacidad de disolución sobre un sinnúmero de sustancias, ya sean iónicas, covalentes polares o anfipáticas. La solubilidad de un soluto en agua está relacionada con el punto de saturación, es decir la máxima concentración que ese solvente puede admitir en solución a una temperatura y presión determinadas. De acuerdo con el tipo de soluto, podemos considerar las siguientes interacciones: Disoluciones iónicas Al disolverse un cristal iónico (Cloruro de sodio, ioduro de potasio, por ejemplo), los iones se separan. Las moléculas de agua se intercalan de manera que los cationes son rodeados por moléculas de agua, orientadas con el oxígeno hacia el catión. Por contrapartida, el anión queda enfrentado con la zona positiva de las moléculas de agua. Este proceso se denomina solvatación. Los solutos iónicos tienen alta solubilidad en agua, y nula en solventes orgánicos, hidrofóbicos o no polares. Disoluciones covalentes Sustancias como la glucosa o la urea, integran el grupo de los compuestos covalentes. No poseen carga eléctrica como en el caso anterior, pero sus moléculas exhiben un gradiente interno de cargas que originan un fenómeno de polaridad, con extremos de mayor densidad positiva y negativa alejadas. La solubilización se realiza mediante la interacción de los puentes hidrógeno que el agua establece con los grupos polares del soluto (oxhidrilos9, amino, nitro, etc.), permitiendo la formación de soluciones de tipo molecular. Disoluciones Anfipáticas Se denominan compuestos anfipáticos aquellos en los cuales su estructura exhibe una región francamente polar, separada de extremos apolares. Cuando una molécula de este tipo se encuentra con el agua, sufre modificaciones estructurales que le permiten exponer la parte polar hacia al agua, estableciendo interacciones hidrofílicas, y alejar las zonas hidrofóbicas de la fase acuosa, al máximo posible. Si se trata de monocapas que sean anfipáticas, éstas 9

En este libro se utilizarán indistintamente las palabras oxhidrilo como hidroxilo. La primera es la más arraigada, mientras que la segunda es más correcta.

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tenderán a curvarse, a los efectos de dejar las zonas polares enfrentadas al agua, y las hidrofóbicas, encerradas hacia adentro, donde generan un saco no polar. Estas estructuras se llaman micelas. Otra posibilidad es que se acerquen entre sí dos monocapas, enfrentándose entre ellas las zonas no polares. Se forman así bicapas, las cuales enfrentan hacia el agua una bicapa hidrofílica. En el caso que sea la bicapa la que se cierre, se forma un liposoma. Esta estructura es la que evolucionó para originar las primeras células arcaicas.

tomado de Wikipedia.org

Sistemas Insolubles Cuando el soluto es no polar, no puede intercalarse con las moléculas de agua ya que existe una repulsión entre las formas polares y las estructuras no polares. Esto origina una interfase que separa a los dos líquidos en fases diferentes, sin que se produzca ningún fenómeno de disolución. Por agitación la interfase se desarma pudiendo originar emulsiones. Un ámbito esencial de las disoluciones se relaciona con la regulación de la acidez y el mantenimiento del estado ácido-base, que desarrollamos a continuación. Estado Ácido – Base Es común en la vida diaria hablar de sustancias ácidas y alcalinas. Ahora veamos lo que podemos decir de ellas desde el punto de vista químico.

I.

Brönsted y Lowry definieron: ACIDO, a toda sustancia capaz de entregar protones.

En correspondencia con lo anterior, definieron BASE, como toda sustancia capaz de recibir protones. De lo expuesto, queda claro que por propia definición, para que exista un ácido, se necesita una base y viceversa, además de un protón transferible.

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Bioquímica

Cuando estas sustancias participan en sistemas reversibles, hasta lograr el equilibrio se llevan a cabo reacciones en ambas direcciones. Así, el que se comportó como ácido, al entregar su protón se transforma en base, ya que puede recibirlo nuevamente; y viceversa.: quien tuvo comportamiento básico, al recibir un protón, se transformó en ácido. De esta manera quedan planteada reacciones ácido base- conjugadas. Esto se refleja en el esquema a continuación:

.

AH + B ==== .

A1

B1

BH+ A2

+ AB2

Aquí podemos observar que el ácido-1 origina la base-2 y que la base-1 origina el ácido-2.Los electrolitos pueden ser fuertes o débiles, en función de su tendencia a disociarse, esto es, la fuerza con la que los reactantes se transforman en producto. En cada par conjugado, si uno de los miembros se comporta como electrolito fuerte, su contraparte será débil y viceversa. En relación co su tendencia a disociarse, podemos encontrar dos grupos: fuertes y débiles. •

Ácidos y bases fuertes

•

Ácidos y bases débiles

Una forma de medir esa tendencia a disociarse, es a través de la utilización de la constante de equilibrio. Si una reacción, como la siguiente, sufre el proceso de transformación: A + B ===== C + D Su constante de equilibrio, queda determinada:

[C][D] Keq = ------------------------[A][B] Recordemos que si Keq, es mayor que 1, la reacción se encontrará desplazada a la derecha. En el caso de tratarse de un electrolito fuerte, los reactantes se agotarán, con lo cual el valor del denominador será 0. Por consiguiente, si el denominador vale 0, ante cualquier valor que tenga el numerador, el resultado de la razón siempre será infinito (∞) ya que es el valor que se obtiene de dividir cualquier número por 0. Entonces decimos que los ácidos y bases serán fuertes cuando el valor de su Ka o Kb, respectivamente, sea infinito. De acuerdo con su tendencia disociativa, al plantear la constante para la reacción ClH + H2O

Cl- + H3O+

se verifica que al final ya no queda ClH, por lo que su valor en la fórmula de la constante será 0, y por consiguiente el resultado de la constante será igual a infinito.

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[Cl- ] [H3O+ ]

n . n

Keq = ------------------------- = ------------------ = ∞ [ ClH ] 0 *

*Cualquier número dividido por 0

∞, indicando este valor que se trata de un ácido fuerte.

Como podrá observarse, el agua no fue incluida en la fórmula; esto obedece a que el agua se comporta como solvente (fase dispersante) y su valor es una constante, por lo que se incluye en la constante de Equilibrio. Ahora veremos el ejemplo de un hipotético ácido débil. Consideremos que al comienzo de la reacción, hay 10.000.000 de moléculas de ácido débil AH y que al alcanzarse el equilibrio quedan 9.999.990 moléculas del ácido ya que 10 moléculas de ellas se desdoblan en 10 de partículas A- y 10 moléculas de hidronio, H3O+ .

AH + H 2 O ======= 10.000.000 9.999.990

Al inicio: En el equilibrio

Ac- + H3O+ 0 0 10 10 102 ------- = ~ 1 x 10 -5 107

[A-] . [H3O+] 10.10 100 Ka = ------------------- = --------------- = ~ ----------------- = [AH] 9.999.990 10.000.000

Observamos que el valor de K es menor que 1, lo que indica que se trata de un ácido débil. Por tratarse de ecuaciones conjugadas, se establecen las siguientes correlaciones: Un Ácido fuerte

Base Débil

genera 

Una Base Débil

Ácido Fuerte

genera  Y a la recíproca:

Un Ácido débil

genera 

Base Fuerte

Una Base fuerte

genera 

Ácido Débil

Esto, aplicado al ejemplo considerado será: AH Ac d

Bd

+ H 2 O ===

BF

A- + H3O+ AF

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Bioquímica

II.

Acido-Base de Lewis En muchas reacciones, sobre todo de la química orgánica, la acidez y basicidad de las sustancias, así como sus reacciones, se explican a través de un mecanismo de transferencia electrónica. Para Lewis, un ácido es todo grupo químico capaz de recibir electrones y una base, toda sustancia capaz de entregar un par electrónico. Con este mecanismo se estable un enlace covalente. Así vemos que un protón (pobre en electrones), se combina con Oxhidrilo, (rico en electrones). Éste entregará sus electrones en exceso (dador) por lo que se comporta como base, recibiéndolos el protón que se comporta como ácido. H+ Ácido de Lewis

+

HO -

==

H 2O

Base de Lewis

Las sustancias que buscan zonas de baja densidad electrónica se llaman nucleofílicas. Por el contrario, aquellas que reaccionan con zonas de alta densidad electrónica serán electrofílicas. H+

+

Ácido de Lewis

NH3

==

NH+ 4

Base de Lewis

El agua como electrolito El agua tiene un comportamiento electrolítico, ya que es capaz de disociarse en iones. Sin embargo, esta disociación es muy débil, ya que en condiciones normales, en el equilibrio, de cada diez millones de moles de agua, sólo un mol se encuentra disociado, según se expresa en la siguiente ecuación: H 2 O + H 2 O === 1 mol

H3O+

1 mol

+

-OH

1x10-7 moles

1x10-7 moles

Si planteamos la constante de equilibrio para esa reacción, nos queda:

[HO- ] [H3O+ ] K = ----------------------[H2O ] 2 El agua, por ser disolvente, es una constante, (k’) por lo cual se puede incluir en la K obtenida, cambiando de miembro y originando una nueva constante, llamada constante del agua: Kw = K . k´ = [HO-] [H3O+] Se sabe que en un mol de agua, se encuentran disociados 1x10-7 moles ionizados. Reemplazando en la fórmula: El producto iónico del agua, Kw es: Kw = [HO-] [H3O+] = 10 -7. 10 -7 = 10 -14 Para evitar el tratamiento de fórmulas con excesiva cantidad de ceros, Sörensen propuso la utilización de logaritmos negativos (simbolizados matemáticamente por “p”). Al aplicarle logaritmo negativo al Kw, se obtiene el pKw pKw

=

- log 10-14

- log 10 -14

=

- (- 14 . log 10) ; el logaritmo de 10 es 1;

=

- (-14 . 1) = 14

=

pH + pOH = 14;

pKw

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de donde, el logaritmo negativo de hidronio es pH y el logaritmo negativo de oxhidrilo es pOH. pH = - log [ H3O+] = - log 1x10-7 = 7 pOH = - log [ OHˉ ] = - log 1x10-7 7 De esta manera se hace evidente que los valores de pH e hidronio, se encuentran vinculados a través de su logaritmo decimal negativo. Obsérvese que siempre la suma de pH y pOH a 25 °C da 14 Un listado de varias condiciones de acidez se muestra como ejemplo en la tabla siguiente:

pH 11 9 7 6 4

[ H3O] 10-11 10-9 10-7 10-6 10-4

[OH-] 10-3 10-5 10-7 10-8 10-10

pOH 3 5 7 8 10

Estado del medio Alcalino Alcalino NEUTRO Ácido Ácido

Resulta evidente que cualquiera de los cuatro valores (pH, pOH, [-OH] e [H3O+]) son individualmente suficientes para expresar la escala de acidez de una sustancia; por ello, para que resulten prácticos para comparar diferentes situaciones ácido-base, es conveniente tomar uno de ellos para una escala comparativa; en razón de esto, se decidió utilizar casi exclusivamente al pH, como patrón de acidez de los sistemas. Esta escala de 0 a 14 muestra que a menor pH, a mayor acidez. Escala de pH: 0 ß

1

2

3

4

ACIDEZ CRECIENTE

5

6

7

8

NEUTRO

9

10

11

12

12

ALCALINIDAD CRECI ENTE à

14

Cálculo de pH en ácidos y bases débiles Cuando se trate de ácidos y bases débiles, se debe tener en cuenta, que a diferencia de los electrolitos fuertes, la concentración de Hidronio será menor que la concentración del ácido agregado. Observemos este fenómeno sobre la reacción del ácido acético: AcH + H2O ===== Ac- + H3O+

Si al principio de la reacción tenemos una concentración de ácido a la que llamamos Co ,al llegar al equilibrio, una fracción de reactantes se habrá transformado en productos. Como ignoramos cuánto se ha producido, a esa cantidad la llamaremos x. Entonces en el equilibrio quedará: Co – x de reactantes; y se forma x de productos;

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Bioquímica

Para el ejemplo del ácido acético, observamos: H2O ===== Ac- + H3O+

AcH +

INICIAL :

Co

EQUILIBRIO

Co – x

x

x

Al comienzo de la reacción solo hay ácido Acético (Co) y en el equilibrio se formaron x moles de Ac- y x moles de H3O+. Entonces de AcH queda lo inicial, menos lo formado de productos: Co – x moles de AcH Planteando la constante de Equilibrio, para esa reacción, nos da:

[Ac-] . [ H3O+] Ka = -----------------------------[ AcH]

(4)

Observando que por cada mol de H3O-, se forma un mol de Ac –, podemos decir que [Ac-] = [ H3O+] por lo cual podemos reemplazar en la fórmula (4), [Ac-] por su igual, [ H3O+] [ H3O+] [ H3O+] Ka = ----------------------------- (5) ; es igual a [ AcH]

[ H3O+]2 Ka = -----------------------------[ AcH]

(6)

Si aceptamos que el ácido acético es un ácido débil, podemos considerar que el valor de X (fracción disociada), es relativamente baja por lo que podrá ser despreciada, y considerar a [AcH]=C0 entonces reemplazamos en (6)

[ H3O+]2 Ka = -----------------------------C0

(7)

Despejando [ H3O+]2, queda

 H 3O +  =

( Co K a )

Teniendo en cuenta que por tratarse de electrolitos débiles, la disociación es mínima, y que además se debería ver inhibida por la presencia del ion común hidronio aportado por el agua, en la práctica es común utilizar sin mayor margen de error la concentración inicial del ácido como la concentración del equilibrio. Aunque la ecuación de segundo grado es más exacta que la aproximación que aquí utilizamos por su mayor sencillez, la simplificación resulta suficiente para la mayoría de los cálculos que debemos realizar. Por consiguiente, es una buena aproximación que nos permite determinar con aceptable exactitud la concentración de hidronio [H3O +]; éste se puede averiguar, como la raíz cuadrada de la concentración inicial del ácido (Co) por la constante del ácido débil (Ka).

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Un tratamiento similar se puede hacer para las bases débiles, y determinar la concentración de oxhidrilos [ HO - ] con buena aproximación, a través de la raíz cuadrada de la concentración inicial (Co) por la constante básica (Kb) de la base.

 HO-  =

( Co K b )

SISTEMAS BUFFER Se denomina sistema Buffer, amortiguador o tampón, a sistemas constituidos por un ácido débil y una de sus sales o por una base débil y una sal derivada de ella. Siguiendo con el ejemplo del ácido acético, como ácido débil, podrá constituir un buffer con una de sus sales, por ejemplo el acetato de sodio. De esta manera se conforma un par AcH/ AcOtros ejemplos de buffers son: Fosfato diácido/ fosfato monoácido:

PO4 H2 - / PO4 H =

Amoníaco/ amonio:

NH3 / NH4 +

Proteinato/proteína:

Prot- / Prot

Hemoglobinato/hemoglobina:

Hb- / Hb

Carbónico/bicarbonato:

CO3 H2 / CO3 H -

La principal propiedad de los buffers radica en su facultad de evitar las variaciones marcadas en la acidez del medio. Se dice de ellos que son reguladores del pH. Esta facultad está basada en el mecanismo de adquirir o liberar protones del o al medio, de acuerdo con las modificaciones sufridas por el sistema. Si un medio posee un pH determinado, significa que tiene una concentración de protones relacionada. Si un buffer está presente, ante cualquier tensión aplicada al medio, el buffer reaccionará de manera de compensar esa tensión, tal lo establecido por el principio de Le Chatelier. Si al agua se le agrega un ácido, se le estará incorporando protones, y en definitiva, disminuyendo su pH. En cambio sí un buffer se encuentra presente, el pH tenderá a no modificarse. Usando como ejemplo al buffer fosfato diácido / fosfato monoácido, veremos que este par de electrolitos sufrirá un desplazamiento que compense el exceso de protones externos agregados. HPO4 = + H+

======= H2PO4 –

Al agregar protones, cada molécula de HPO4 = tomará un protón y se transformará en PO4 H2 – con lo que se logrará mantener la concentración de protones del medio, recuperando el valor de pH, ya que sólo los protones impactan en el valor de pH. Siendo insensible este a las variaciones del par HPO4 = /H2PO4 Entonces, ante un agregado de H+, el sistema buffer se desplazará hacia la derecha. Por el contrario, si el medio tiene una pérdida de protones (aumento del pH), el sistema reaccionará desplazándose a la izquierda, para liberar los protones necesarios hasta compensar esa diferencia, y recomponer el valor de pH. Por supuesto que los buffers tienen una propiedad reguladora, pero limitada. Llegará un punto en el que la capacidad del buffer será superada y el pH se verá finalmente modificado.

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Bioquímica

GB

Si al medio se agregan protones, el sistema buffer se desplazará hacia la izquierda con el fin de que no se incremente la concentración de protones existentes en el medio. Si por el contrario, el sistema requiere más protones para que no suba el pH, el buffer se desplazará a la derecha a los efectos de proveer los H+ necesarios a esos requerimientos.

gb

Ecuación de Henderson – Hasselbalch Esta reacción resulta muy útil para conocer las condiciones de acción de un buffer. Un ejemplo es lo que ocurre a nivel biológico con la regulación del pH que tiene un rango muy restringido en los sitemas vivos. Como las células en sus procesos metabólicos producen dióxido de carbono, y éste con agua forma ácido carbónico, el pH del medio descendería. Pero a su vez el ácido libera un protón y produce bicarbonato. Si observamos la reacción que representa lo expresado: CO2 + H2O ==== CO3H2 ====== CO3H- + H+

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Luis Simes

Esta serie de reacciones se verifica en la célula. Éstas, a través de los procesos oxidativos, llevan a cabo su camino metabólico con la incorporación de oxígeno que permite utilizar la glucosa, concluyendo el proceso con la producción de CO2 y H2 O Notemos que el anhídrido carbónico proveniente del metabolismo, se elimina por sangre venosa en los pulmones (proceso respiratorio), mientras que el agua se eliminará por diversas vías, entre ellas la renal; prestemos atención al proceso por el cual el CO2 se combina con agua para formar ácido carbónico CO2 + H2O ==== CO3H2 Esta es una reacción energéticamente muy desfavorable, por lo que se lleva a cabo a través de la intervención de una enzima específica, la anhidrasa carbónica. El ácido formado se disocia (cuando el medio es pobre en protones), en bicarbonato y protón (H+)) en un proceso regulado por el riñón (proceso metabólico) CO3H2 ===== CO3H- + H+ Integrando ambas reacciones, queda: CO2 + H2O === CO3H2 ==== CO3H- + H+ El anhídrido carbónico, CO2 representa LO ACIDO, y su destino está en el sistema respiratorio; el bicarbonato, representa lo BASICO, ocupándose de su equilibrio el riñón. Desarrollamos la fórmula de la constante de equilibrio para un ácido débil, en el miembro derecho de la ecuación: CO3H2 ===== CO3H- + H+ ; Y le aplicamos su constante de equilibrio, nos queda: [CO3H-] . [ H+] Ka = ------------------------ ; Si despejamos protón, se obtiene [ CO3H2] Ka [CO3H2] [ H+] = --------------------------- ; Al aplicar logaritmos negativos (p) , obtenemos: [ CO3H-] [ CO3H-] pH = Ka + log -------------------- ; Generalizando, podemos decir que [CO3H2]

el pH en un medio buffer es igual a la constante ácida más el logaritmo de la concentración de sal sobre la de ácido. C sal pH = Ka + log -------------------C ácido

En el caso del organismo humano, el buffer bicarbonato es el principal regulador del pH. Considerando que el pH normal en 7, 40 y sabiendo que el pKa del ácido carbónico es 6,1, si reemplazamos estos valores en la fórmula (3), veremos que [ CO3H-] 7,40 = 6,10 + log ---------------[CO3H2]

32

Bioquímica

Para que se cumpla la igualdad, el segundo término del miembro de la derecha debe valer 1,30. Entonces, ¿el logaritmo de qué número nos dará 1,3? Al resolver, vemos que el logaritmo del número 20 es 1,3, es decir que para que se mantenga el pH del organismo en esos valores, la relación entre el bicarbonato y el ácido carbónico ([CO3H-] / [CO3H2]), debe ser igual a 20, (es decir 20 partes de bicarbonato por cada parte de ácido carbónico). La regulación gaseosa del CO2 a través del sistema respiratorio resulta fundamental entonces para el mantenimiento del estado ácido base. Una acumulación de CO2 puede llevar, si no es compensado, a una acidosis de tipo respiratoria. Por otra parte, el bicarbonato es regulado a nivel renal, y cualquier modificación de su homeostasis, llevará a alguna patología del medio interno de carácter metabólico. Otro buffer de importancia fisiológica lo constituye el sistema ácido fosfórico / fosfato. Como el ácido fosfórico tiene tres hidrógenos, tiene tres valores de pKa, uno para cada protón. Pero en los sistemas buffers nos interesa el pKa más próximo al del sistema donde ejerce su acción reguladora. Para el caso del ácido fosfórico corresponde al par fosfato monoácido/ fosfato dibásico: pH = 7,2 + log ( HPO4= / ( H2 PO4- ) El otro sistema buffer de importancia en el organismo lo constituye el sistema hemoglobina/hemoglobinato. Estas reacciones ocurren en el eritrocito. La primera, en la sangre oxigenada, cuando la hemoglobina tomó el oxígeno en los pulmones. La segunda cuando el eritrocito ya liberó oxígeno en los tejidos y se carga de CO2 para formar ácido carbónico por acción de la anhidrasa carbónica. El ácido carbónico se disociará en CO3H- + H+. El bicarbonato sale del eritrocito, intercambiándose con cloruro, para mantener la electroneutralidad. En el pulmón se libera el CO2 para ser expirado, y es reemplazado en la hemoglobina por el oxígeno. Se observa así que la sangre arterial es más alcalina que la sangre venosa.

H Hb O2

=======

Oxihemoglobina reducida

H Hb

=======

Hemoglobina reducida

Hb O2 -

+ H+

oxihemoglobinato

Hb

-

+ H+

pK = 6,7

( en las arterias desde los pulmones a los tejidos)

pK = 7,9 ( en las venas desde los tejidos a los pulmones)

Hemoglobinato

pH regulado Los valores de pH en el organismo se encuentra acotado en rango muy estrecho: 7,35 a 7,45 con un valor central ideal de 7,40. Cuando los valores se extralimitan de 7 hacia abajo o de 7,80 hacia arriba el organismo entra en condiciones muy riesgosas. Para los valores inferiores a 7,35 se estará en acidosis y en aquellos casos en que los valores sean mayores a 7,45, en alcalosis. A pesar de coexistir con sustancias muy ácidas o muy alcalinas, el organismo logra mantener su homeostasis con gran eficiencia. Esto se consigue por la acción de: I.Ventilación pulmonar; II. Filtrado renal; III. Medios buffers La ventilación pulmonar es un mecanismo que influye rápidamente en el pH ya que depende de la frecuencia y profundidad de la respiración. Si se mantiene constante la formación de CO2 metabólico, y la frecuencia respiratoria baja, tenderá a acumularse CO2 y a bajar el pH. Por el contrario, cuando se hace rápida y profunda, emitirá más CO2 del que se produce y el pH tenderá a subir. Una respiración profunda y rápida (hambre de aire o en guarda griega por el formato de la gráfica respiratoria) es la respiración llamada de Kusmmaul que se observa compensando la acidosis cetodiabética. La presión de CO2 indica el aporte respiratorio en la patología. Su incremento lleva a la acidosis respiratoria. Es un sistema de rápido impacto. La Filtración renal conforma un sistema regulador, pero de acción más lenta que el sistema respiratorio. La molécula central del proceso renal, es el bicarbonato, cuya presencia representa un efecto alcalinizaste. Si bien en el medio interno el rango de pH es muy estrecho, el de la orina es amplio (5 a 7) lo que muestra que el riñón elimina sustancias que en el intersticio causarían alteraciones y patologías. Se filtran aproximadamente 180 litros de sangre por día, aunque sólo se producen 2 litros de orina. En ese accionar el riñón filtra, concentra, y reabsorbe metabolitos de acuerdo a las necesidades homeostáticas. Fosfato, bicarbonato, amonio, urea, sodio,

33

Luis Simes

potasio juegan finos equilibrios perfectamente regulados por el nefrón. Las alteraciones ácido base que tienen origen en el riñón se clasifican como metabólicas: acidosis por pérdida de bicarbonato o alcalosis en caso de producirse su incremento Buffers. Subsecuentemente al accionar de los órganos implicados en la regulación ácido base, se encuentran acoplados los sistemas buffers de acuerdo a su pertinencia. El principal buffer extracelular es el carbónico/ bicarbonato y los principales sistemas reguladores intracelulares son los Hemoglobina/ hemoglobinato y fosfato diácido/fosfato monoácido. Con un ejemplo aplicativo, muy simplificado a los efectos didácticos, y que será profundizado en los capítulos de Análisis clínicos (Parte 2), se visualiza en la tabla siguiente el impacto orgánico de la alteración de esos metabolitos para los cuadros clínicos no compensados, con sus consecuencias patológicas:

Cpto. pH

Pulmón

Riñón

CO2

CO3 H -

N

Acidosis Metabólica N

N

Acidosis Respiratoria Alcalosis Metabólica

N

Alcalosis Respiratoria

Para revisar el tema ácido – base, resulta conveniente repasar las fórmulas de aplicación en ésta área: FÓRMULAS GENERALES 5. [H3O+ ] = 10 –pH 1. Kw = [H3O ] [HO- ] 6. [HO- ] = 10 –pOH 2. pKw = pH + pOH 7. Ka = ([H3O+ ] [A- ]) / ] [AH] 3. pH = - log [H3O+ ] 8. Kb = ([HO- ] [B+ ]) / ] [B] 4. pOH = -log [HO- ] Para electrolitos débiles + 10. [HO- ] = (Co Kb)1/2 9. [H3O ] = (Co Ka)1/2 Para hidrólisis 12. Kh: Kw / Kb 11. Kh: Kw / Ka Para Buffers 14. pOH = pKb + log (sal/base) 13. pH = pKa + log (sal/ acido) +

Estados Óxido - Reducción Las reacciones de Óxido-Reducción corresponden a un grupo muy importante de interacciones químicas que se caracterizan por producir intercambio de electrones. Se las denomina genéricamente reacciones REDOX. Así como vimos que las reacciones ácido – base de Brönsted – Lowry transcurren con un intercambio de protones10, las de óxido reducción se producen por intercambios electrónicos.

10

La teoría Ácido-base de Lewis se explica sobre el intercambio de electrones, pero no es tratada en este texto.

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Bioquímica

El concepto cotidiano de oxidación se halla incorporado al lenguaje común, interpretándose correctamente que un elemento expuesto al aire “se oxida”, pues incorpora oxígeno a su molécula. Hasta el advenimiento de los metales inoxidables, era muy común convivir con utensilios que mostraban signos de herrumbre (oxido) en su superficie. Químicamente, el concepto de oxidación resulta más amplio que el mero fenómeno de incorporar oxígeno. Durante un proceso de óxido-reducción, se verifica el intercambio de electrones y la modificación del estatus de las sustancias que intervienen en el intercambio:

Una sustancia A se Oxida cuando

Una sustancia B se Reduce, cuando

•

Entrega electrones

•

Recibe electrones

•

Aumenta su valencia

•

Disminuye su valencia

•

Se comporta como reductor

•

Se comporta como oxidante

En una reacción REDOX, se verifica, SIEMPRE, un intercambio de electrones. Como ejemplo observamos el par cadmio/zinc. Cd++ + Zn° ==== Cd° + Zn++

(1)

Observamos que el elemento Cadmio sufre un cambio desde el estado +2 al 0, por lo cual decimos que se reduce. Para que esto ocurra debe recibir dos electrones: Cd++ + 2 e- ==== Cd°

(2)

La otra modificación electrónica que se verifica es la correspondiente al elemento Zinc, que pasa del estado 0 al +2, es decir se oxida. Ese cambio de carga requiere que haya entregado dos electrones desde el átomo de Zn. Zn°

==== Zn++ + 2 e-

(3)

La reacción global (1) se produce como consecuencia del acoplamiento de dos media reacciones (hemi- reacciones). Esto no obedece a un diseño teórico, sino que se encuentra fundamentado en una realidad física. A diferencia de las reacciones ácido-base, en las que es necesario que los reactantes estén en contacto entre sí, en las reacciones de óxido reducción los reactantes pueden estar en recipientes separados. Sólo se requiere que exista un puente conductor eléctrico que los relacione y un puente salino que evite su saturación.

35

Luis Simes

Veamos: Si en un recipiente se coloca una barra de Cadmio, sumergida en una sal de Cd++, y en otro recipiente, una varilla de Zinc, sumergida en una sal de Zn++, al unir ambas varillas con un cable conductor la reacción comenzará a desarrollarse; este sistema formado por dos cubas relacionadas por un conductor y un puente salino11 (que no está representado en el dibujo), se llama pila de Daniell.

El Zn° de la celda galvánica de la derecha, para transformarse en Zn++, libera 2 electrones; esos electrones circulan por el conductor eléctrico y se dirigen al vaso representado a la izquierda (3) ; Corresponde a una reacción de OXIDACION, pues ENTREGA electrones, comportándose como REDUCTOR. Al llegar los electrones a través del conductor, se combinan con el Cd++, originando Cd° (metálico). Esta es una hemi reacción de REDUCCION (2), pues RECIBE electrones. Al reducirse se comporta como OXIDANTE. En el caso del ejemplo, se observará un incremento en la masa del borne de cadmio metálico, y una disminución en el tamaño de la varilla de cinc. En base a ésta realidad física es que se plantean las reacciones de óxido reducción, bajo la forma de dos medias reacciones acopladas. Combinando ambas, se obtiene la reacción completa de óxido reducción, sin que necesariamente compartan el mismo recipiente. Potenciales Estándar de Reacción E° 11

El puente salino es un tubo que relaciona ambas cubas para evitar la saturación iónica

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Bioquímica

La colocación de un conductor que comunica ambas cubas, implica la transferencia de electrones, o lo que es lo mismo la generación de una corriente eléctrica. Por ello, la colocación de un volt���������������������������������������������������������������������������������� ímetro en el conductor, permite��������������������������������������������������� medir los voltajes que se establecen en cada reacción. Se sabe que para cada par de elementos enfrentados, se producen distintos voltajes. Visto así se requeriría efectuar las mediciones de todos los posibles pares de elementos en sus diferentes estados de oxidación. Con la finalidad de evitar este inconveniente, se ideó un electrodo de H2 / H+, en condiciones de normalidad (1 Molar, 25°C y 1 atm. de presión), al cual se le asignó arbitrariamente un valor de voltaje 0, que sirviera como patrón de comparación12. Cuando se relaciona este electrodo estándar, frente a los diferentes elementos se obtiene un valor que identifica a cada par, y que se encuentran tabulados para su consulta y utilización. Por ejemplo, la reacción Fe+++ / Fe ++ fue medida frente a la cupla estándar de hidrógeno y se obtuvo un valor de 0,77 V. Por otra parte si la medición del par Co ++ / Co° frente al electrodo estándar dio – 0,25 V, cuando se realice la reacción Co° + Fe+++ ======= Co ++ + Fe ++ Bastará con consultar los valores de tabla para conocer los voltajes de cada par y su resultado para esta reacción. El voltaje de cada par se denomina potencial estándar de celda, E°, Y la suma de los valores de ambos pares, será el Potencial de reacción, ∆ E°. Potencial estándar y energía libre El ∆ E° permite determinar la orientación y fuerza de la reacción, siempre que se cumplan las condiciones estándar para cada reacción. Pero como en la mayoría de las reacciones las concentraciones son distintas de 1M se necesita aplicar la ecuación de Nernst, para determinar la tendencia de la reacción en esos casos de condiciones no estándar. La ecuación de Nernst incorpora los valores de concentración de las especies en el equilibrio y lo que se obtiene entonces es el potencial de Celda ∆ E, en condiciones no estándares. El potencial de reacción ∆ E° está relacionado con la energía libre de Gibbs (energía del sistema que puede ser utilizada por el mismo), y que se determina a través de la ecuación:

∆ G° = -n F ∆ E° En la que n es el número de electrones intercambiados y F la constante de Faraday13. Cuando el potencial de la reacción ∆ E es positivo, la reacción será termodinámicamente favorable cuando se desarrolle de izquierda a derecha. Para estos casos espontáneos la ∆ G° será negativa porque denota un balance energético favorable. Con estas herramientas se conocen la orientación e intensidad de las reacciones de óxido- reducción. Cuando necesitamos interpretar el estado de oxidación de ciertas sustancias orgánicas, sin apelar al uso de los valores de los potenciales de reacción, podemos utilizar el recuento de hidrógenos y oxígenos de cada sustancia, para, a través de ese recuento obtener una indicación orientativa del estado oxidativo de las especies químicas. En el caso de los compuestos orgánicos, podemos hacer una comparativa de su estado de oxidación, a través de la cantidad de átomos de H y O que posee cada uno. Cuanto más átomos de oxígenos o menos hidrógeno de posea un compuesto, más oxidado se encontrará. Veamos a continuación, ordenado de menos oxidado a más oxidado:

12 13

Como la concentración de H+ es 1M, el pH=0; para las reacciones biológicas se considera que el pH normal es de 7,40, el voltaje de la cupla es de – 0,42 V. 96,5 kJ/V.mol

37

Luis Simes

Observando el contenido de hidrógeno y oxígeno, el siguiente ejemplo contribuye a visualizar lo expresado:

N° átomos

Alcano

Alqueno

CHO

- CH3

= CH2

Hidrógeno

3

2

Oxígeno

0

0

Alquino

Alcohol

Aldehído

Cetona

Ácido

– CH2-OH

–CHO

= C =O

– C O OH

1

3

1

0

1

0

1

1

1

2

C

H

Podemos observar que a medida que se progresa desde la izquierda a la derecha se pasa de un estado más reducido (prevalencia de H) a uno más oxidado (Prevalencia de O). Así corroboramos que un ácido está más oxidado que un aldehído (ambos tienen un hidrógeno, pero el ácido tiene un oxígeno más) o que un alcohol, está más reducido que una cetona (ambos tienen un oxígeno, pero el alcohol tiene tres hidrógenos y el grupo ceto ninguno). Se muestra más adelante un cuadro que contiene pares redox de sustancias que tienen entidad en diversas funciones biológicas, con sus respectivos valores de ∆ E° Óxido reducción en compuestos orgánicos Cuando consideramos a los organismos que obtienen su energía tanto de la luz como de los compuestos químicos, nos referimos a dos sistemas o mecanismos de acción diferentes, pero que conllevan en común un efecto central: el rol de los electrones en el proceso. Como ya se expresara, un intercambio de electrones caracteriza a las reacciones de óxido-reducción. Por ejemplo, uno de los seis grupos en los que se han clasificado a las enzimas es el de óxido-reductasas. En él se encuentran las deshidrogenasas, enzimas que favorecen las oxidaciones biológicas. Con su intervención, por ejemplo el ácido láctico se transforma en pirúvico, y los aceptores de hidrógeno de la cadena respiratoria se oxidan al perder hidrógenos. En la siguiente tabla se muestran ejemplos de potenciales de óxido reducción, que interesan a sustancias que intervienen en procesos metabólicos de la célula eucariota14. Por ejemplo, el oxígeno se muestra como el principal receptor de hidrógeno, para formar agua, en el más común de los procesos oxidativos: la respiración Sustancia Oxidada

Sustancia Reducida

e- inter cambiados

Succinato

α cetoglutarato

2

Acetato

Acetaldehido

2

NAD

NADH + H

2

+

NADP

NADPH + H

FAD

FADH2

2

Piruvato

Lactato

2

Citocromo b (III)

Citocromo b (II)

1

Ubiquinona Ox.

Ubiquinona Red.

2

Citocromo c (III)

Citocromo c (II)

1

Hierro (III)

Hierro (II)

1

½ O 2 + H2

H2O

2

+

14

+

2

+

Tomado de Biochemistry. 6th Ed.Berg et. al. Freeman Ed.

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Voltaje de H hemireacción ∆ E°

- - - - - -

0,67 0,60 0,32 0,32 0,22 0,19 +0,07 +0,10 +0,22 +0,77 +0,82

Bioquímica

Transporte de electrones: Las deshidrogenasas que se relacionan con ciertos dinucleótidos como la NAD+ (Nicotinamida, Adenina Di nucleótido), las flavin adenina dinucleótido y las ferroproteninas entre otras, tienen importantes acciones biológicas fundamentales que se sustentan en procesos de óxido reducción química.

El Átomo de Carbono Ya se ha expresado la importancia del carbono como elemento esencial en la constitución de los compuestos orgánicos.

12,0107

C 6

1s2 , 2s2,2p2

El Carbono es el elemento número 6 de la tabla periódica, por lo cual su núcleo posee 6 protones. Se encuentra ubicado en el período 2 y en el grupo 14 (4 A) de la tabla periódica. Su masa atómica es 12, lo cual implica que posee 12 nucleones, por lo cual aparte de los 6 protones mencionados, contiene 6 neutrones. Más del 90% del carbono natural se encuentra en esa conformación isotópica15. Un pequeño porcentaje corresponde al isótopo estable 13. Este isómero posee 7 neutrones. El Carbono 14, que posee 8 neutrones, tiene un decaimiento radiactivo con una vida media16 de 5760 años, propiedad que es utilizada para medir la antigüedad de las sustancias que componen cuerpos antiguos, constituyéndose en una eficaz herramienta que presta utilidad en el terreno de la investigación histórica, a la geología, a la arqueología y a la paleontología entre otras. En cumplimiento de la electroneutralidad, se requiere que este elemento contenga 6 electrones. Éstos se distribuyen según la siguiente configuración electrónica: 1s2, 2s2 , 2p2 , representados en las casillas cuánticas que se observan a continuación:

S

P

2

1

15

16

Los elementos se identifican por el número de protones que poseen y que se corresponden con el número atómico Z. Sin embargo el mismo elemento puede poseer distinto número de protones en su núcleo, mostrando diferentes variantes isotópicas: Isótopos 12, 13 o 14 del Carbono: todos tienen 6 protones, pero el número de neutrones de sus núcleos es 6, 7 y 8 respectivamente. Vida media y período de semidesintegración son conceptos diferentes pero en algunos casos asimilables.

39

Luis Simes

Como la energía de los subniveles 2s y 2p es muy similar, los electrones de esos subniveles pueden comportarse como si pertenecieran al mismo subnivel, y en consecuencia siguen la regla de Pauli, que expresa que: “No se completa un orbital si en el mismo subnivel aún existen orbitales vacíos” Hay una preferencia energética por la situación de orbitales semi-completos. Para cumplir con esta regla, un electrón del orbital 2s (lleno) pasará al tercer orbital 2p (vacío). De esa manera en el nivel 2 quedan un orbital s y tres orbitales p semillenos: 2 s1

,

2px1 ,

2py1

, 2pz1

Hibridización La hibridización es un proceso por el cual ciertos orbitales son capaces de mixturarse, es decir mezclarse para originar nuevas formas llamadas orbitales híbridos.

sp3

2

1

Al existir cuatro electrones en orbitales energéticamente similares, se produce una mezcla entre los cuatro, generándose cuatro nuevos orbitales mezcla (o híbridos), idénticos, llamados sp3. Este nombre obedece a que cada uno está formado por una parte de orbital s y tres partes de orbitales p, es decir un total de 4 orbitales híbridos sp3. Los cuatro orbitales originados son iguales entre sí. Como cada uno de sus electrones están desapareado son capaces de originar cuatro enlaces idénticos entre sí, que se orientan hacia los vértices de un tetraedro y que particularizan las estructuras carbonadas.

Estructuras

basadas en el

Carbono

El carbono se constituye en un elemento tan especial, en razón de que es prácticamente el único átomo17 capaz de unirse covalentemente consigo mismo para formar largas cadenas, ciclos, esferas o tubos que ofrecen una enorme variedad estructural sobre la cual construir una gran diversidad de compuestos orgánicos, biológicos, poliméricos, tanto naturales como artificiales de importancia para la vida y para la sociedad.

Tipos de enlace Un átomo de carbono puede unirse con un átomo de carbono vecino, mediante enlaces simples, dobles o triples.

17

El Silicio tiene propiedades similares, aunque en menor escala.

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Bioquímica

Enlace simple Entre cada carbono se establece un enlace covalente. La distancia interatómica carbono- carbono es de 1,51 Armstrongs, quedando tres enlaces libres para combinarse con otros elementos o grupos químicos.

El carbono se estructura mediante hibridización sp3, cuando emplea sus uniones simples. Esta disposición origina ángulos de enlace de 109° 28’, donde los cuatro orbitales híbridos sp3 se orientan hacia los cuatro vértices de un tetraedro perfecto.

GB Enlace doble En estos casos dos átomos de carbono se unen por un enlace doble, quedando disponibles para generar otras combinaciones dos enlaces por cada átomo de carbono. La distancia del enlace doble es de 1,34 A y su energía de combinación es de 146 kcal/mol.

Utilizan hibridización sp2. En este tipo de hibridización, se mezclan dos orbitales 2 p con el orbital 2s , generando 3 orbitales híbridos sp 2 quedando un orbital p sin combinar. Esto origina tres orbitales idénticos que se dirigen sobre un plano hacia los vértices de un triángulo, mientras el orbital p sin mezclar permanece perpendicular al plano.

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Luis Simes

El enlace triple tiene una longitud de 1, 42 A ° y una energía de 200 kcal/mol Téngase en cuenta que esta energía duplica prácticamente la energía de enlace del C—H : 99 kcal/mol.

Cuando se generan enlaces triples, se produce la mezcla de un orbital p con el orbital s, quedando dos electrones en su original configuración p. Los dos orbitales híbridos sp, se orientan sobre una recta, mientras los dos electrones p restantes se ordenan en ángulos perpendiculares.

Los enlaces sp se orientan sobre una recta a 180° y los dos orbitales p sin hibridizar se acomodan en ángulos de 90°

Clasificación de los carbonos en las cadenas ramificadas Cuando los átomos de carbono se unen en cadenas, modifican algunas de sus propiedades, diferenciándose en carbonos primarios, secundarios, terciarios y cuaternarios. De esta manera un mismo grupo unido a carbonos diferentes, puede dar propiedades distintas.

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Bioquímica

La clasificación se establece de acuerdo con la cantidad de otros carbonos a los que se une un átomo; es decir que un carbono es primario cuando se une a otro carbono; secundario cuando se une a dos y así sucesivamente. Esto queda ejemplificado en el siguiente esquema:

Variedades alotrópicas del Carbono Las variedades alotrópicas de un elemento son las diferentes presentaciones que éste puede exhibir, conforme la diferente disposición de sus átomos. Por ejemplo, el oxígeno presenta una conformación estructural de dos átomos (O2); pero si esa conformación es de O3, estaremos en presencia de su variedad alotrópica llamado ozono.

O O=O O

Oxígeno Molecular

O

Ozono

Respecto del carbono son muy conocidas dos variantes alotrópicas: el Grafito, de color negro, conformación amorfa, consistencia pastosa y muy blanda (principal componente de la mina de lápices o usado como lubricante) y el Diamante, brillante, transparente, cristalino y de una dureza extrema18. En el siglo XX se demostraron dos nuevas presentaciones: los Fullerenos, algunos como el denominado Bucky ball, conformados por estructuras esféricas similares a una pelota de futbol, conteniendo 60 átomos de carbono, que permitirá desarrollar aplicaciones como rulemanes microscópicos y otras formas biotecnológicas y el grafeno, material de extraordinaria flexibilidad y de mayor dureza que la del acero. Es una estructura laminar semejante a un panal, pero de sólo un átomo de espesor. Ambos prometen extraordinarias posibilidades para la nanotecnología y otros empleos como la energía limpia y los equipos electrónicos de gran velocidad, resistencia y flexibilidad. Los grafenos en su presentación cilíndrica plegada, obturada en sus extremos por fullerenos, también son conocidos como nanotubos. Éstos resultan de gran utilidad para desarrollos biotecnológicos. En el 2004 se presentaron las Nanoespumas, como otra presentación alotrópica del carbono, en el cual los átomos de carbono forman un semiconductor de hexágonos y heptágonos pero de curvatura inversa a los fullerenos. Otra presentación particular que ofrece el carbono son los Carbinos o LAC (Por Carbono Acetilénico Lineal). Su estructura química es una cadena repetitiva de carbonos acetilénicos: -(C≡C)n- Las formas descriptas hasta aquí son las más captadas, pero existen otras presentaciones particulares en virtud de la gran versatilidad del átomo de carbono para comunicarse con otros carbonos. Esto se lo brinda una estructura electrónica privilegiada que es el poseer 4 electrones de valencia, lo que lo sitúa a mitad de camino sobre la regla del octeto (dar 4 electrones o recibir 4 electrones es una ventaja estructural importante) Existen otras variedades conocidas como el Diamante cúbico, la Caoíta o el Carbono metálico y otras no completamente aceptadas.

18

El diamante es la sustancia más dura conocida, estando catalogado como 10 en la escala de dureza de Mohr. La otra sustancia de extrema dureza conocida es el Nitruro de Boro ( N ; B ) por su entrecruzamiento de enlaces.

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Luis Simes

La superpresión reorganiza las interacciones entre átomos y el grafito se transforma en diamante sintético.

El pequeño Clark Kent se divierte aplicando super presión al carbón y produce una modificación alotrópica del carbono para obtener diamantes.

Enlace I.

químico

Enlaces Químicos interatómicos: Formación de moléculas

La formación de compuestos tiene su origen en el hecho de que los átomos aislados tienen mayor energía que los átomos combinados en compuestos estables. La forma de enlace adquiere distintas características, que a los efectos de este tratado, se clasifican principalmente en: a. Enlace iónico. b. Enlace covalente. Una forma de alcanzar esa mayor estabilidad es cuando completan su último nivel electrónico. Este fenómeno es conocido como regla del octeto, la que se logra al originarse interacciones que conducen a niveles orbitales externos completos. Desarrollaremos a continuación los principales enlaces interatómicos, también identificados como intramoleculares.

A. Enlace Iónico El enlace Iónico, también llamado Electrovalente, es un enlace que se concreta al transferirse electrones desde un átomo electropositivo (dador) hacia el más electronegativo (recepetor). El átomo que cede electrones, se transforma en positivo (catión) y el que recibe, en negativo (anión). Al originarse iones de cargas opuestas, se produce

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Bioquímica

inmediatamente una atracción electrostática que los une. Generalmente se produce entre elementos del grupo I o II con los del grupo V, VI o VII de la tabla periódica. Para conseguir la ionización o transferencia electrónica se requiere que la diferencia de electronegatividades (adimensionales y determinadas en la escala de Pauling) que se establece entre los elementos participantes del enlace sea mayor de 1,7. Por ejemplo, cuando se produce la interacción entre sodio (Electronegatividad 0,9) y flúor (Electronegatividad 4), se verifica una diferencia de electronegatividad igual a 3,1; en este caso se producirá un enlace electrovalente o iónico que llevará a la formación del Fluoruro de Sodio. El sodio (Na) tiene 8 electrones en su penúltimo nivel y un electrón en el último nivel y el Flúor tiene 7 en su último nivel. En consecuencia, si el sodio entrega su electrón ms externo, se transforma en catión (+1), y el flúor en anión (-1) . Así cumplen con la regla del octeto, es decir alcanzar el total de ocho electrones en sus respectivos últimos niveles. Esto permite disminuir su energía y establecer una atracción electrostática entre cargas opuestas que une a los elementos. Unión iónica o electrovalente. Cumple con -

Regla del octeto (8 electrones en el último nivel electrónico)

-

Disminución de la energía del sistema y

-

Establecemiento de una atracción electrostática entre iones de cargas opuestas que se originan en la transferencia electrónica desde el átomo mas electropositivo al mas electronegativo.

Estos son enlaces propios de los compuestos salinos o inorgánicos, solubles en agua y que forman generalmente retículos cristalinos. Son altamente estables.

B . Enlace Covalente El enlace covalente se produce cuando los elementos comparten uno o más electrones, con el fin de alcanzar cada uno de ellos el número de ocho electrones en el último nivel19. Mientras que en el enlace electrovalente o iónico, se produce con ese objetivo la transferencia de electrones, en los enlaces covalentes, los electrones se comparten entre ambos átomos, para lograr el mismo fin, pero por mecanismos diferentes. Enlace electrovalente: Transferencia de electrones Enlace covalente: Electrones compartidos Ya vimos que el carbono, en razón de su particular estructura electrónica, podía generar enlaces simples, dobles y triples. Esto se basa en las diferentes hibridaciones que pueden realizar sus electrones de enlace, como ya fuera descripto. Hibridización sp3 : 4 orbitales iguales sp3 Hibridización sp2 : 3 orbitales sp2 y un orbital p Hibridización sp : 2 orbitales sp y 2 orbitales p Cuando estos elementos comparten electrones para formar un doblete electrónico con otros átomos, a los efectos de completar sus orbitales de valencia, se conforman enlaces de tipo covalente. 19

Completar su nivel. En el caso del H, su nivel se completa con dos electrones (He).

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Luis Simes

Cuando ese doblete de electrones, que forma el enlace está constituido por un electrón proveniente de cada átomo, decimos que se trata de un enlace covalente puro. Si en cambio, cuando por requerimientos electrónicos estructurales, el doblete que se establece para conformar el enlace, es formado por electrones aportados por uno sólo de los átomos involucrados, estaremos en presencia de un enlace covalente dativo. Uno será átomo dador y el otro, receptor. Los enlaces covalentes, tanto puros como dativos, pueden ser apolares o polares. Cuando el enlace se establece sobre dos grupos iguales, sin diferencia de electronegatividades entre esos núcleos, el enlace será apolar. Si ese enlace se produce entre átomos diferentes, la diferencia de electronegatividades hará que el par electrónico del enlace se ubique más cerca del átomo electronegativo y en consecuencia la molécula resultante mostrará un desplazamiento de sus cargas. Estas moléculas se denominan polares y tienen fundamental importancia en las reacciones químicas, propiedades estructurales y funcionales. La estabilidad y fuerza del enlace covalente está determinada por la disminución de energía potencial que experimentan los electrones, cuando se encuentran bajo la acción de dos núcleos. En la fortaleza del enlace se tienen en cuenta entonces, a. Cuanto mayor sea la disminución energética producida, mayor será la estabilidad del enlace y b. Cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividades de los átomos enlazados, mayor será la polaridad de la molécula.

II.

Enlaces Químicos intermoleculares

Así como la unión de diferentes átomos determina la formación de moléculas, se da también el caso de que las moléculas ya formadas, interaccionan con otras moléculas que las rodean a través de fuerzas de atracción o de repulsión. Estas interacciones son definidas genéricamente como fuerzas intermoleculares. Estas fuerzas propician la existencia de líquidos y sólidos al generar la atracción entre partículas para configurar la estructura interna particular de cada estado físico. La conformación de sustancias bajo las características de fluidos, requiere de la existencia de interacciones que relacionen a las moléculas entre sí, ya sea desde la perspectiva de acciones tanto repulsivas como atractivas. Afirmamos que los sólidos requieren desde el punto de vista lógico, fuerzas atractivas superiores a las repulsivas y que el esquema inverso se verifica en los gases. Obviamente los líquidos se sitúan a mitad de camino entre estas dos formas. A partir de esa realidad, se comienzan a definir cuáles son las fuerzas que atraen a las moléculas entre sí, para darle sus características de fluido. El conocido fenómeno del agua demuestra como una sustancia de la que se esperaría un punto de ebullición de ~25° C, hierve a 100° C. Reconocemos las siguientes interacciones20: a. Ion- Dipolo b. Fuerzas de Van der Waals : Dipolo – Dipolo (inducido o permanente) i. Dipolo – Dipolo Permanente : Puente de Hidrógeno ii. Dipolo – Dipolo Inducido c. Fuerzas de Dispersión de London: Dipolo inducido – dipolo inducido a. Fuerzas Ion – Dipolo21 Estas fuerzas se establecen entre iones y moléculas dipolares. Tienen importancia en la disolución de electrolitos en agua. Como las moléculas dipolares tienen extremos con densidad de carga positiva y negativa, se 20 21

No existe entre diferentes investigadores un criterio único de clasificación para estas interacciones, por lo cual la aquí presentada es una de entre otras posibles. O fuerzas de Keesom que son las que involucran acción electrostática

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Bioquímica

ordenarán frente a los iones de manera tal que se produzca una atracción electrostática entre opuestos. Los extremos negativos de los dipolos se orientan hacia los cationes y los extremos dipolos positivos hacia los aniones. Estas interacciones contribuyen a aumentar las fuerzas cohesivas en la solución. fuerzas de Van der Waals: Dipolo- Dipolo Permanente22 Este tipo de interacción se produce cuando en el sistema existen moléculas polares. Esto hace que se genere una interacción entre el extremo de densidad positiva de una molécula, con el extremo de densidad eléctrica negativa de otra. Se da en compuestos que no tienen átomos muy electronegativos, como por ejemplo en el sulfuro de hidrógeno (SH2); Estas fuerzas son cien veces menores (1 Kcal/mol.) que un enlace covalente típico. Enlace Puente Hidrógeno Este es un caso especial de interacción dipolo-dipolo, pero de mayor intensidad. Se produce cuando las moléculas presentes contienen hidrógeno unido a un átomo electronegativo, como Oxígeno, Flúor o Nitrógeno; se establece entre esta estructura y otro átomo electronegativo una atracción entre dipolos opuestos que eleva la cohesión molecular de la sustancia. Es decir que el átomo de hidrógeno (δ + ) tiende un puente entre dos átomos electronegativos (δ −) . En el caso del agua, los hidrógenos de su molécula presentan una distribución de carga de densidad positiva, mientras que sobre el oxígeno se encuentra el extremo con densidad eléctrica negativa. De esta forma, en el agua se conforman redes en donde los oxígenos se orientan hacia los hidrógenos de moléculas vecinas y viceversa. Esta atracción intermolecular incremente fuertemente la atracción y ocasiona que el punto de ebullición del agua sea mucho más elevado que el que cabría esperar de no producirse este tipo de interacción. Su intensidad es de aproximadamente el 10% de un enlace covalente, por lo que estas resultan al menos 5 veces más intensas q las otras interacciones intermoleculares. Los compuestos que presentan interacciones de este tipo poseen puntos de ebullición más elevados que aquellos compuestos estructuralmente semejantes que son apolares (ej: propano y propanona). El enlace por puente hidrógeno resulta fundamentales para mantener al agua en estado líquido a temperatura ambiente y muy importante en la determinación de las conformaciones estructurales de proteínas, ácidos nucleicos y en las propiedades de alcoholes y glúcidos por ejemplo. Compuesto

Estado físico en condiciones ambientales

Puente H

PH3

-

87,7 °C

Gas

No

HCl

-

84,2 °C

Gas

No

H2 S

Punto de Ebullición

Gas

No

HF

+

-

19,5 °C

Líquido

Si

H2 O

+

100° C

Líquido

Si

59,6 °C

Interacción dipolo, dipolo transitorio: Esta tipología se observa en sistemas en los que coexisten una molécula polar con otra molécula inicialmente no polar. Al acercarse una molécula no polar a una polar, ésta le induce carga, y genera en la otra una polaridad de corta duración, llamada dipolo transitorio. En este caso, se reorientan las moléculas de manera tal que los extremos con densidad positiva (δ +), se enfrenten a los extremos con densidad negativa (δ −). Estas distorsiones de las nubes electrónicas, generan las asimetrías que posibilitan las interacciones referidas de muy corta duración, pero de alta repetición. c. Interacciones de Dispersión. Fuerzas de London, Son las únicas fuerzas de atracción que se observan en moléculas no polares. Son de muy corto alcance y se producen por la avidez del núcleo de un átomo por la nube electrónica de otro átomo. Esta acción genera dipolos transitorios que actúan entre átomos y moléculas diferentes. La capacidad de polarización se incrementa con el tamaño de las nubes electrónicas, por lo cual estas fuerzas tienen mayor preponderancia cuando más

22

Las interacciones llamadas de Van der Waals son consideradas en conjunto como las fuerzas atractivas o repulsivas intermoleculares por el Gold Book o IUPAC.

47

Luis Simes

grande es el radio atómico, es decir mayor tamaño de su nube electrónica o mayor número de electrones. Si bien algunos autores mencionan a las fuerzas hidrofóbicas lipídicas como un caso particular, e realidad se pueden encuadrar dentro de las fuerzas de dispersión. Cualquier molécula no polar (enlace covalente por ejemplo entre dos átomos iguales), tendrá su doblete enlazante equidistante de los respectivos núcleos. Sin embargo, el movimiento de los electrones genera asimetrías instantáneas que se ven reflejadas en interacciones producto del desplazamiento de las cargas. Estas fuerzas son causantes de que el bromo tenga un comportamiento líquido a temperatura ambiente en lugar de gaseoso. Las formas moleculares, los compactamientos y los alineamientos de partículas también tienen efectos sobre las interacciones de London. Estas fuerzas de dispersión también son débiles (0,5 a 2,5 Kcal/mol) y tienden a incrementarse con el PM y el aumento del número de electrones. Interacción

Intensidad

Se observa en moléculas

Puente Hidrógeno

2 a 10 kcal/mol

Con F –H ; N- H ; O-H

Dipolo – dipolo

1 kcal/mol

Sólo Polares

Fuerzas de London

0,5 a 2,5 kcal/mol

Todas

48

Bioquímica

Funciones

2 de la química orgánica

Compuestos Binarios Hasta aquí hemos descripto las particularidades referidas al principal elemento de las estructuras biológicas: el átomo de carbono. A partir de ahora describiremos las sustancias formadas por carbono e hidrógeno, las que se agrupan bajo la clasificación de compuestos binarios. En razón de ello reciben el nombre genérico de HIDROCARBUROS23. Los hidrocarburos, componentes prevalentes del petróleo, pueden ser clasificados en: A) Alifáticos: constituyen cadenas. Estos se pueden dividir en a. saturados, cuando los enlaces entre cadenas son simples, b. Insaturados cuando poseen dobles o triples enlaces B) Cíclicos: Sus estructuras centrales están formadas por ciclos cerrados. Estos se clasifican a su vez en: a. Isocíclicos: Cuando los ciclos poseen solamente carbonos en sus vértices. Pueden ser

• Ciclo Alcanos, cuando son de cadena simple • Ciclo Alquenos si poseen doble enlace, o • Aromáticos, como es el caso del benceno que posee tres dobles enlaces deslocalizados

Función Hidrocarburo Son compuestos binarios, ya que están formados solamente por dos elementos: Carbono e Hidrógeno. En este grupo encontramos a los alcanos que son hidrocarburos con la máxima cantidad de hidrógeno que pueden admitir (se saturan con hidrógeno). Los enlaces carbono-carbono son no polares, lo cual es determinante para las propiedades de los compuestos que conforma. Las interacciones intermoleculares están regidas en este caso, principalmente, por fuerzas de London. Los alcanos son también denominados parafinas, (del griego, = poca afinidad) porque son poco reactivos. Las fórmulas en el espacio tienen el formato que les determinan la orientación de los cuatro enlaces iguales de cada átomo de Carbono: ángulos de 109° 28’.

23 Hidro por hidrógeno y no por agua , tal como se emplea comúnmente.

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Luis Simes

Foto O.Breglia Como la verdadera distribución resulta difícil de graficar, en general las fórmulas son dibujadas en un plano. A continuación, la misma molécula, el butano

gb

Un formato aún más simplificado consiste en expresar la fórmula molecular, agrupando cada carbono con sus hidrógenos. Vemos a continuación el mismo compuesto, pero bajo esta consigna: CH3 – CH2 – CH2 –CH3 La fórmula molecular del butano es: C4H10 donde se indica la cantidad de cada elemento en la fórmula. La máxima simplificación es la fórmula mínima que indica la relación existente entre los diferentes átomos; en éste caso, es C2 H5 , que no es representativa de la realidad estructural , sino que sólo expresa la mínima relación existente entre los átomos de los elementos integrativos. En los alcanos por cada átomo de carbono presente existe el doble de átomos de hidrógeno más dos. La fórmula general de los alcanos es Cn H2n+2 Reglas de Nomenclatura IUPAC La denominación de los compuestos orgánicos se encuentra sistematizada por las Reglas de la IUPAC24. Esencialmente los nombres de los compuestos orgánicos constan de dos partes. La parte inicial o prefijo indica la cantidad 24

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (International Union of Pure and Applied Chemistry),

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Bioquímica

de carbonos que posee la fórmula, y al final del nombre (un sufijo) que explicita de qué tipo de función química se trata. Los prefijos que indican la cantidad de átomos de Carbono se basan en nombres griegos: 1 C : Met- ; 2C : Et- ; 3C: Prop_- ; 4 C: But- ; 5 C: Pent- ; 6 C: Hex- ; 7 C: Hept- ; 8 C: Oct- ; 9 C: Non- ; 10 C: DecLos sufijos para los hidrocarburos son: Alcanos: Ano ;

Alquenos : Eno ;

Alquinos: Ino ; Radicales: Ilo

Cuando se trate de fórmulas cíclicas, al nombre se le antepondrá el prefijo: Ciclo Ejemplos: Alcano de 4 carbonos: Butano Alqueno de 5 carbonos con doble enlace en C 2: 2- Penteno Alquino con 6 carbonos y triple enlace en 3: 3- Hexino Radical de 3 carbonos: Prop ilo Ciclo alcano de 3 C: ciclopropano Ciclo alqueno de 4 C: ciclobuteno Nota: Cuando resulta necesario indicar la posición de algún grupo, como el doble o el triple enlace, se emplea un número para localizar la misma, contando desde el extremo que genere el menor número: 2- Penteno es correcto, pero si contamos desde el otro extremo será 4-Penteno. El segundo es incorrecto por que origina un número mayor. C1H3-C2H=C3H-C4H2-C5H3 2- penteno ( correcto)

C5H3-C4H=C3H-C2H2-C1H3 3- penteno ( incorrecto)

Nótese que se trata del mismo compuesto y que la única diferencia es desde cual extremo se comenzó el recuento. Hay al menos dos cuestiones muy importantes a tener en cuenta:

a) Largo de la cadena: para nombrar al compuesto, cuando una cadena es ramificada, se debe elegir la cadena más larga para asignar el nombre.

Ejemplo incorrecto Visto con esta distribución, el compuesto de arriba parecería ser una cadena de pentano (en gris), que en el carbono dos tiene un radical etilo (circulado), por lo que lo denominaríamos 2-etil Pentano (un etilo en carbono 2 de una cadena de cinco carbonos).

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Luis Simes

Pero, si miramos con atención, se observa que existe una cadena de seis carbonos (en gris) y un metilo (circulado) en carbono 3 de la cadena, por lo que el nombre correcto es: 3 metil hexano. Obsérvese que se trata de un mismo compuesto, de fórmula C7 H16

Ejemplo correcto

Alcanos

b) Numeración de los sustituyentes: Para numerar los sustituyentes, como vimos en el ejemplo correcto ubicamos un grupo etilo en carbono 3. Pero si hubiéramos contado desde la derecha, sería 4- etil hexano, y esa denominación es incorrecta ya que se debe tratar de que los números de los carbonos sustituidos sea el más bajo.

Los alcanos constituyen lo que se denomina una serie homóloga. Cada uno de los compuestos de la serie, se diferencia del anterior y del posterior en un mismo grupo (-CH2 – en el caso de los alcanos). Esta homología se manifiesta en propiedades que van variando paulatinamente. Los primeros cuatro alcanos son gaseosos, los siguientes son líquidos hasta el 15; el 16 (hexadecano) ya es un sólido. También se observa que los puntos de fusión y de ebullición como así también la densidad se incrementan a medida que aumenta el peso molecular en la serie. Son menos densos que el agua y no se disuelven en ella.

Ciclo Alcanos Son hidrocarburos cuya estructura central es un ciclo, es decir que son alcanos, que cierran su cadena abierta, para formar un ciclo. Cada carbono ocupa un vértice, a los cuales se unen dos hidrógenos por cada uno. Para ello debieron perder dos hidrógenos, uno de cada extremo, para poder enlazar sus valencias libres entre sí. Llevan el mismo nombre que el alcano correspondiente, pero anteponiendo la palabra ciclo. El primer cicloalcano de la serie es el ciclo propano, compuesto de tres carbonos, que adquiere forma triangular. El segundo, el ciclo butano es un cuadrado, el tercero el ciclo pentano adquiere la forma de un pentágono y el ciclo hexano se asimila a un hexágono. Los ciclo alcanos son compuestos más reactivos que los alcanos correspondientes, ya que son más inestables por su tendencia a abrir el ciclo. También presentan mayor punto de fusión, mayor punto de ebullición y mayor densidad que el alcano homólogo correspondiente. Si recordamos que el ángulo de enlace normal del carbono es de 109°, veamos cómo se desvía de ese valor de acuerdo con la figura que adquiera el ciclo; al tener que conformar un triángulo en el ciclo propano, sus ángulos deberán ser de 60°, en el ciclobutano (cuadrado) será de 90°, en el ciclopentano de 108°, y en el ciclohexano de 120°. Cuanto mayor sea la diferencia entre los ángulos de los compuestos, y 109°, ángulo normal de enlace simple, mayor será la tensión e inestabilidad de esos compuestos (tendencia a romperse). Por esto, en el ciclo propano y en el ciclo butano, las tensiones son grandes por lo que cuando reaccionan tienden a romper el ciclo, dando compuestos de adición. (Por ejemplo adicionan un halógeno, como bromo y abren su cadena para originar halogenuros [bromuro] de alquilo. Teoría de las tensiones de Baeyer Cuanto mayor sea la desviación de los ángulos respecto de 109°, más inestable y en consecuencia más reactivo será el compuesto. 52

Bioquímica

En razón de ello, el ciclopropano y el ciclobuntano reaccionan con ruptura del ciclo. En cambio el ciclo pentano, que posee ángulos muy similares a 109°, origina compuestos sin romper su ciclo, por lo que origina compuestos de sustitución (reemplaza hidrógenos por otros grupos químicos). El ciclo hexano con ángulos de 120°, debería ser más inestable que el ciclopentano, pero no lo es. Parecía muy difícil en base a las tensiones que existieran compuestos cíclicos de 7, 8 o más carbonos. Sin embargo, se conocen ciclos de 32 átomos. Esto puedo ser explicado por la teoría de Sachse. Teoría de Sachse y Mohr Los ciclos de 6 o más átomos de carbono muestran algunos átomos fuera del plano, lo cual modifica los ángulos y alivia las tensiones, justificando la existencia de esos cicloalcanos de número superior.

Mientras el ciclopentano sigue muy bien el plano, el ciclohexano se deforma para aliviar tensiones y presenta carbonos fuera del plano (Teoría de Sachse y Mohr), en conformaciones silla y bote. La conformación silla es más estable que la bote, ya que en esta última los carbonos 3 y 6 pueden tener impedimentos estéricos, sobre todo en los compuestos sustituidos. La forma bote giro (twist) es una forma girada que aleja los referidos carbonos. Existe otra forma intermedia que es la media silla.

tomado de ucv.cl

Los cicloalcanos y sus derivados son aislados principalmente del petróleo, más específicamente de la fracción nafta, por lo que se los engloba como naftenos. El ciclopropano es un potente anestésico, y ciertos derivados de cicloalcanos presentes en ciertos vegetales (agrupados como terpenos) los caracterizan por color, aroma y propiedades. (Pineno en el pino, jazmona en el jazmín, piperitona en la menta, etc.)

Heterociclos Los ciclos que se han considerado hasta aquí, están conformados exclusivamente por carbonos. Pero existe una enorme serie de ciclos que además de carbono poseen otros átomos como nitrógeno, oxígeno o azufre. A éste tipo de estructuras que dan base a innumerables sustancias de trascendencia, se los denomina heterociclos. A continuación se muestran ejemplos, los que serán tratados en los casos particulares en los que intervengan en sustancias que se estudian en la materia.

Furano

Pirrol

Imidazol

Pirazol

Pirano

Piridina

Pirazina

Pirimidina

53

Luis Simes

Radicales Se denominan radicales a aquellas estructuras químicas que poseen una o más valencias de enlace libres. Son átomos o moléculas muy reactivas, por cuanto todo electrón de enlace tiene avidez por combinarse con otras estructuras y así bajar su alta energía de excitación, formando nuevas moléculas. Los radicales de hidrocarburos (de alcanos, alquenos, cicloalcanos, bencénicos por ejemplo) se originan cuando sus moléculas homólogas pierden hidrógeno, originando radicales, en general, con una valencia libre. Los radicales originados en alcanos se llaman alquilos y los de los cicloalcanos cicloalquilos respectivamente. Al transformarse en radicales, se cambia el sufijo ano de los alcanos por ilo. La fórmula general de los radicales es Cn H2n+1 Los radicales de los alcanos se denominan alquilos (Metilo, propilo, pentilo, fenilo, bencilo).

Alquenos

Se denomina alqueno a todas las estructuras que formadas por Carbono e Hidrógeno, presenten al menos una doble ligadura entre dos carbonos consecutivos. La presencia de uno o más dobles enlaces en una estructura hidrocarbonada, modifica las propiedades respecto de su homólogo respectivo. Los alquenos también constituyen una serie homóloga, de manera tal que se verifican modificaciones paulatinas de sus propiedades, conforme se modifica el número de carbonos. En la serie de alquenos, el primero es el eteno, ya que no puede haber alquenos con un solo carbono. El propeno y el buteno son gaseosos y hasta el decaocteno (18C) son líquidos. Tienen mayor densidad que los alcanos correspondientes, y menores puntos de fusión y ebullición. Son insolubles en agua y solubles en alcohol y en éter. Los alquenos tienen una propiedad muy importante: su capacidad de polimerización. Los polímeros son grandes moléculas conformadas por unidades repetitivas unidas, que se denominan monómeros. Los polímeros se encuentran en sustancias biológicas (como el almidón, el glucógeno), o en moléculas sintéticas de variados usos como los plásticos, el teflón, el polietileno, poliestireno y el plexiglás, entre una gran cantidad de ejemplos. Por otra parte la presencia de un segundo enlace entre carbonos, ocasiona que: a. El enlace resulte más corto. Mientras el enlace entre carbonos con enlace simple es de 1,54 °A, en el doble enlace será de 1,34 °A b. También tienen mayor energía de enlace. Mientras la energía del enlace simple es de 83 Kcal/ mol, la del enlace doble es 1,46 °A. c. En el enlace doble, uno de ellos es de tipo sigma (s), por superposición de orbitales híbridos sp2, bastante estable. El segundo enlace, (pi) se forma por los orbitales p, perpendiculares al plano de la molécula y son más inestables, lo que les aporta mayor reactividad que la de los respectivos alcanos. d. Los carbonos unidos por enlace tienen su rotación restringida, cosa que no ocurre en el enlace simple. Esto genera mayor rigidez a la estructura y la posibilidad de originar isómeros geométricos. Los alquenos adquieren gran importancia en la conformación de polímeros que han modificado la industria y las condiciones de vida a través de la síntesis de numerosas sustancias como los plásticos, cauchos, teflón, polietilenos, poliestirenos, etc. La fórmula general de los alquenos es Cn H2n 54

Bioquímica

Alquinos Los alquinos son hidrocarburos que poseen al menos un triple enlace entre dos carbonos contiguos. Ese triple enlace está formado por un enlace sigma (s) y dos enlaces pi, perpendiculares al plano y entre sí. También constituyen una serie homóloga de propiedades paulatinamente cambiantes. Sus nombres utilizan el sufijo INO. El primer alquino es el Etino (o acetileno). Cuando resulta necesario indicar la posición del triple enlace por existir alternativas para su ubicación, se coloca un número antecediendo al nombre (Por ejemplo, 1-Butino o 2- Butino) Estos compuestos menos densos que el agua, son más densos que los alquenos respectivos, y resultan solubles en solventes orgánicos e insolubles en solventes acuosos. La existencia de triple enlace confiere una serie de propiedades particulares a este grupo de moléculas. a. Éstos son más inestables que los enlaces simples lo que le confiere mayor reactividad a estos compuestos. b. El enlace triple resulta más corto (1,20 A) y de mayor energía (200 Kcal/mol) que los dobles y simples enlaces. La fórmula general de los alquinos es Cn H2n-2 Compararemos en la siguiente tabla, las propiedades de un representante de cada grupo de los hidrocarburos PENTANO

CICLOPENTANO

1-PENTENO

1-PENTINO

C5H12

C5H10

C5H10

C5H8

Est. agregación

líquido

líquido

líquido

líquido

Densidad (g/ml)

0,63

1,88

0,641

0,70

Pto. Fusión ( C)

-131

- 49

-165

-95

Pto.Ebullición ( C)

36,2

49

30,1

40

o

o

Hidrocarburos bencénicos Durante mucho tiempo, a ciertos compuestos provenientes de árboles, flores y otras fuentes naturales se los agrupó bajo el nombre de compuestos aromáticos, en razón de presentar diferente variedad de fragancias. Pero esta gran diversidad se correspondía con un alto número de diferentes estructuras químicas. Por eso en la actualidad se prefiere agrupar a las sustancias que poseen uno o más núcleos bencénicos bajo el nombre de hidrocarburos bencénicos, ya que el compuesto original de la serie es el Benceno. El benceno es una estructura cíclica de fórmula C6H6. Costó muchos años de trabajo poder determinar su estructura molecular, ya que la fórmula mínima establecida era CH, y esta proporcionalidad era casi imposible de explicar para átomos de carbono de valencia 4 enlazados a hidrógenos de valencia 1. Fue Kekulé quien estableció que el benceno estaba constituido por 6 carbonos enlazados en un ciclo hexagonal y con un hidrógeno en cada carbono. Para cumplimentar con las exigencias de la valencia, explicó que existían tres doble enlaces alternados. Pero como el benceno no presenta dos compuestos alternativos derivados, esos dobles enlaces no podían estar fijos. Aplicando la teoría de la resonancia de Heisenberg (fenómeno por el cual entre los dobles enlaces alternados se produce un desplazamiento de pares electrónicos generando un efecto estabilizador), se pudo explicar que los tres dobles enlaces del benceno están constantemente “resonando”, es decir, cambiando de lugar.

55

Luis Simes

Ello lleva a que la mayoría de las veces el benceno es representado como un hexágono que muestra sus seis carbonos con hidrógeno, mientras un círculo simboliza a sus tres doble enlaces alternantes.

En este texto utilizaremos preferencialmente

la forma de doble enlace.

En síntesis, el anillo bencénico es una estructura muy estable, producto de los efectos de resonancia por el cual los electrones de los dobles enlaces, están en constante cambio de posición. El Benceno, puede originar compuestos de

i.

Sustitución, como en el clorobenceno, donde un átomo de éste halógeno reemplaza a un hidrógeno. C6H6  C6H5Cl

ii. Adición: Se agregan dos átomos por cada doble enlace que se transforma en simple, como en el ciclohexano. C6H6  C6H12

El Benceno puede fusionarse con otras moléculas iguales, generando moléculas policíclicas como

56

Bioquímica

FUNCIONES OXIGENADAS SIMPLES Hasta aquí hemos descripto funciones químicas binarias, formadas sólo por átomos de carbono e hidrógeno: hidro-carburos [C; H]. Cuando se oxidan se obtienen sustancias ternarias que contienen C; H y O. En este grupo encuadraremos a los alcoholes, aldehídos, cetonas y ácidos. a. ALCOHOLES



Los Alcoholes conforman un grupo de sustancias caracterizadas por la presencia del grupo funcional oxhidrilo. Se clasifican en primarios, secundarios o terciarios, según el tipo carbono sobre el cual se ubique el grupo funcional.

Alcohol primario :

- CH2 OH

;

Alcohol secundario :

- CH OH

;

Alcohol terciario

- CH OH

;

:

Nomenclatura: los alcoholes se denominan igual que los alcanos correspondientes, pero cambiando el sufijo ano por OL. La presencia de oxhidrilo les confiere a los alcoholes propiedades polares e hidrosolubilidad. En razón de que a diferencia de los alcanos los alcoholes establecen enlaces de puente hidrógeno entre sus moléculas, tienen temperaturas de ebullición más elevadas que sus alcanos correspondientes. A medida que aumenta el número de carbonos la proporción de OH- respecto del resto de la molécula disminuye y en consecuencia la serie va adquiriendo propiedades no polares. Prevalece en estos casos la proporción de largas cadenas no polares frente a un sólo oxhidrilo. Por ello, los doce primeros alcoholes son líquidos. Si se aumenta la cantidad de oxhidrilos las propiedades polares aumentan. Los alcoholes en los cuales se equilibran las propiedades polares y no polares no disuelven ni compuestos hidrosolubles (por estar rodeado de varios carbonos no polares), ni hidrofóbicos, ya que estos son repelidos por los oxhidrilos. Cuando el alcohol posee dos oxhidrilos se denominan genéricamente glicoles (por ejemplo, etano DI ol o glicol). Metanol. Es el primer alcohol de la serie:

CH3 OH

57

Luis Simes

Es un alcohol soluble en agua, sumamente tóxico por ingestión o por inhalación, capaz de atacar el parénquima hepático o el nervio óptico produciendo hepatitis o ceguera. En altas dosis (200 ml) es capaz de provocar la muerte. Etanol El más popular de los alcoholes, denominado alcohol fino o puro, antiguamente llamado alcohol etílico. CH3 CH2 OH Presente en las bebidas alcohólicas como vino, cerveza y otras bebidas fermentadas, es translúcido, incoloro, volátil, y posee un olor característico. Cuando la concentración alcohólica en las bebidas es mayor del 15%, fue concentrado por algún método de destilación del fermentado. El alcohol de quemar, también llamado desnaturalizado, se logra por el agregado de sustancias desagradables al paladar (alcohol metílico, derivados de hidrocarburos, alcanfor), a los efectos de disuadir su utilización como bebida. El etanol tiene gran tendencia a absorber agua, por lo cual el alcohol denominado puro tiene un 95% de pureza, siendo el 5% restante de agua, constituyendo una mezcla azeotrópica.25El etanol al 100%, es denominado alcohol absoluto. Se debe tener bien sellado, a efectos de evitar la absorción de agua ambiental. El etanol es producido en los procesos de fermentación alcohólica por levaduras que actúan sobre almidón u otros azúcares, así: En algunos países, el etanol se utiliza mezclado con nafta para producir alconafta, la cual produce menos polución atmosférica. No debe confundirse con el biodiesel, que es un producido proveniente de lípidos vegetales y animales para ser agregado a los combustibles. Los alcoholes superiores (más de 20 at. de carbono) se esterifican para formar ceras. Etilenglicol: es el etanodiol, (CH2 OH - CH2 OH); se utiliza como refrigerante y en la síntesis de polímeros. En mamíferos es un depresor del sistema nervioso central, y a altas dosis (aproximadamente 100 ml.) puede resultar mortal. Glicerol: Es un tri alcohol, (propano tri ol), también llamado glicerina, de sabor dulzón, que no es tóxico. Constituye lípidos como los glicéridos y fosfolípidos. (CH2 OH - CH OH - CH2 OH); Polioles: Cuando las cadenas poseen mayor longitud podrán tener más oxhidrilos unidos. Así podemos mencionar al butano tetra- ol (eritrol), Pentano penta ol (ribitol) y hexano hexol (Glucitol, manitol y galcatol) de importancia en relación al grupo químico de los glúcidos. Alcohol bencílico: Derivado del Tolueno (metil-benceno) se encuentra en aceites esenciales, en ciertas flores y se utilizó como anestésico y aromatizante. Se obtiene reemplazando en el benceno un hidrógeno por un grupo alcohol primario ( - CH2 OH).

Fenol: Se denomina fenol a la molécula de benceno que posee un oxhidrilo. Es un sólido blanco, cristalino, irritante y cáustico. Se utiliza como antiséptico y conforma polímeros como la baquelita. 25

Mezclas de compuestos que poseen punto de ebullición constante.

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Bioquímica

Cresoles: alcoholes derivados del tolueno (metil-benceno), con gran poder antiséptico. Catecol: es el o-dihidroxibenceno, que resulta de interés al formar parte de las catecolaminas, de importancia como neurotransmisores (adrenalina, noradrenalina, dopamina). Su isómero para es la hidroquinona, utilizado en revelado fotográfico y en farmacología como despigmentador cutáneo.

Para y orto hidroxi fenol Aldehídos y Cetonas Como ya se expresara, los aldehídos corresponden a aquella función química que posee un grupo carbonilo, (-H C = O) en un carbono primario. Los aldehídos se denominan como el alcano correspondiente, colocando el sufijo AL: metanal, etanal, etc. Sus nombres comunes son formaldehido y acetaldehído respectivamente. El formaldehido es el componente diluido del formol. Si el grupo carbonilo se encuentra sobre un benceno, estamos en presencia del benzaldehído.

Las cetonas poseen igualmente el grupo carbonilo, pero sobre un carbono secundario. Se denominan como el alcano correspondiente, pero con la terminación ONA: propanona, butanona, etc.

59

Luis Simes

El grupo carbonilo dota a estos compuestos de propiedades polares. Ello obedece que el O es electronegativo y genera una polaridad en el grupo, donde la densidad de carga negativa se ubica sobre el oxígeno y la densidad eléctrica positiva sobre Carbono: δ+

C = O δ-

La propanona es la comúnmente denominada acetona. Los aldehídos y cetonas forman parte de compuestos que determinan el aroma particular de muchas plantas y flores. Juegan un rol fundamental en la composición de los glúcidos, al conformar aldosas y hexosas. Cuando reaccionan con los grupos oxhidrilo, establecen los enlaces hemiacetálicos, identificado por un puente oxígeno, presentes en los glúcidos cíclicos, como ciclos furano o pirano.

Quinonas: las quinonas (compuestos cíclicos di ona), como la benzoquinona, naftoquinonas, constituyen un grupo de interés biológico ya que cumplen funciones en vegetales, hongos y mamíferos. Conforman la estructura de la vitamina K, se encuentra en la alfalfa, y como colorante rojo en la alizarina, o marrón en la fumigatina del hongo aspergillus. ACIDOS La función ácida (carboxílica) es primaria, y se caracteriza estructuralmente por poseer uno o varios grupos carboxilos, para formar mono o poliácidos.

OH C=O Los ácidos se obtienen por la oxidación fuerte de un alcohol primario, o por la oxidación suave de un aldehído. Se nombran como el alcano correspondiente con la terminación OICO. En algunos casos se mantiene el uso del nombre tradicional, (ácido acético) aunque esos nombres tienden a ser reemplazados por sus equivalentes IUPAC (etanoico). El grupo carboxilo, al igual que el grupo carbonilo, es un grupo polar, con la densidad de carga positiva cercana al carbono y la densidad negativa alrededor del oxígeno: La propiedad principal es su carácter ácido que le permite establecer interacciones con grupos afines y participar en reacciones de equilibrio ácido-base. Cuando los ácidos carboxílicos u orgánicos poseen más de 10 carbonos se los denomina ácidos grasos, por su importante participación en la composición de ciertos lípidos, como los acil glicéridos y los fosfolípidos. Los de mayor presencia en estos sistemas, son los ácidos grasos con un número par de átomos de carbono. Ello se debe a que en los procesos biológicos son originados por síntesis a partir de dos ácidos menores iguales, lo que concluye en la conformación de moléculas ácidas que por duplicación dará un número par de átomos de carbono.

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Bioquímica

Los ácidos carboxílicos pueden ser saturados o insaturados según posean ligaduras simples o ligaduras dobles respectivamente. Cuando se trate el tema de lípidos resaltaremos las características e impacto biológico y fisiopatológico de cada uno de ellos. Los ácidos que poseen dos grupos carboxílicos son denominados DICARBOXILICOS, como lo son el ácido oxálico o el ácido malónico. Por su participación en ciclos metabólicos, son importantes los ácidos TRIcarboxílicos. Dentro de los ácidos aromáticos podemos mencionar al ácido Benzoico,

y al ácido m- venzo di oico* :

*El segundo Carboxilo se ha simplificado.

El Ácido salicílico extraído del sauce tiene propiedades antipiréticas y antiinflamatorias. Su acetilación origina Ácido Acetil-Salicílico (aspirina). Dentro de los ácidos con funciones mixtas mencionamos por su importancia al ácido glicólico (etano di-oico), al láctico (propanol-oico) al pirúvico (propanona oico) y al salicílico (o-hidroxibenzoico). Se detallan en la siguiente tabla los principales ácidos orgánicos con sus nombres vulgares: NC

Fórmula

Nombre IUPAC

Nombre Vulgar

Ácido

Ácido

1

H – COOH

Metanoico

Fórmico

2

CH3 – COOH

Etanoico

Acético

3

CH3 – CH2 - COOH

Propanoico

Propiónico

4

CH3 – CH2 – CH2 -COOH

Butanoico

Butírico

5

CH3 – CH2 - CH2 - CH2 - COOH

Pentanoico

Valérico

16

CH3 – (CH2) 14 - COOH

Hexadecanoico

Palmítico

18

CH3 – (CH2) 16 - COOH

OctadecAnoico

Esteárico

18

CH3 – (CH2) 7 CH=CH - (CH2) 7 COOH

8- OctadecEnoico

Oleico

20

CH3 – (CH2) 3 ( CH2 CH=CH) 4 - (CH2) 3 -COOH

5,8,11,14- Eicosatetraenoico

Araquidónico

2

COOH COOH

Etano DI oico

Oxálico

3

COOH (CH2) COOH

Propano Di oico

Malónico

4

COOH (CH2)2 COOH

Butano Di oico

Succínico

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Luis Simes

Ciertos derivados de ácidos tienen importancia metabólica. Por ejemplo, en el Ciclo de Krebs, proceso aeróbico del metabolismo en las mitocondrias, es también llamado de los ácidos tricarboxílicos.

En este ciclo, juega un rol muy importante el ácido cítrico, y otros derivados de ácidos, que muchas veces se encuentran expresados como sus radicales: citrato, oxalacetato, malato, fumarato, succinato, etc. Estos alfa hidroxiácidos son muy abundantes en la naturaleza: El ácido láctico en la leche, el málico en la manzana, el tartárico en las uvas y el cítrico en limones y naranjas.

FUNCIONES OXIGENADAS COMBINADAS Las funciones oxigenadas compuestas o combinadas se caracterizan por poseer puente oxígeno. A diferencia del puente hidrógeno, que es una interacción intermolecular, sostenida sobre interacciones electro magnéticas, estos puente oxígeno están establecidos por uniones químicas intra moleculares covalentes Las funciones oxigenadas que hemos visto hasta el momento pueden reaccionar entre sí para formar compuestos más complejos, como producto de esas interacciones químicas. Es así que podemos mencionar la capacidad de reacción que tiene el grupo oxhidrilo consigo mismo o con aldehídos, cetonas o ácidos. En este punto es importante hacer notar que el grupo carbonilo es un grupo funcional dinámico, capaz de coexistir simultáneamente bajo dos formas. En la estructura de la izquierda se encuentra como carbonio (Carbono con doble enlace al oxígeno). En la segunda, el doble enlace se ubica entre los dos carbonos y el carbonilo se transforma en oxhidrilo. Estas dos estructuras interconvertibles establecen un equilibrio dinámico denominado equilibrio Ceto – enol

C I C=O

COH II C

El nombre corresponde a la realidad en que el carbonilo ligado a carbono secundario constituye la función química cetona (de allí ceto). Además, como ya viéramos respecto de la nomenclatura de los compuestos orgánicos, el sufijo eno corresponde a doble ligadura y ol a alcohol, es decir que un enol es un grupo químico alcohólico sobre carbonos con doble enlace. Este tipo de equilibrio en dos estados se denomina tautomería, y puede verse en el diseño siguiente: Estos enlaces son polares, recayendo la densidad de carga positiva sobre carbonos e hidrógenos y la densidad de carga negativa sobre los átomos de oxígeno. Estas condiciones generan compuestos reactivos capaces de combinarse entre sí, entre los que podemos mencionar éteres, ésteres, anhídridos, hemiacetales, etc. Éteres: son compuestos formados por la combinación de dos alcoholes con pérdida de una molécula de agua. Los alcoholes intervinientes pueden ser primarios, secundarios o terciarios, alifáticos o cíclicos.

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Bioquímica

Los oxhidrilos de cada una de las moléculas alcohólicas, reaccionan para formar agua, quedando libres dos enlaces (uno por cada molécula), lo que genera un puente oxígeno entre dos restos hidro carbonados provenientes de los alcoholes. R1 - OH + HO- R2 ====== R1 -O- R2 + H.OH Si R1 y R2 son iguales, decimos que el éter obtenido es simétrico, pero si R1 es distinto R2 podemos afirmar que se trata de un éter asimétrico. Por ejemplo: CH3 – O - CH3 , el éter metílico proviene de la reacción de dos alcoholes iguales (metanol) Se trata de un éter simétrico. Su nombre IUPAC es: metano – oxi – metano. Por el contrario, si reacciona un metanol con un propanol, se obtendrá el éter metil propílico: CH3 – O - CH2 - CH2 - CH3 cuyo nombre IUPAC es metano–oxi–propano. Nomenclatura: los éteres se denominan colocando el nombre del alcano menor, seguido de la palabra oxi y luego el nombre del alcano más grande: El metano – oxi – propano es ejemplo de un éter asimétrico. El éter etílico ( etano – oxi – etano ) fue muy utilizado durante muchos años como anestésico por ser depresor del sistema nervioso central. Ésteres: Los ésteres son compuestos que se originan mediante la combinación de un alcohol con un ácido. Se produce una reacción análoga a la de los éteres, ya que se produce una deshidratación por participación del oxhidrilo del ácido con el hidrógeno del oxhidrilo del alcohol. Los enlaces libres se combinan conformando otra vez un puente oxígeno. La diferencia con los éteres radica en que mientras en el caso de los éteres ambos carbonos unidos al oxígeno están unidos a hidrógenos, mientras que en el caso de los ésteres, uno de los carbonos unidos al oxígeno sólo posee hidrógenos, mientras que el otro carbono ( proveniente del ácido) posee un enlace oxo (= O). Los ésteres se denominan a la manera de las reacciones ácido base, con el ácido terminado en ATO y el alcohol terminado en ILO Propanoato de etilo. Insistimos en que el lado en que se encuentre el grupo oxo (=O), es el correspondiente al ácido (en este caso propanoico que ha reaccionado con etanol)

O CH3 CH2. C

O

CH2 CH3

Etanoato de Propilo. El lado correspondiente al grupo oxo tiene dos carbonos, es decir ácido etanoico frente a propanol.

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O CH3 . C

O

CH2 CH2 CH3

Los ésteres son compuestos muy importantes ya que están profusamente difundidos en la naturaleza. Son líquidos que poseen aromas agradables a frutos y flores. El etanoato de pentilo tiene un aroma semejante a banana, el etanoato de etilo al ananá. Ya habíamos dicho que el glicerol forma parte de los glicéridos. Estos son éteres del glicerol con ácidos grasos. Los ésteres que poseen moléculas de alcohol más largas, conforman ceras (de abejas, de carnauba, esperma de ballena, etc.) Saponificación: cuando se hidroliza un éster en medio alcalino se recupera el alcohol y una sal del ácido que la formaba. Estas sales alcalinas se denominan jabones. Anhídridos Los anhídridos por su parte son el producto de la reacción de dos ácidos con pérdida de una molécula de agua. Los enlaces libres se unen conformando también puente oxígeno. En el caso de los anhídridos, los dos carbonos unidos al oxígeno tienen grupos oxo (=O). Nomenclatura Se los denomina con la palabra anhídrido seguido de los nombres de los ácidos que lo forman. Cuando son asimétricos (al igual que en el caso de los éteres) se nombra el más pequeño primero.

O

O

CH3 CH2. C

O

O

C . CH3

O

CH3 CH2. C

O

C . CH3

Anhídrido etan – propanoico

Acetales: cuando dos alcoholes se combinan con un carbonilo de un grupo ceto o de un aldehído, se forma un acetal. En el primer paso se une un alcohol a un ceto formando un hemiacetal. Los hemi- acetales son formas muy comunes en los glúcidos. En una segunda etapa el hemiacetal se combina con otro alcohol conformado el acetal. En la primera etapa no se pierde agua, sino que se redistribuyen los enlaces, y en el segundo se produce una pérdida de agua. En el hemiacetal se observa un puente oxígeno. Uno de los carbonos (el proveniente del alcohol), al igual que en los éteres estará unido a hidrógenos y el otro, proveniente del aldehído o cetona, tendrá un oxhidrilo. La segunda etapa mostrará la pérdida de una molécula de agua y la formación del acetal el que denotará un puente oxígeno unido a cuatro grupos alquílicos. Cuando el ácido que participa del enlace anhídrido es el ácido fosfórico, se originan enlaces anhídrido de alta energía, muy útiles para aportar energía metabólica en diferentes vías.

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Bioquímica

COMPUESTOS TERCIARIOS DE AZUFRE Y NITROGENO Hasta aquí estudiamos los compuestos ternarios con C, H y O, producto de agregar oxígeno a los hidrocarburos. En el caso de los compuestos ternarios azufrados, nos referiremos a compuestos que poseen C, H y azufre. Mencionaremos algunos ejemplos de compuestos azufrados. TIOLES En razón de que el Oxígeno y el Azufre pertenecen al mismo grupo químico comparten propiedades semejantes, lo que los faculta para originar compuestos similares. Por ello, es posible reemplazar el oxígeno de los alcoholes por el azufre. Así como la función química alcohol está determinada por el grupo funcional oxhidrilo (HO-), los tioles están determinados por el grupo funcional sulfhidrilo (HS-), en el cual el oxígeno ha sido reemplazado por un átomo de azufre. CH3 OH (Metanol)

CH3 SH (MetanTIol)

Al igual que los alcoholes, los tioles pueden ser primarios, secundarios o terciarios, de acuerdo con que el carbono sobre el que se encuentre el sulfhidrilo (HS-) es decir, primario, secundario o terciario. Así como los HO- de los alcoholes interaccionan entre sí, para formar éteres, cuando los que reaccionan, en lugar de alcoholes son tioles los que reaccionan a través sus grupos sulfhidrilos, se originan TioÉteres. CH3 - O - CH3

CH3 - S - CH3

Éter metílico

Tio Éter Metílico

Sulfamidas: Se conocen como sulfas. Se caracterizan por poseer un grupo sulfoamido ( –SO2NH2) sobre un anillo bencénico. La sulfamida activa tiene otro grupo amino en posición para.

SO2NH2

.

NH2

COMPUESTOS NITROGENADOS Aminas Las aminas son compuestos ternarios nitrogenados que se originan al combinar amoníaco (NH3) con Alcoholes. Su grupo funcional es el amino - NH2.

Metil Amina : amina primaria

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Según se combinen uno, dos o tres alcoholes las aminas serán primarias, secundarios o terciarias:

Tri Metil Amina : amina terciaria Cuando una molécula de amoníaco se combina con cuatro alcoholes, se genera una molécula de amonio cuaternario, unido a cuatro carbonos, y que queda cargada positivamente: =N+= Las aminas tienen comportamiento básico en agua ya que el oxígeno es más electronegativo que el nitrógeno y puede recibir el par electrónico libre. El nitrógeno es dador y el oxígeno receptor de electrones (bases y ácidos de Lewis respectivamente).

H2O

+

Ácido de Lewis

NH3

==

HO-

NH+ 4 ==

HONH 4 Hidróxido de amonio

Base de Lewis

Cuando el amoníaco se comporta como Amonio, NH+ 4 , formará sales y bases de amonio cuaternario. Un representante de éste grupo son la colina y su éster acetilado, la acetilcolina: (CH3)3 N+ CH2 CH2 OH

(CH3)3 N+ CH2 CH2 O- CO CH3

La colina esterificada con ácido fosfórico produce lecitinas y conforma la fosfatidil colina dentro de los fosfolípidos. La acetil colina tiene propiedades en la placa mioneural. Está regulada por la acetilcolinesterasa. La inhibición de esta enzima es objetivo de muchas toxinas, produciendo relajación muscular total con parálisis y muerte. AMIDAS: Son compuestos formados por la combinación de amoníaco con un ácido. El grupo funcional queda conformado por nitrógeno unido a un carbonilo (carbono con oxígeno). Cuando una amida se deshidrata genera un nitrilo: N = C – H y de su hidrogenación se produce una imina R – CO – NH2

 R–C–N 

R – CH = NH

Las amidas son importantes como grupos de caracterización en las proteínas. En la urea, el grupo carbonilo se une a dos grupos amino y la polimerización de amidas produce derivados del nylon, como la poliamida. La urea es muy particular: recordemos que fue la primer sustancia natural sintetizada en el laboratorio, es el producto final del metabolismo de las proteínas; es un abono fundamental por su gran contenido de nitrógeno y se utiliza en la industria de los plásticos. NH2 – CO – NH2 Urea

Dentro de los nitrilos mencionamos el metano nitrilo, por su importancia como veneno: su nombre común es ácido cianhídrico. Uno de los venenos más potentes, capaz de inhibir enzimas respiratorias. Fue utilizado como plaguicida, aunque por su peligrosidad su uso fue discontinuado. ISOMERIA Antes de ingresar en este tema, recordaremos que los elementos químicos están representados por su símbolo químico (Ag representa plata, Na sodio) mientras que las moléculas representan las asociaciones. Un subíndice representa la cantidad de veces que ese elemento se encuentra en la molécula.

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Bioquímica

Así, Cl2 muestra al cloro, el NH3 representa al amoníaco, el H2CO3 al ácido carbónico y el CH3- CH2-CH3 al propano, en sus estados funcionales. Estas representaciones simbólicas nos informan cuáles elementos y en qué proporción se encuentra cada uno de ellos en una determinada sustancia En muchos casos, estas representaciones bajo la denominación de fórmula molecular resultan suficientes para identificar a la sustancia. Sin embargo, existen muchos otros casos, en los que la fórmula molecular no resulta suficiente para aseverar la verdadera identidad de la sustancia o a un estado particular de ella. Así, ejemplos como el pentano, (C5H12) el butenodioico, (C4H4O4), el pentino (C5H8), el propanal (C3H6O), son apenas unos pocos ejemplos de sustancias que por presentar isomería, requieren de que su fórmula deba ser desplegada en el plano o en el espacio a los efectos de poder visualizar sus diferenciales estructurales. En otros casos, hasta resulta necesario realizar un desarrollo en 3-D para poder apreciar sus diferencias intrínsecas. Todos estos casos son encuadrados en el capítulo de la isomería. La palabra isomería proviene del griego, isos: igual, meros: partes), es decir iguales partes. Eso significa que son las mismas partes las que constituyen a esos compuestos pero la distribución de sus átomos es diferente. Isomería se define como el fenómeno por el cual compuestos que poseen la misma fórmula molecular, presentan diferentes propiedades físicas, químicas y / o biológicas A los efectos de evidenciar las diferencias en funciones y propiedades, se clasifica al fenómeno de isomería en tres grandes campos: a) Isomería plana b) Isomería espacial c) Isomería conformacional A. ISOMERIA PLANA La isomería plana es aquella que puede ser establecida en un plano, con la finalidad de determinar sus variantes. Podemos discriminar en ella, al menos, cuatro clases: 1. Isomería de Posición 2. Isomería de Cadena 3. Isomería de función 4. Tautomería 1. Isomería de posición: Se produce cuando sobre una misma cadena se observan sustituyentes en distinta posición. Por ejemplo si hablamos del Propanol, pensamos en un alcohol de 3 carbonos, por lo que su fórmula general será: C3H8O Ahora bien esta fórmula puede corresponder a distintas variantes, según adopte distinta distribución de sus átomos: CH2OH – CH2 – CH3

CH3 CHOH CH3

Ahora bien, ambas fórmulas corresponden al propanol, pero en el primer caso se trata del propanol 1, mientras que el Segundo es el propanol 2, en razón de la posición del grupo funcional oxhidrilo, ubicado en c1 y

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en c2 respectivamente. Al cambiar la posición de un grupo (oxhidrilo) sobre una misma cadena (3 carbonos lineales), decimos que el propanol 1 y el propanol 2 son ejemplos de isomería de posición. En este grupo se encuentran por ejemplo el Buteno 1 y el buteno 2, (cambia la posición del doble enlace), El hexino 1, el hexino 2 y el hexino 3 (cambia la posición del triple enlace sobre la misma cadena), el Cloro buteno 1 y el clorobuteno 2 (se modifica la posición del átomo de cloro) siempre sobre iguales cadenas, el 1,3 diamino benceno y el 1,2 di amino benceno: hay dos grupos amino sobre un núcleo bencénico. En un caso en posición 1 y 3 y en el otro en 1 y 2. En el caso de los núcleos bencénicos, si hay un solo sustituyente en el anillo no es necesario nombrar ninguna posición. En cambio, para dos sustituyentes se utiliza la nomenclatura orto, meta y para. Si los sustituyentes están en carbonos vecinos (1 y 2) se los llama orto ; si están en 1 y 3 se los llama meta y si están en 1 y 4 se los llama para. Veamos un ejemplo para el di metil benceno ( dos metilos sobre un grupo benceno, donde X representa –CH3)

orto di metil benceno



para di metil benceno

para di metil benceno

Cuando el benceno tiene tres sustituyentes, se utiliza la nomenclatura para trisustituidos: vec , sim y asim según los tres sustituyentes estén, respectivamente: VEC: vecinal, donde los tres sustituyentes se encuentran sobre carbonos vecinos (1,2,3) ; SIM: posición simétrica, o alternados (1,3,5) y ASIM: o asimétrica, que posee dos sustituyentes continuos y el tercero alternado: (1,2,4).

Vec (1,2,3)

sim (1,3,5)

asim (1,2,4)

Atención!! Sólo se puede considerar isomería de posición, cuando se compare la posición de los sustituyentes sobre dos cadenas o ciclos idénticos.

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Bioquímica

ISOMERÍA DE CADENA Se presenta en aquellos compuestos que teniendo la misma fórmula molecular, muestra diferente forma en su cadena: Por ejemplo el pentano, el metil butano y el 2,2” di metil propano, presentan la misma fórmula molecular ( C5H12)

CH3- CH2- CH2- CH2- CH3 ;

CH3 CH3 - CH - CH2- CH3

;

CH3 CH3- C - CH3 CH3

La fórmula molecular en los tres compuestos es la misma, pero al tener diferente disposición en sus cadenas, se produce el fenómeno de isomería. Es isomería de cadena, ya que el primero tiene una cadena de cinco carbonos, el segundo una de cuatro y el tercero una de tres. Entonces, al coincidir su fórmula molecular y ser distintas sus cadenas, se encuadran en la isomería de CADENA. Atención!! Sólo se puede hablar de isomería de cadena, cuando la cadena es diferente en ambos compuestos. ISOMERIA DE FUNCION La isomería de función es un tipo de isomería que se produce cuando dos o más sustancias con la misma fórmula molecular, poseen diferentes grupos funcionales, es decir que son sustancias que pertenecen a distintos funciones químicas. Por ejemplo, cuando comparamos el etanol y el etano oxi etano (un alcohol y un éter respectivamente), vemos que sus fórmulas moleculares coinciden, pero son dos especies químicas diferentes. En ese caso, los encuadramos en los isómeros de FUNCION. CH3 – CH2OH

y

Alcohol

CH3 – O – CH3 eter

Formula molecular: C2H6O. TAUTOMERIA Es un tipo de isomería dinámica, ya que no estamos comparando dos compuestos que tengan la misma fórmula molecular, sino que se trata de un compuesto que puede coexistir en al menos dos estados. Un ejemplo de esto lo constituyen las cetonas y los aldehídos. Estos compuestos, al tener un par electrónico doble sobre el oxígeno pueden encontrarse en otro estado. Ese par electrónico se desplaza desde el enlace del C con el O, y se coloca entre dos carbonos. Es decir que la cadena carbonada adquiere un doble enlace. Por otra parte, el Hidrógeno se desplaza sobre el oxígeno, para formar un alcohol. Este es un equilibrio ceto: enol o aldo-enol.

-CH2 - C = O (ceto) 

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-CH = C - OH (enol)

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ISOMERIA ESPACIAL o ESTEREO ISOMERIA En este tipo de isomería resulta necesario desarrollar las fórmulas en el espacio (estéreo en griego). Una misma fórmula molecular puede quedar definida en el espacio bajo dos estructuras diferentes y en consecuencia, presentan diferentes propiedades. Isomería geométrica Se produce en aquellas estructuras que poseen ciclos o dobles enlaces. Esta forma fija la rotación de los carbonos y sus sustituyentes, ofreciendo variantes diferentes, con los mismos átomos. Mientras el enlace simple puede rotar libremente, el enlace doble y los ciclos generan planos rígidos. Los dobles y triples enlaces o los núcleos dan rigidez a los enlaces que determinan posiciones fijas que van a dar diferentes estructuras. Sus fórmulas moleculares son iguales, como en todo fenómeno de isomería, pero en particular esta, se basa en que algunos grupos optan por dos posiciones al menos que no son equivalentes y que la rigidez de los enlaces impide que puedan modificarse. Si dibujamos un plano, como un cuadrado por ejemplo, que representa un ciclo butano y sustituimos dos hidrógenos de diferentes moléculas por dos átomos de bromo , se pueden dar dos situaciones. Que ambos átomos sustituyentes estén del mismo lado del plano, o en planos opuestos. El primer caso se denomina isómero cis di-bromo ciclobutano y el segundo trans- di-bromo ciclobutano. (Del latín de este lado y del otro lado, respectivamente)

Br

Br

Br

Br

Otro ejemplo lo constituye el ácido butenodioico como mencionáramos. Ya que el Carbono 2 y el Carbono 3 del compuesto, están enlazados doblemente, no pueden rotar, entonces se establecen dos presentaciones diferentes para el compuesto: la forma cis y la forma trans.

COOH - C - H

H - C - COOH

H - C - COOH

H - C - COOH

Trans

Cis

En general, se puede presuponer que los compuestos trans deberían tener menos restricciones estéricas que los cis, ya que los grupos involucrados tienden a estar más alejados entre sí evitando rechazos que eleven la energía del compuesto. Por ello los compuestos cis suelen ser más densos y menos estables que los trans. Esto es aplicable a la mayoría de las sustancias, aunque no a todas, ya que existen algunas excepciones producto de distribuciones particulares. Cuando la complejidad de la estructura no pueda ser definida sólo por cis o trans se utiliza la nomenclatura R/S, la cual no abordaremos por no corresponder al enfoque del presente curso.

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Bioquímica

ISOMERIA OPTICA La isomería óptica es un fenómeno que se fundamenta en la diferente acción que algunos compuestos ejercen sobre la luz polarizada. Al producirse esta interacción con la luz, quedan evidenciadas diferencias estructurales no observables directamente desde la estructura de los compuestos, sino desde esa interacción con la luz. De allí el nombre de isomería OPTICA.

Espectro visible

400

450

500

550

600

650

700

750

ULTRAVIOLETA

AZUL

CIANO

VERDE

AMARILLO

NARANJA

ROJO

INFRAROJO

La luz blanca es un conjunto de ondas electromagnéticas de diferentes longitudes dentro del rango visible (4000 a 8000 A). Estas ondas de diferente longitud, vibran en todas las posiciones posibles en el eje de vibración del rayo de luz. Esto da idea que si uno pudiera observar un rayo de luz de frente, lo entendería como un tubo o cilindro. Cuando un rayo de luz, atraviesa un colimador o algún tipo de cristal (como la calcita) se produce una difracción y emergen dos rayos que vibran en dos planos (perpendiculares entre sí). Un prisma de Nicol es capaz de producir un rayo difractado en un solo plano. Este rayo es un rayo de luz que denominamos luz polarizada.

Algunas sustancias tienen la capacidad de desviar el ángulo de vibración de la luz polarizada, es decir que el ángulo de ingreso es diferente al ángulo de egreso: A estas sustancias capaces de actuar sobre la luz polarizada, se las denomina sustancias ópticamente activas. ¿Qué hace que una sustancia tenga esta propiedad? La estructura de sus átomos de carbono. Cuando alguna sustancia tiene un carbono asimétrico (también llamado quiral), la sustancia tendrá incidirá sobre el plano de vibración de la luz polarizada. Un átomo de carbono es quiral cuando tiene cuatro grupos diferentes unidas a sus cuatro valencias. Si bien dijimos que las valencias son iguales, si los sustituyentes son distintos se generará una asimetría que hace que las dos estructuras sean NO SUPERPONIBLES. Esto las dota de esa propiedad. Si las sustancias desvían la luz polarizada a la derecha, se las llama dextrógiras (d) o (+). Cuando lo hacen a la izquierda se las llama levógiras (l) (-). Se prefiere la utilización de los signos (+) y (-), para evitar confusiones con la nomenclatura de las series D y L. Cuando se reúnen iguales cantidades molares de una sustancia dextrógira con su versión levógira, a la mezcla se la llama racemato o mezcla racémica. Es muy conocido el trabajo de Pasteur que cristalizó una mezcla racémica de ácido láctico, y observando con un microscopio separó, basándose en su forma, los cristales dextrógiros de los levógiros.

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Luis Simes

Aquí se observa que el Carbono 2 es asimétrico, ya que se une hacia arriba con un grupo carboxilo, hacia abajo con un metilo, con H y con OH. La estructura molecular no permite predecir hacia donde girará la luz polarizada, ya que esta es una propiedad empírica. El poder rotatorio de la sustancia es una propiedad intensiva ya que no depende de la cantidad de sustancia. Luz incidente  luz polarizada

Rayo incidente  sustancia > ángulo modificado

Aquí se observa que el Carbono 2 es asimétrico, ya que se une hacia arriba con un grupo carboxilo, hacia abajo con un metilo, con H y con OH. La estructura molecular no permite predecir hacia donde girará la luz polarizada, ya que esta es una propiedad experimental. El poder rotatorio de la sustancia es una propiedad intensiva ya que no depende de la cantidad de sustancia y es característica de cada una (por ejemplo la alfa glucosa tiene un poder rotatorio de +52°). Cuando hay un carbono asimétrico se producen dos versiones de la sustancia. Pero a medida que hay más carbonos asimétricos, en número de isómeros se incrementa de acuerdo con la fórmula: I=2n Donde I es el número de isómeros que presentará la sustancia en particular y n el número de carbonos asimétricos o quirales. Por esto, si una estructura posee dos carbonos asimétricos (n=2), presentará cuatro isómeros ( 22 ). Si presenta 3, tendrá ocho isómeros 23) y así sucesivamente. Por ejemplo los glúcidos que poseen 5 carbonos asimétricos presentan 32 isómeros ópticos. Cuando los compuestos son imágenes especulares uno de otro y resultan no superponibles se los llama enantiómeros. Si esas estructuras son no superponibles y TAMPOCO son imágenes especulares se las denominan diasterómeros. Este tema lo veremos en detalle en el capítulo de glúcidos.

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Bioquímica

3

Glucidos GRUPOS QUIMICOS DE IMPORTANCIA EN BIOLOGIA Como ya fuera considerado, la química orgánica sobre la cual se sustenta un amplio segmento estructural y funcional de la química biológica, exhibe una cantidad extraordinariamente elevada de sustancias químicas. A los fines de ordenar de alguna manera esa ingente cantidad de sustancias, se las ha agrupado en diferentes grupos químico-funcionales tales como azúcares, grasas, prótidos, ácidos nucleicos, capaces de abarcar a sustancias tan dispares como hormonas, interleuquinas, neurotransmisores, enzimas, vitaminas, anticuerpos y cualquier otro componente de los organismos vivientes. Los cuatro grupos principales, capaces de abarcar y subclasificar a los demás son los glúcidos, las proteínas, los lípidos y los ácidos nucleicos.

GLUCIDOS Los glúcidos, también llamados hidratos de carbono o azúcares, constituyen el primer grupo biológico de análisis en este texto. El nombre mas amplia y vulgarmente utilizado es el de azúcares, en razón de que una gran cantidad de sus compuestos poseen un sabor dulce. No obstante, esa denominación se consideró inexacta en razón de que existen otros compuestos naturales dulces, pero de estructura química diferente; por otra parte, otros compuestos correspondientes al grupo de los glúcidos no evidenciaban esa característica de sabor. Así como la expresión azúcar puede resultar inadecuada para algunos compuestos, lo mismo ocurre con la denominación hidratos de carbono. Los hidratos de carbono hacen referencia a una característica estructural: estos compuestos muestran la siguiente fórmula mínima: Cn (H2 O)n Esta representación nos muestra que por cada átomo de carbono existe una molécula de agua, y de allí proviene ese apelativo: carbón hidratado o más comúnmente Hidratos de Carbono. Esta forma de definirlos, presenta las mismas problemáticas que el nombre de azúcar o sacárido: algunos glúcidos no presentan esa proporcionalidad, mientras que otros compuestos que la poseen no encuadran por sus características y propiedades en el grupo estricto de los glúcidos. Los glúcidos constituyen el grupo químico-biológico más abundante de la naturaleza. Cumplen importantes funciones plásticas y energéticas, conformando estructuras de sostén y reservorios energéticos de rápida utilización o como depósitos de reserva energética. Su unidad funcional, denominada OSA, corresponde un monosacárido y está formado por un grupo aldehídico o cetónico sobre un polialcohol. Los glúcidos se clasifican en:

a. No Hidrolizables: Monosacáridos: formado por una unidad funcional (OSA) b. Hidrolizables: i.

Oligosacáridos : 2 a 4 unidades OSA

ii.

Polisacáridos: alrededor de 1000 unidades OSAs.

c. Heterósidos: Productos derivados por sustitución, oxidación, polimerización, etc.

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Estructura Química: Los Glúcidos son compuestos químicos ternarios (formados por C, H y O) identificados como poli hidroxi aldehídos o poli hidroxi cetonas. Para cumplir con esta estructura presentan un grupo carbonilo primario (aldehído) o secundario (cetona) en una cadena de carbonos con un oxhidrilo en cada uno de sendos carbonos. En consecuencia, la menor cadena capaz de cumplir con la definición deberá contener al menos tres átomos de carbono (propano). Como la definición expresa polihidroxi, hacemos un ensayo colocando un oxhidrilo por cada carbono, y vemos así que la menor estructura capaz de cumplir con esos requisitos (un grupo carbonilo y dos hidroxi) es ubicar esos sustituyentes sobre una cadena de tres carbonos: dihidroxi propanal. Oxidamos suavemente al primer polialcohol correspondiente:

CH2 OH H C OH CH2 OH Glicerina o Glicerol: , Propano-tri-ol

•

En un carbono primario (carbonilo en carbono 1), origina

H C=O CH OH CH2 OH Gliceraldehido, primer glúcido del grupo Aldosa

•

En un carbono secundario (carbonilo en carbono 2), origina

CH2 OH C=O CH2 OH 1,3 DihidroxiPropanona, primer glúcido del grupo Cetosa

Estas estructuras conforman las unidades funcionales de los glúcidos, denominadas OSAs, en dos grandes grupos: Aldosas y Cetosas. Importancia biológica de los Glúcidos Los glúcidos exhiben una gran versatilidad química, lo que los faculta para el cumplimiento de una amplia variedad de funciones:

• Energéticas • Estructurales • Metabólicas • Señalización

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Bioquímica

GLÚCIDOS NO HIDROLIZABLES Monosacáridos. Están constituidos por una sola estructura básica (OSA). Estas se diferencian en dos grupos, según el grupo funcional que posean: 1. cuando integran grupos aldehídos se denominan ALD OSAS 2. y si poseen grupos ceto , se tienen CET-OSAS Nomenclatura Para poder identificarlos, se realiza lo siguiente:

i.

Se coloca un prefijo griego que indica la cantidad de átomos de carbono que posee : 1) Triosas (3), 2) tetrosas(4), 3) pentosas(5), 4) hexosas(6), y 5) heptosas (7)

ii.

se antepone al prefijo griego visto en i., las partículas que identifican al grupo funcional que posee : a. ALDO para al grupo aldehído y b. CETO para el grupo cetónico.

De esta manera sabemos que una ALDO HEXOSA es un monosacárido de la serie aldehídica de seis carbonos y que una CETO PENTOSA corresponde a un monosacárido de la serie cetónica de 5 carbonos. Veamos la tabla siguiente, sobre lo expresado: GRUPO FUNCIONAL

ALDEHIDO

CETONA

N° CARBONOS

NOMBRE

EJEMPLO

3

Aldo TRI

4

Aldo TETR Osa

Eritrosa

5

Aldo PENT Osa

Ribosa

6

Aldo HEX Osa

Glucosa

3

Ceto TRI

Di hidroxi cetona

4

Ceto TETR Osa

Eritrulosa

5

Ceto PENT Osa

Ribulosa

6

Ceto HEX Osa

Fructosa

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Osa

Osa

Gliceraldehído

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Si observamos el ejemplo de arriba podemos ver que se trata de dos moléculas de Aldo Hexosa (polialcohol de seis carbonos con grupo aldo). Sin embargo parecen estar dibujadas de diferente manera. Exactamente y esto obedece a que estas estructuras ejemplificadas en el cuadro poseen carbonos asimétricos y con ello adquiere relevancia la orientación en el espacio que tengan los grupos unidos a cada centro de asimetría. Recuérdese lo analizado en el capítulo correspondiente a isomería. ¿Por qué no se pueden superponer? Por su forma tetraédrica, lo que hace que existan diferencias en una tercera dimensión, como a continuación se observa:

Notemos que los carbonos quirales o asimétricos (carbonos unido a cuatro sustituyentes diferentes), pueden generar dos tipos de estructuras.

X Y – C – Z

X Z – C

H

–

Y

H

Visto así, observamos que dos estructuras formadas por el mismo grupo de átomos (CXYZH) pueden presentar dos formas distintas. Esto ocurre por la particular disposición de los enlaces del carbono, que al generar forma de tetraedro, hace que dos formas equivalentes no se puedan superponer. Esto implica una disparidad estructural que genera dos moléculas con diferentes propiedades, aunque sus constituyentes sean idénticos. (Ver isomería óptica, cap 2)

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Bioquímica

Una forma simplificada de representación es la siguiente:

Carbonilo ( C = O ): aldehído en carbono 1 o ceto en carbono 2

Oxhidrilo (- OH)

Alcohol primario: -CH2OH

Es decir que ´la representación gráfica de la glucosa, mostraría el siguiente aspecto:

H C

O

H C OH HO C H H C OH H C OH C H2OH

En consecuencia, cuantos más puntos de asimetría presente una molécula (carbono quirales), mayor será la cantidad de isómeros que exhiba. La cantidad de isómeros está en relación con la fórmula: i = 2n Siendo “i” el número de isómeros que pueden originarse con “n” carbonos quirales en la molécula. Si hay un solo carbono quiral, entonces n vale 1. Como 21 =2 se establece que cuando hay un solo carbono quiral se originan 2 isómeros; para 2 carbonos quirales, habrá 22 , es decir 4 isómeros y para 4 carbonos asimétricos 24 , 16 variantes para la misma fórmula molecular.

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Por eso, el gliceraldehído que tiene 1 carbono asimétrico, muestra 2 formatos diferentes, mientras que una aldohexosa , con 4 carbonos asimétricos, mostrará 16 isómeros. Si vemos el ejemplo simplificado del gliceraldehído, encontramos estas formas:

L- gliceraldehído

D- gliceraldehído

Por otra parte, abajo se muestra una figura de los derivados del D- gliceraldehído:

Si observamos la figura, vemos que al agregar un carbono al D- gliceraldehído, se obtienen dos tetrosas, y al agregar otro carbono, se obtienen cuatro pentosas y los de seis carbonos mostrarán ocho isómeros. Si hiciéramos lo mismo con el L- gliceraldehído, obtendríamos derivados similares: Dos tetrosas, cuatro pentosas y ocho hexosas, con lo cual se cumple el total previsto para la fórmula i = 2n El primer grupo, se encuentra representado, se los denomina monosacáridos de la serie D, mientras que al otro grupo no especificado, se lo llama monosacáridos de la serie L. Esa clasificación en dos series, D y L, se basa en el carbono asimétrico más cercano al alcohol primario. Si el OH está a su derecha, corresponderá a la serie D, mientras que en el caso de –OH a la izquierda, mostrará correspondencia con la serie L. Es decir, todos los derivados del D Gliceraldehído pertenecen a la serie D y los del L- Gliceraldehído a la serie L. En la naturaleza, los glúcidos con actividad biológica corresponden a la serie D.

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Bioquímica

Dentro de las aldopentosas destacamos a la ribosa y en las hexosas a la glucosa, galactosa y manosa. La ceto hexosa preponderante es la fructosa.

C1 C2 C3 C4 C5 C6

D-Glucosa

D-Manosa

D- Galactosa

D- Fructosa

Vemos en estas hexosas de importancia biológica que cumplen con dos premisas importantes:

-

todas corresponden a la serie D, ya que el –OH vecino al alcohol primario tienen orientación hacia la derecha

-

Todos los oxhidrilos de carbono 3 se orientan a la izquierda. Cuando las formas isoméricas presentan imagen especular (imagen de espejo), el tipo particular de pares isoméricos se denominan enantiómeros. El ejemplo de hexosa que hemos tratado nos sirve de ejemplo:

D- Glucosa

L- Glucosa

Vemos aquí que los carbonos 2,3,4 y 5 son asimétricos. Las orientaciones de los oxhidrilos en un mismo carbono son diferentes, como si se mostraran enfrentadas a un espejo. En este caso decimos que los compuestos son enantiómeros. Un enantiómero corresponde a cualquier estructura no superponible y que sea imagen de espejo en todos los carbonos quirales, como el ejemplo de arriba. Cada compuesto de la serie D con su correspondiente de la serie L son enantiómeros. EPIMEROS, se denominan epímeros a aquellos compuestos que presentan diferente isomería óptica, lo que establece que esa nueva forma tenga propiedades diferentes y se constituya en consecuencia en otro compuesto. Si miramos la glucosa, y le “damos vuelta” el -OH de C2, veremos entonces que se transforma en otro glúcido llamado manosa. Decimos entonces que la glucosa y la manosa son epímeros en 2. Si desde la glucosa hacemos lo mismo, y giramos el HO de carbono 4 , entonces obtenemos galactosa. Decimos así que la glucosa y la galactosa son epímeros en 4. Son diferentes compuestos por el hecho de que el oxhidrilo de carbono 4 tiene diferentes orientaciones. En conjunto no son imágenes especulares. Cuando las estructuras son no superponibles, y NO originan imágenes especulares, se las denomina Diasterómeros.

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Formas hemiacetálicas Ya hicimos referencia a la capacidad de reacción que tienen los oxhidrilos y los carbonilos. La capacidad de reacción que presentan lo oxhidrilos frente a los grupos carbonilos, hace que en condiciones favorables (sobre todo energéticas y estéricas26 ) se produzca una reacción química que origina hemiacetales. Definimos entonces a los hemiacetales como compuestos que originan al reaccionar un alcohol con un grupo carbonilo de aldehídos o cetonas. En las aldo hexosas las reacciones del carbonilo (carbono 1), se dan más probablemente con oxhidrilos de carbono 4 o carbono 5. En las cetohexosas (carbonilo en 2), se relacionan mejor con los oxhidrilos de carbono 5 o de carbono 6.

Si marcamos los carbonos quirales lo primero que podemos observar es que mientras la forma aldehídica posee cuatro carbonos quirales (2, 3, 4, y5), en la glucosa hemiacetálica observaremos cinco (1, 2, 3,4y5). ¿Cuál es el nuevo carbono quiral? El carbono 1, marcado con un asterisco. En el caso aldehídico, el C1 tiene un doble enlace con el O, por lo cual no es asimétrico, pero al reaccionar y romperse ese doble enlace, aparece la quiralidad sobre ese carbono. ¿Qué consecuencias tiene esto? Pues que ahora es posible tener DOS glucosas diferenciadas por el C1: con el OH a la izquierda o con el OH a la derecha. Al formarse dos presentaciones diferentes, debemos identificarlas: se denominará alfa (α ) a la glucosa hemiacetálica que posee su -OH de C1 a la derecha y glucosa beta (β ) a aquella cuyo C1 tiene su -OH a la izquierda. El carbono correspondiente originalmente al carbonilo, pasa a denominarse ahora carbono anomérico. Decimos que las formas alfa y beta de una sustancias son formas anoméricas. La alfa glucosa y la beta glucosa son anómeros en 1 (por que el carbonilo estaba en C1). Por ejemplo, la fructosa alfa y la fructosa beta son anómeros en 2, ya que el carbonilo original, por ser ceto, se encontraba en Carbono 2. Los carbonos anoméricos son los que lógicamente se ciclan al formar el hemiacetal. Tipo de Isomería

Características

Ejemplo

Enantiómero

Imagen especular no superponible

D-Glucosa/ L-Glucosa

Diasterómero

Imagen No especular, no superponible

Glucosa/Galactosa

Epímeros

Diferencia en un carbono alcohólico

Epímeros en 2: Glucosa/Manosa

Anómeros

Diferencia en Carbono del carbonilo

α Fructosa / β Fructosa

2

Formas de Harworth Cuando representamos las fórmulas hemiacetálicas lo hicimos bajo el formato de Fischer. Harworth propuso representar las mismas fórmulas bajo la forma cíclica. Previendo que los enlaces característicos en las formas hemiacetálicas para las aldohexosas enlazan C1 (anomérico) con C5, y las ceto hexosas C2 (anomérico) con C6, ambas con un puente oxígeno, presentan la forma de un hexágono. También pueden establecer respectivamente enlaces C1 con C4, o C2 con C5, que a través de un puente oxígeno adquiere la forma de pentágono. Las pentosas pueden 26

Estéricas, de estéreo, espacial: desarrollo en el espacio

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Bioquímica

también adquirir estructura de pentágono. Los heterociclos oxigenados de 4 y 5 carbonos, son respectivamente el furano y el pirano, y se corresponden exactamente con las formas de los glúcidos aludidos.

Obtención de las fórmulas de Harworth Para transformar una forma de Fischer a una forma de Harworth, se deben seguir las siguientes consignas:

1) De acuerdo con el puente oxígeno establecer si el ciclo será de cinco o seis carbonos, es decir, pentágono o hexágono. 2) El ciclo establece un plano horizontal. Los enlaces de los derivados estarán por encima o por debajo del plano 3) Cuando un sustituyente de un carbono, se encuentre en la fórmula de Fischer a la derecha, se dibujará hacia abajo en la fórmula de Harworth los grupos de la izquierda se dibujan, por contrapartida, hacia arriba.

Poder rotatorio: los glúcidos tienen una propiedad intensiva característica: la rotación óptica: El poder rotatorio es característico de cada sustancia, por lo cual es una propiedad intrínseca, intensiva, como lo son el punto de fusión, de ebullición, espectros electromagnéticos, etc. Cuando se coloca una solución de un glúcido en un polarímetro este marcará el poder rotatorio. Cuando el polarímetro verifica rotación de la luz polarizada a la derecha, a sustancia se identifica con un signo (+). No se debe confundir con la D correspondiente a la serie. Así, la glucosa es dextrógira, verificándose que el giro que se produce es de + 52°. La fructosa es levógira, y entonces se identifica con un signo (-). La L se reserva para la serie, pero no tiene relación con la rotación óptica.

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Nomenclatura: Una vez representadas las formas cíclicas y considerando el poder rotatorio de los glúcidos, su correcta nomenclatura requiere la siguiente configuración:

a. Letra griega para la posición del –OH anomérico b. D o L ( mayúsculas) para identificar la serie y con ello la estructura c. Signo (+) o ( - ) para identificar la desviación del plano óptico de la luz polarizada d. El nombre del monosacárido respectivo El sufijo pitañosa o farinosa, de acuerdo con el ciclado Ejemplos: N°

Molécula

Enlace del C Serie anomérico

Poder rotatorio

Sustancia

Ciclo

1

α− D(+) Glucopiranosa

Abajo

D

Dextrógiro

Glucosa

Pirano

2

β − L (+) Fucopiranosa

Abajo

L

Dextrógiro

Fucosa

Pirano

3

α− D(-) Fructo furanosa

Arriba

D

Levógiro

Fructosa

Furano

1

2

3

Estructura conformacional Cuando mencionamos la teoría de las tensiones de Bayer, dijimos que en base a ella cuanto más se alejaran de 109° los ángulos del carbono en un ciclo, más tensión presentaría el mismo. Sin embargo, resultan bastante estables ya que las tensiones en el hexágono no eran tan elevadas como las esperadas. Esto ocurría por que bajo la forma piranósica, los glúcidos son capaces de adquirir isomería conformacional, silla/bote. En la isomería conformacional no se menciona más la posición de los sustituyentes por encima o por debajo del plano, sino como sustituyente ecuatorial y axial. Se mantiene el plano para diferenciar las formas silla/bote. Los C1 y C4 en el mismo plano (bote o cis) o en distinto plano (silla o trans). En este caso pueden ser silla a (C1 por encima del plano) o silla b, (C4 por encima del plano) Cuando el sustituyente se muestra horizontal se lo denomina ecuatorial. Cuando por el contrario la ubicación tiende a la verticalidad se lo denomina axial.

BOTE

SILLA

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Ambas figuras representan a la glucosa beta. En el caso de bote, el -OH de C1 está hacia arriba (axial), pero en la forma silla se transforma en ecuatorial. Existen además las formas hemisilla y bote girado. Mutarrotación Se denomina mutarrotación al fenómeno por el cual, una sustancia va cambiando espontáneamente, con el paso del tiempo, su ángulo de acción sobre la luz polarizada. La glucosa anhidra (sin agua), presenta aspecto de polvo cristalino blanco. Su estructura química corresponde a la forma aldehídica. Sin embargo, al disolverse en agua, comienza una reacción entre el grupo carbonilo y un oxhidrilo de la misma molécula, para dar una estructura hemiacetálica. En consecuencia, se forma un nuevo centro de asimetría en el carbono anomérico, para generar de la misma sustancia, dos variedades. En esta caso glucosas alfa y beta. En los primeros minutos, el polarímetro indica +112, pero al pasar las horas, el valor se va modificando .quedando en +52. Cuando la glucosa aldehídica se hidrata se transforma en alfa glucosa, cuyo poder rotatorio es de + 112°. Luego se produce una isomerización activa de alfa a beta glucosa. Ésta tiene un poder rotatorio +19. Cuando se alcanza el equilibrio existe un 66% de beta glucosa, un 33 de alfa y un 1% aldehídica intermediaria entre las dos. Esa mezcla contribuye proporcionalmente determinando un punto final rotatorio de + 52°. Glucosa alfa

Glucosa aldehídica

33% + 112°

Glucosa beta

1%

66%



+19°

+ 52° Derivados de monosacáridos: Muchos de los monosacáridos biológicamente activos, presentan otros grupos químicos además de los ya mencionados. Pueden encontrarse grupos más oxidados (ácidos), reducidos (alcoholes) o con grupos nitrogenados y azufrados entre otros.

1) Reducidos (Alditoles): La reducción de los grupos carbonilo origina un nuevo oxhidrilo, por lo cual los monosacáridos reducidos son polialcoholes. La reducción de la manosa origina manitol y la de la glucosa origina sorbitol. Tienen gran capacidad para atraer moléculas de agua y electrolitos, por lo cual tienen utilidad clínica. El sorbitol t posee efecto laxante y el manitol es ampliamente utilizado para el tratamiento de los edemas, ya que recupera agua desde el intersticio hacia el sector vascular. En los diabéticos, produce depósitos en el cristalino que favorece la formación de cataratas. Algunos alditoles se utilizan como endulzantes de bajas calorías.

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C H2OH

CH2OH

I

I

H C OH

HO C H I

I

HO C H

HO C H

I

I

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

I

I

I

I

CH2OH

CH2OH

SORBITOL

MANITOL

2) Oxidados Los monosacáridos pueden ser oxidados, originándose tres posibilidades, según cual sea el carbono que sufra el proceso de oxidación. De acuerdo con ello se los clasifica en monosacáridos:

• Aldónicos : se oxida Carbono 1 • Urónicos : se oxida Carbono 6 • Aldáricos : se oxidan los Carbonos 1 y 6 La oxidación del carbono 1, obliga a abrir el ciclo, es decir que tanto los derivados aldónicos como los aldáricos son de cadena abierta. Los urónicos como el glucurónico (ver figuras) son de ciclo cerrado y participan de la estructura de glúcidos complejos. Ya que poseen capacidad de electrolito a pH biológico, se los encuentra bajo la forma de anión glucurunato.

GB

3) Monosacáridos desoxigenados: Son moléculas que pierden alguno de sus oxhidrilos, manteniendo inalterado el resto de la molécula. Mientras la ribosa es un monosacárido crucial para la conformación de la estructura de los ácidos Ribonucleicos, (ARN) la desoxigenación del oxhidrilo de carbono forma 2’ desoxi- ribosa, componente de la columna vertebral del ácido Desoxi – ribonucleico (ADN). La 6 desoxi beta L Galactosa (uno de los pocos monosacáridos de la serie L que intervienen en procesos biológicos), es denominado comúnmente L- Fucosa. La fucosa forma parte de paredes celulares bacterianas y conforma al antígeno H, base química de los grupos sanguíneos ABO, de Landsteiner. Si en lugar de galactosa el ciclo es manosa, estaremos en presencia de la ramnosa.

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4) Aminoazúcares: La aminación de algunos carbonos dota de particulares características a los monosacáridos, los cual los habilita para formar parte de reacciones metabólicas y de estructuras más complejas. Mencionamos como de importancia a la 2- amino glucosa y a las 2 N- acetil glucosamina.

GB

Estas moléculas formarán parte de los glicoproteínas, aminoglucósidos o glico lípidos. También poseen importancia las galactosaminas. 5) Monosacáridos fosforilados: cuando los glúcidos entran en los circuitos metabólicos, los requerimientos de energía y de cargas eléctricas, los llevan a combinarse con grupos fosfato. A pH 7,0 los fosfatos se comportan como electrolitos. Ej: glucosa 6 fosfatos, glucosa 1,6 di fosfato etc. 6) Tioglúcidos. En este caso un oxígeno del carbono anomérico se encuentra reemplazado por un átomo de azufre, S.

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7) Glucósidos: Son acetales. Recordemos que la reacción de un grupo carbonilo (aldehído o cetona) con un alcohol genera Hemiacetales, como ya se viera anteriormente. Así se formaban los glúcidos hemiacetálicos. Cuando un alcohol reacciona con un hemiacetal, se deshidrata y forma un acetal. Cuando el carbonilo de un monosacárido reacciona con un alcohol, pierde una molécula de agua y forma un acetal: un glucósido

R1 l R3 -- C O -- R2 I OH Hemiacetal

+

HO – R4



H2O + agua

alcohol

R1 l R3 -- CO -- R2 l O – R4 Acetal

Los glucósidos resultan de la combinación del monosacárido con un grupo químico diferente, a través del carbono anomérico. El grupo glucídico se denomina glicona (generalmente glucosa, pentosas, oligosacáridos) y el resto de la molécula aginina. Éste determina la naturaleza del glicósido. La unión se establece mediante un enlace Oglicosídico. Existen varias familias de glicósidos de gran importancia para los vegetales. Muchas veces constituyen mecanismos de defensa y además caracterizan a los vegetales por sus sabores. Poseen enzimas propias capaces de romper los enlaces glucosídicos. Un grupo de interés lo constituyen los glicósidos cardiotónicos, que son esteroides. Existen varias familias vegetales que lo sintetizan, entre ellas las de Digitallis. Por ello los fármacos antiarrítmicos y cardiotónicos también son llamados digitálicos. Si la glicona es un tioglúcido, se forman los tioglucósidos, caracterizados por un enlace tioéter, más específicamente tioglicosídico (S- glicosídico). Por su utilización en biología mencionamos al IsoPropilTioGalactopiranósido (IPTG) que presenta funciones favorecedoras de la recombinación de genes y el OctiGlucósido, cuyas propiedades detergentes resultan de utilidad en la ruptura de membranas biológicas. Algunos grupos son venenos orgánicos. GLUCOSA La glucosa es el glúcido principal del organismo. Otros azúcares incorporados por la dieta son metabolizados a su destino final de glucosa. El almidón se degrada a dextrinas, maltosa y finalmente concluye en una molécula final no hidrolizable de glucosa. La galactosa y la fructosa se isomerizan a glucosa en el hígado. Su nivel está regulado por la insulina y el glucagón. Enlaces glicosídicos: Son enlaces covalente que se establecen entre grupos oxhidrilos de diferentes moléculas, que pierden un molécula de agua. Por ello son de tipo éter. Si hubiera un azufre será tioeter. Cuando participe un nitrógeno, la unión será de tipo amina o N- glucosídico. Estos enlaces covalentes son capaces de sufrir ruptura mediante la utilización de ácidos o con enzimas hidrolíticas llamadas hidrolasas.

Los enlaces glicosídicos se identifican teniendo en cuenta los carbonos que participan y si la posición de los mismos es alfa o beta. Si el carbono anomérico está en alfa, la unión será alfa glicosídica. Se indica mejor con una flecha que relaciona el carbono del cual parte y hacia el que se dirige la unión en la otra molécula. Por ejemplo si se enlaza un carbono anomérico en alfa, y se enlaza con un átomo en 3 de la otra molécula, se identificará como: α β α3 En otro ejemplo, si se combina un carbono anomérico 2 en beta, con un carbono 4 de la otra molécula, se representará: β 24

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GLÚCIDOS HIDROLIZABLES Los glúcidos hidrolizables son estructuras formadas por dos o más moléculas relacionadas por enlaces glicosídicos. Se clasifican en:

• Holósidos • Heterósidos Los holósidos son compuestos que al final de su degradación sólo originan osas (monosacáridos). En cambio, los heterósidos, de mayor complejidad, además de osas originan compuestos no glucídicos. Los holósidos agrupan a los disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos, mientras que los heterósidos a polisacáridos complejos. Carácter reductor: Los glúcidos pueden ser reductores o no reductores. Esto se basa en la capacidad de reaccionar con el licor de Fehling o el Licor de Tollens. Esta propiedad reside en las características redox de los carbonos aldehídico o cetónico, que poseen esa propiedad. En la medida que alguno de ellos quede libre (sin enlazar) mantendrá su carácter reductor, por lo cual la molécula será reductora. Pero en el caso de que los carbonos aldehídicos o cetónicos se enlacen entre sí, se perderá el carácter reductor, lo que caracterizará a esa molécula como no reductora. Nomenclatura: Los holósidos se denominan de acuerdo con los siguientes determinantes: Se mencionan los compuestos que intervienen y su enantiómero D o L Se nombra primero al que enlaza su carbono anomérico, como furanosil o piranosil, según su ciclo Se coloca al principio una O para los enlaces a través de Oxígeno. Pero si fuera a través de un nitrógeno sería Nglicosídico.

Se indica la posición α β de cada molécula Se indican las posiciones de enlace Se nombra la segunda molécula, que posee su carbonilo libre, D o L, el ciclo pirano o furano, terminado en ósido. Ejemplo O – (D- Galactopiranosil β 1  4 – D Glucopiranósido) Esto indica que se une por enlace Oxígeno una molécula de galactopiranosa β con glucopiranosa desde el carbono 1 de la galactosa con el carbono 4 de la glucosa. Fructosa

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DISACARIDOS

Son holósidos formados por dos monosacáridos, enlazados a través de enlaces o- glicosídico. Hacemos referencia a los más importantes:

Maltosa: Denominada azúcar de la malta o cebada germinada. Se conforma por la unión glicosídica de dos moléculas de glucosa, desde el carbono anomérico α 1 con el 4 de la otra. En ésta queda libre y activo el carbono anomérico. La maltosa se obtiene de la hidrólisis del almidón. D- Glucopiranosil (α 1  4) D glucopiranosa Es degradada por la aamilasa, presente en saliva y páncreas humanos.

Isomaltosa Es similar a la maltosa y también conforma la molécula de almidón, interviniendo en sus ramificaciones. Se diferencia de la maltosa en que sus enlaces son 16. También es sensible a la acción de la alfa amilasa. Pero cuando se degrada el almidón, muchas veces los enlaces 1 6 no se hidrolizan, siendo este el último paso de la digestión. El residuo se denomina dextrinas límite. D- Glucopiranosil (α 1 6) D glucopiranosa

Celobiosa Se obtiene de la celulosa. Es un disacárido también formado por dos moléculas de glucosa, pero éstas tienen su carbono anomérico en posición β. En este caso no se puede digerir ya que la α amilasa no actúa sobre sus enlaces β. Los roedores se alimentan de celulosa ( madera, papel telas) en razón de poseer enzimas digestivas activas sobre estos enlaces β. D- Glucopiranosil (β 1  4) D glucopiranosa

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Lactosa Es el azúcar de la leche, que está formado por una galactosa-β y una glucosa-α, unidas por enlaces 14 Es el glúcido preponderante en la leche. Su presencia es mayor en leche materna que en la de vaca (7 a 5% respectivamente). Su valor nutricional es muy importante. Requiere de las lactasas intestinales para su correcta absorción. Aunque los humanos muestran niveles bajos de lactasa son suficientes para su metabolización en los primeros años de vida. Cuando se observa carencia de actividad de la enzima se produce intolerancia a la lactosa, por lo cual algunas fórmulas adicionan lactasa a los productos lácteos. Esta carencia observable en grandes grupos humanos (Aunque menor en etnias de África), puede traducirse en manifestaciones dolorosas por distensión, acumulación de líquidos y diarreas. Raramente se debe a causas hereditarias, algunas son secundarias a otras enfermedades crónicas o bien puede obedecer a una baja expresión de la enzima. Si observamos las estructuras químicas de los disacáridos enumerados, observamos que en todos ellos siempre queda un carbono anomérico libre. Por ello, todas mantienen el poder reductor del carbonilo y en consecuencia todos ellos son disacáridos reductores.

Sacarosa: es el azúcar de caña. Se obtiene también de la remolacha y otros vegetales. Este azúcar es muy particular, muy utilizado en la alimentación humana y generado en la fotosíntesis. Además y a diferencia de los anteriores disacáridos, todos conformados por monosacáridos glucosil, éste posee una molécula de fructosa (fructosil). Por otra parte observamos que se enlazan ambos carbonos anoméricos, por lo cual es el único azúcar NO reductor de los mencionados. Su estructura es: O – D- glucopiranosil a1 b2 fructofuranósido

Azúcar invertido: es llamado así ya que en casos de hidrólisis se verifica un cambio en la dirección de la luz polarizada. Mientras la sacarosa es dextrógira, cuando se produce su hidrólisis por ácidos diluidos o por acción de la enzima sacarasa o invertasa, el giro de la luz se invierte a levógira; de allí su nombre. El poder rotatorio de la sacarosa es dextrógira + 66°. Cuando se hidroliza, su rotación se estabiliza tornándose levógira (-19°). Esto obedece a que el poder rotatorio de la fructosa es de – 92° impacta más frente a los + 52 de la Glucosa.

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POLISACARIDOS Conforman el grupo más importante de glúcidos de la naturaleza. Sus enlaces son o-glicosídicos que conforman estructuras de un elevado número de monosacáridos lineales y ramificados. HomoPolisacáridos Son moléculas grandes, con un “n” elevado de monómeros, compuestas exclusivamente por un solo tipo de monosacáridos. No tienen poder reductor ni propiedades glucídicas. Tienen aspecto amorfo, y no son solubles en agua. Cumplen funciones de reserva y de sostén. Entre los más importantes mencionaremos: (1) Almidón (2) Glucógeno (3) Celulosa (4) Quitina (5) Agar (6) Dextranos (7) Inulina (1).ALMIDON El almidón es el polisacárido de reserva energética de los vegetales, formado por fotosíntesis a partir del CO2 del aire y del agua absorbida por el sistema radicular. El depósito diferencial del almidón produce la formación de diversas variedades de presentación, característica de cada vegetal. Los granos son así particulares de cada planta (almidón de papa, de remolacha, de poroto o de batata), presentarán diferentes conformaciones, dadas por el número de monómeros, sus ramificaciones y la proporción generada entre las diferentes estructuras sintetizadas. La parte exterior presenta preponderancia de amilopectina en una proporción que va del 80 al 90% del peso del grano. El porcentaje restante se ubica hacia el interior, bajo la forma de amilosa. La amilopectina tiene un “n” de aproximadamente 2.000 unidades. Los disacáridos componentes son la maltosa y la isomaltosa. Si el PM de la glucosa es de 180 Daltons, es factible calcular el PM de la amilopectina. La cadena de amilopectina se forma con enlaces glucosídicos (α 1 4), produciéndose una ramificación (α 1 6) de 10 a 15 unidades, cada aproximadamente 20 glucosas de la cadena 14�. Mientras la (α) Amilasa digiere los enlaces (α) 14, no ataca las ramificaciones 1 6. En estos puntos quedan restos de agrupamientos que se denominan dextrinas límite, provenientes fundamentalmente de celobiosa. En el organismo humano las (α) amilasas salivales y pancreáticas digieren los enlaces glicosídicos, mientras que las dextrinasas intestinales resuelven los enlaces 16. La amilosa en presencia de lugol genera un color azul intenso característico, a diferencia de la amilopectina que genera un color rojizo más pardo. Ambas formas son insolubles en agua y originan grumos en donde las cadenas adquieren forma de hélices de siete residuos por vuelta. Esta disposición genera una liberación más lenta de la glucosa.

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La Amilosa, ubicada preferentemente hacia el corazón del grano, está constituida por cadenas más cortas (300 a 400 unidades). (2). GLUCOGENO Constituye el principal homopolisacárido de la célula animal, estando alojado en el citosol, conjuntamente con las enzimas que lo degradan. En el ser humano se aloja preferentemente en hígado y músculo esquelético, para asegurar la rápida liberación de glucosa, tanto para el mantenimiento de los niveles de glucosa plasmática como para posibilitar la contracción muscular. Estructuralmente el glucógeno es muy similar a la amilopectina, presentando ramificaciones más densas y una mayor longitud de las cadenas. Cada glucógeno puede contener aproximadamente 30.000 unidades de (α) D glucopiranosa. Sus enlaces o- glicosídicos son (α) 14 y sus ramificaciones (α) 16. (3).CELULOSA Es una sustancia variada, muy abundante en la naturaleza. Es un componente preponderante de la madera, el algodón, el papel, el celofán y el rayón27, entre otras sustancias28. No hay un solo tipo de celulosa, por lo cual es de naturaleza variada. Se la clasifica en α, β, y γ celulosa de acuerdo con sus propiedades frente a los álcalis y los ácidos. Es al igual que los anteriores un sólido blanco, microcristalino insoluble en agua. Tienen gran resistencia en razón de poseer enlaces intramoleculares de Puente hidrógeno. Químicamente son grandes moléculas de la (β) glucosa, unidas por enlace o-glicosídico 14, o por unidades de celobiosa. Mientras las enzimas de los herbívoros poseen una la (β) amilasa que degrada a la celulosa hasta glucosa, en el hombre esto no ocurre, por lo cual se elimina por intestino sin absorber. Esto estimula el peristaltismo y la eliminación de agua y sales. (4). QUITINA Es un polisacárido muy semejante por sus propiedades a la Celulosa. Establece al igual que ella, enlaces o- glicosídicos (β). Forma parte esencial del exoesqueleto de invertebrados, insectos y crustáceos, como así también la pared celular de algunos hongos y algas, por lo que es de amplísima difusión en la naturaleza. Su unidad es un derivado de la glucosa: la n- acetil glucosamina. Se estructura en base a interacciones de puente hidrógeno intracatenarios, lo que les dota de dureza y rigidez. Las 27 28

Acetato de celulosa El papel de filtro tratado con ácido sulfúrico produce papel pergamino, resistente eimpermeable. Otras producen explosivos, lacas y fibras.

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cadenas que se relacionan mediante puente hidrógeno se acomodan de forma paralela en la quitina (α)alfa y de manera antiparalela en la quitina (β). (5) AGAR Sustancia de amplia distribución en la naturaleza, de características gelatinosas, se obtiene por ebullición de ciertas especies de algas dado su alto contenido en sus paredes. Se la utiliza intensivamente en microbiología como medio de cultivo para el desarrollo de gérmenes, en gastronomía como espesante en yogures y postres y en medicina por su actividad laxante. Corresponde a un galactano, por ser su unidad conformacional la (β) D- galactopiranosa, siendo sus enlaces o-glicosídicos (β) 14. (6). DEXTRANOS Y GLUCANOS Así como el almidón se constituye en sustancia de reserva para los vegetales y el glucógeno hace lo mismo en la célula animal, los dextranos son los polisacáridos de reserva en microorganismos, como bacterias y levaduras. Conforman, al igual que la amilopectina en cadenas ramificadas de (α) D- Glucopiranosa. La diferencia está en la ubicación de los enlaces, que en este caso corresponde a 12, 13, 16. Similares son los Beta Glucanos, que poseen enlaces 13, pero beta. Son importantes en algunos cereales (avena, cebada, centeno) (7).INULINA Es un fructano que se encuentra como material de reserva en algunas raíces vegetales. Las unidades monosacáridas son (β) D- fructofuranosa con enlaces 21.

HOMOPOLISACARIDOS Grupo

Polisacárido

Monosacárido

Enlace

Posición

Glucanos

constituyente

Galactanos Fructano

ALMIDON

14

GLUCÓGENO

16 14

(α) D- Glucopiranosa

(α)

DEXTRANOS

16 12

CELULOSA (β)GLUCANOS QUITINA AGAR PECTINA INULINA

1 3 14 13 14 14 14 21

(β) D- Glucopiranosa (β) D- N-Acetil Glucosamina (β) D- galactopiranosa (β) D- galacturónico (β) D- fructofuranosa

(β)

HETEROPOLISACARIDOS Mientras los homopolisacáridos están estructurados sobre un solo tipo de monómero, en los heteropolisacáridos existen al menos dos tipos diferentes de monoscáridos que se repiten. Tienen trascendencia en una gran cantidad de organismos, adquiriendo particular importancia en la constitución estructural y funcional de la matriz extracelular. Cumplen importantes funciones de sostén junto al colágeno, la fibronectina la elastina, la laminina, interviniendo en la unión de las células para conformar tejidos y protegiendo las células individuales. Cumplen además diversas funciones biológicas, conforme su estructura. Tienen carácter ácido, y por disociarse a pH fisiológico se encuentran en estado de polianiones, lo cual los dota de particulares características funcionales.

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Estos polisacáridos están conformados por cadenas lineales de disacáridos heterogéneos. Su nombre anterior, mucopolisacáridos (por su alta presencia en secreciones mucosas a las que dotaban de sus principales propiedades), dió origen al nombre de enfermedades asociadas a estas moléculas: Mucopolisacaridosis. Actualmente reconocidos como Glicosamin glicanos (GAG), sus heterodisacáridos sillares están formados por:

• Un ácido urónico (oxidado en 6) • Una hexosamina (sulfatada o no) De acuerdo a la composición del disacárido fundamental, se obtienen los diferentes GAGs. Téngase en cuenta que mientras en los Homopolisacáridos se repetía un monosacárido, en el caso de los Heteropolisacáridos, por propia definición repite unidades disacáridas heterogéneas (un amino azúcar con un ácido urónico). Por otra parte, las uniones dentro del disacárido, puede no ser la misma que la que se utiliza en la unión disacáridos.

UNIDAD DISACÁRIDA Aquí se ve un ejemplo de unidad disacárida formada por un ácido urónico (a la izquierda) y una hexosamina (a la derecha). El enlace entre ellos es beta 1-3

ACIDO

ENLACE

URÓNICO •

D – GLUCURÓNICO

AMINA

HEXOSAMINA β

• D – GLUCOSAMINA • D- GALACTOSAMINA

•

L- IDURÓNICO

13

• N-ACETIL GLUCOSAMINA • N- ACETIL GALACTOSAMINA

SULFATADOS

SULFATADOS

ACETILADOS

Del C4 del ácido urónico sale un enlace hacia el disacárido de la izquierda, y de la hexosamina sale un enlace desde su carbono 1, hacia el disacárido siguiente de la derecha.

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Mencionaremos aquellos de mayor importancia biológica:

(1) Ácido Hialurónico (2) Condroitina y condroitin sulfato (3) Dermatan Sulfato (4) Queratan Sulfato (5) Heparina (6) Heparan Sulfato (1). ACIDO HIALURONICO Es el GAG de mayor masa molecular. Está formado por una sucesión lineal de 25.000 a 50.000 unidades disacáridas. El ácido presente es el D-Glucurónico, y la aminohexosa es la N-Acetil-D- Glucosamina, unidas por enlaces (β) 1 del ácido 3 del amino. Los enlaces entre disacáridos son (β) 1 del amino 4 del ácido Se encuentra presente como lubricante en el líquido sinovial y en el humor vítreo. Tiene gran capacidad para fijar agua, y es sensible a la acción de la enzima hialuronidasa. Ésta está presente en algunas bacterias y en el esperma, para hidrolizar GAGs de la cubierta del óvulo. Una función de mucho interés radica en que facilita la fijación de factores de crecimiento de los tejidos. (2). CONDROITINA Y CONDROITIN SULFATO Estructuralmente es muy semejante al ácido hialurónico. Sólo cambia en su unidad estructural a la N-acetil- Glucosamina por Galactosamina, siendo las posiciones de enlace exactamente las mismas. Se encuentra presente en tejido conjuntivo. Contribuye en las características ténsil y elástica en cartílagos, tendones y paredes vasculares. Cuando la Condroitina se sulfata, adquiere gran cantidad de cargas negativas, lo cual atrae agua con intensidad. Además, al cargarse negativamente, se une a cationes como Ca ++ y Mg++, por lo que muestra una alta presencia en tejidos óseos. Cuando la condroitina se sulfata lo hace sobre la N- acetil- galactosamina. Adquiere así nuevas y diversas características: La presencia de sulfato en C4 originará Condroitin A y en C6 originará Condroitín C. No aparecen libres, sino unidos covalentemente a proteínas conformando proteoglicanos. (3). DERMATAN SULFATO Tiene una presencia prevalente en piel y vasos sanguíneos y válvulas cardíacas. Está relacionado con alteraciones vasculares y hemostáticas. Se diferencia del condroitín sulfato en que reemplaza en su unidad disacárida al ácido D- glucurónico por L- idurónico. Éste es su epímero en 5. Los grupos sulfato se unen a C4 de la hexosamina o al C2 del ácido. También se encuentran unidos a proteínas bajo la denominación de Proteoglicanos.

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(4). QUERATAN SULFATO Como su nombre induce, se encuentra presente en cabellos, uñas, piel y cartílagos. Cuando varía su estructura, su lugar de acción puede ser diferente, como cuando se integra a la estructura de la córnea. Siempre lo hacen en enlazados con proteínas. La estructura molecular es muy particular ya que carece de ácido urónico (que es reemplazado por galactosa), lo cual constituye una excepción de la definición para este grupo. (5). HEPARINA Es la única integrante del grupo que tiene localización intracelular. Es un anticoagulante natural, producido por los mastocitos, que inhibe la coagulación de la sangre al estimular la actividad de la antitrombina al generar modificaciones estructurales que facilitan su unión con coagulantes activos. Es abundante en hígado, pulmón y músculo, aunque su presencia orgánica y tisular es general. Tiene una alta densidad de cargas negativas, lo que favorece sus interacciones con numerosas moléculas orgánicas. Su estructura unitaria está conformada por ácido Idurónico (aunque en menor proporción también existe glucurónico) unido a glucosamina por enlaces (β) 14. Los grupos amina u ácidos pueden estar sulfatados (en C2 y C6 respectivamente) y presentar grupos acetilo. (6). HEPARAN SULFATO Presenta una estructura similar a la Heparina, aunque se encuentra más sulfatada. La relación ácido idurónico/ ácido glucurónico es menor que en el caso de la heparina. Interviene activamente en procesos de la matriz celular, adhesión intercelular y regulación enzimática. MOLÉCULAS CONJUGADAS Las moléculas de importancia biológica están diferenciadas en glúcidos, lípidos, proteínas, de acuerdo con una clasificación basada en particularidades físico-químicas y biológicas, pero en realidad todas trabajan articuladamente en función de una matriz general. Es frecuente encontrar estructuras de diferentes grupos relacionadas entre sí. Podemos hallar formas conjugadas, en las cuales las moléculas de un grupo se encuentran conjugadas con las de otro grupo biológico. Por ello es frecuente encontrar glúcidos asociados a proteínas y a lípidos GLUCIDOS CONJUGADOS Si bien lo observado en las propiedades de los compuestos considerados abarcaban funciones de plásticas y de sostén, o de reserva energética, al asoci arse mediante enlaces covalentes con lípidos o proteínas, adquieren otras funcionalidades principales como las de señalización e interacciones metabólicas. Las glicoproteínas y glicolípidos participan de los caminos del metabolismo intermediario, cumpliendo funciones primordiales para el mantenimiento de las funciones biológicas del hombre. Glicoproteínas Las glicoproteínas están formadas por una fracción mayoritaria de proteínas unidas covalentemente a uno o varios oligosacáridos. Es común su presencia en sangre, en la matriz extracelular y en la superficie externa de la membrana plasmática. Se sintetizan en los ribosomas y por el retículo endoplásmico se alojan en Golgi. La diversidad de glúcidos que presentan en su estructura permite una mayor diversidad de señalización celular. Esto origina un código glucídico que se encuentra actualmente en profundo desarrollo. Las lectinas son proteínas capaces de reconocer motivos específicos de las glicoproteínas. El carbono anomérico de los glúcidos se unen mayoritariamente por enlaces O- glucosídicos a serina y treonina, y en mucha menor escala enlaces N-glicosídico hacia residuos de Asparagina. Proteoglicanos (Pgl) Los proteoglucanos son moléculas en las que su parte prostética está formada por glicosaminglicanos, GAG. El porcentaje en masa de la los glicosaminglicanos es muy superior a las de las proteínas, dominando estructuralmente y ofreciendo el mayor sitio de actividad biológica de esta asociación molecular. A pesar de la frecuencia con que se asocian proteínas y glúcidos, se han descripto alrededor de treinta moléculas de Pgl29. 29

Lehninger. Principles of Biochemistry. Fourth Ed. Pag.256.

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Los enlaces covalentes entre el glúcido y la proteína o la superficie celular se establece por enlaces glicosídicos de Nitrógeno (de queratan sulfato a los aminoácidos aspártico o glutámico/asparagina) u Oxígeno (de condroitin sulfato al dipéptido Serina- Glicina) Los proteoglucanos. Existe un core de proteínas a las que se unen moléculas de GAG. En el cartílago el proteoglicano cumple funciones de resistencia y flexibilidad. Su elevada carga negativa favorece la atracción de agua y en consecuencia la regulación de la flexibilidad y resistencia. Las bacterias poseen una pared celular que les da resistencia y protección. Mientras las bacterias gram positivas poseen una pared gruesa, las gram negativas poseen una pared diez veces más fina, formada por peptidoglucano encerrado entre dos capas lipídicas. Este diferente entrecruzamiento permite que las gram positivas tomen el colorante de yodo mientras que las negativas no lo retienen. Los glicolípidos serán tratados en el capítulo correspondiente de lípidos. Mucopolisacaridosis Las Mucopolisacaridosis, son enfermedades hereditarias poco frecuentes originadas en la falta o alteración de enzimas que intervienen en el catabolismo de los GAG. Como consecuencia se producen acúmulos que afectan al aparato locomotor, con deformidades esqueléticas y al SNC, con déficit mental y muerte prematura. De acuerdo con la enzima deficitaria se mencionan: Síndrome de Hunter: Déficit de iduronato sulfatasa, que lleva al acúmulo de heparán y dermatán sulfato Síndrome de Hurler-Schei: la enzima afectada es la iduronidasa, lo que produce acúmulo de los mismos metabolitos. Síndrome de Sanfilippo, acumula heparán sulfato por diversos caminos metabólicos

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Lipidos La segunda gran familia de sustancias de importancia biológica que trataremos es el correspondiente a las grasas o lípidos. Este es un grupo muy amplio y heterogéneo de compuestos que se encuentran abarcados en base a características físicas. Efectivamente, mientras la definición de glúcidos se basa en la presencia de grupos funcionales (Carbonilo y poli hidroxilo), las grasas se agrupan en función de una característica física general dominante: su insolubilidad en agua y concomitante solubilidad en solventes orgánicos (no acuosos). La razón de la baja o nula hidrosolubilidad tiene su fundamento en la carencia de polaridad que denotan sus moléculas. Se dice entonces que son compuestos hidrofóbicos o de elevada hidrofobicidad. Es por ello que la heterogeneidad del grupo es muy grande, ya que muchas pueden ser las estructuras químicas que exhiban baja polaridad, y que no es privativa de unos pocos grupos químicos, sino de una gran diversidad de ellos. Esta realidad físico-química ha llevado a que existan varios sistemas de clasificación de los lípidos: por su complejidad, por sus grupos funcionales, por sus funciones, etc. Nuestra descripción abarcará a los lípidos simples, complejos y combinados, de mayor importancia conceptual y práctica para nuestro enfoque, pero no haciendo hincapié en los subgrupos, sino en sus estructuras y funciones. Aquí quedarán abarcadas sustancias liposolubles, de elevado peso molecular, formadas por esqueletos de Carbono con Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo y Azufre como principales componentes. Características En razón de la alta diversidad estructural de las sustancias agrupadas en este capítulo, es que podemos afirmar que los lípidos cumplen un amplio rango funcional vinculado con las actividades biológicas que desempeñan en la célula. Es así que se identifican funciones estructurales y de protección, energéticas, hormonales, vitamínicas, proinflamatorias y homeostáticas entre otras. Función estructural Ciertos lípidos conforman membranas celulares y componen la estructura de organelas celulares. Por otra parte, otros cumplen funciones de protección mecánica en células y organismos animales. La variabilidad que presentan les permite ejercer funciones de señalización, reconocimiento, y antigenicidad entre otras. Energética y de reserva Ciertos lípidos tienen como función preponderante aportar energía al organismo cuando es requerida por éste. Se fundamenta en que los lípidos son buenos generadores de energía, mejor que otros compuestos biológicos. Efectivamente el rendimiento calórico es mayor que el de glúcidos y proteínas (9 Kcal/gr. de los lípidos vs. 4 en azúcares y proteínas). A pesar que los lípidos son inmiscibles en agua y que en el organismo el incremento de lípidos produce desplazamiento de agua, metabólicamente son importantes como generadores de agua metabólica. Su metabolización aeróbica (la anaeróbica no se da en este grupo) termina en agua, principio aprovechable como reserva o acumulo de energía de largo plazo. En ciertos animales es frecuente encontrar que la grasa parda produce más energía calórica que química. Se acumulan donde es necesario responder a demandas energéticas a la vez que rodean órganos a los que protegen mecánica y térmicamente.

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Hormonales Cierto tipo de hormonas están formadas por moléculas lipídicas. La interrelación entre diferentes órganos, como la respuesta a señales externas, queda establecida a través de la acción que realizan algunas estructuras lipídicas, en estas redes hormonales. Vitamínicas De la misma manera que lo expresado para las hormonas, ciertas vitaminas, que como tales no se sintetizan en el organismo, requieren de su aporte exógeno, para cumplir funciones catalíticas. Las vitaminas liposolubles conforman un grupo cuya estructura química es lipídica. Intermediarios proinflamatorios y hemostáticas Algunos compuestos lipídicos muestran funciones proinflamatorias, y hemostáticas como las prostaglandinas y el tromboxano, respectivamente. Saponificación Algunas grasas tienen capacidad de formar jabones, al comportarse como sales orgánicas. Son aquellos lípidos que por poseer función carboxilo son capaces de reaccionar con cationes básicos (como sodio, potasio) para conformar dichas sales orgánicas. Esta propiedad es utilizada con fundamento pedagógico para establecer un criterio de clasificación de sustancias lipídicas. En el ejemplo de abajo se ve como el catión ocupa el lugar del hidrógeno carboxílico, lo que transforma al ácido graso en sal orgánica, en general denominadas jabones. CH3-(CH2) n COOH + Ácido

K(OH) 

CH3-(CH2)n COO K + H (OH)

base de potasio

sal de potasio

agua

Pasaremos ahora a introducirnos en los lípidos de mayor importancia biológica para nuestro campo de estudio. Nuestros grupos de análisis serán los siguientes: I.

ÁCIDOS GRASOS - EICOSANOIDES

II.

TERPENOS

III.

ESTEROIDES

IV.

ACILGLICERIDOS

V.

FOSFOGLICERIDOS

VI.

CERAS

VII.

ESFIGOLIPIDOS

VIII.

GLICOLIPIDOS

IX.

LIPOPROTEINAS

I.

ACIDOS GRASOS

Cuando estudiamos las sustancias ácidas vimos que Brönsted y Lowry definieron como ácido a toda sustancia que frente a otra, fuera capaz de donar uno o más protones (H+). En medio acuoso se solvatan, obteniéndose la molécula ácida Hidronio: H 3 O+. En el caso de los lípidos por no interaccionar en medios acuosos, esta solvatación no tendrá lugar, y el protón pasará a otra estructura sin sufrir dicha solvatación; entre los ácidos inorgánicos mencionamos casos como los del clorhídrico, perclórico, sulfhídrico, sulfúrico, carbónico, nítrico y fosfórico entre

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otros muy conocidos. En el caso de los ácidos orgánicos mencionamos que era necesaria la presencia del grupo funcional carboxilo (- COOH), del cual se desprendía el protón para cumplir su función ácida. Ejemplos de estos eran el ácido acético, butírico, etc. Como el grupo carboxilo le confiere a la molécula propiedades polares, los ácidos orgánicos de un bajo número de carbonos, mostrarán cierta hidrosolubilidad, la que se irá perdiendo paulatinamente a medida que se incrementa el número de carbonos, y con ello el carácter apolar de la molécula. En cierto punto, la preeminencia carbonada dotará de hidrofobicidad al ácido graso. Los ácidos grasos pueden ser de cadena corta representados por el etanoico, y el butanoico. Los de cadena media son el hexanoico, octanoico y decanoico. Pero los que verdaderamente interesarán a nuestro estudio son los de cadena larga, a partir del compuesto de 12 carbonos. Por su tendencia a esterificarse, se encuentra libre en bajas concentraciones. 12 C : CH3 ( CH 2)10 COOH : Ácido Láurico (dodecanoico)

14C : CH3 ( CH 2)12 COOH : Ácido Mirístico (tetradecanoico)

16 C : CH3 ( CH 2)14 COOH : Ácido Palmítico (Hexadecanoico)

18 C : CH3 ( CH 2)16 COOH : Ácido Esteárico (Octadecanoico)

20 C : CH3 ( CH 2)18 COOH : Ácido Araquídico (Eicosanoico) Como podrá notarse, en todos los casos estamos mencionando moléculas con un número par de átomos de carbono. Ello obedece a que los ácidos grasos activos son los de carbonos en número par, ya que ellos son sintetizados a partir de dos moléculas idénticas, y entonces cualquier resultado será un número par de carbonos. El grupo enunciado anteriormente se caracteriza por mostrar exclusivamente enlaces simples entre carbonos, por lo cual se encuadran en el grupo de los ácidos grasos saturados. Muchos otros ácidos grasos presentan uno o más dobles enlaces, conformando el grupo de ácidos grasos insaturados o etilénicos. La aparición del doble enlace dota a las moléculas de nuevas características que las diferencian de sus homólogos saturados. Algunos ácidos tendrán un doble enlace, mientras que otros exhibirán dos dobles enlaces, tres o más. Cada uno de ellos se integran al grupo de los ácidos di , tri o polietilénicos. La posición del doble enlace tiene importancia

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para generar isómeros de posición, por lo cual resulta necesario utilizar un número que especifique la ubicación del primer carbono del doble enlace, contado desde el grupo carboxilo. Por ejemplo: CH3 - ( CH 2)7 - CH = CH - ( CH 2)7 - COOH

Monoetilénico: OLEICO : Un doble enlace (C9)

CH3 - ( CH 2)4 - CH = CH - CH 2 - CH = CH - ( CH 2)7 - COOH

Dietilénico: LINOLEICO : Dos dobles enlaces (en C9 y en C12)

CH3 - CH 2 - CH = CH - CH 2 - CH = CH - CH 2 - CH = CH - ( CH 2)7 - COOH

Trietilénico: LINOLENICO : Tres dobles enlaces (en C9, en C12 y en C15)

CH3 - ( CH 2)4 - CH = CH - CH 2 - CH = CH - CH 2 - CH = CH - CH 2 - CH = CH - ( CH 2)3 - COOH

Polietilénico: ARAQUIDONICO : Cuatro dobles enlaces (en C5, en C8, en C11 y en C14)

La posición de la doble ligadura se indica con una letra griega delta mayúscula y como superíndices se colocan las posiciones de los dobles enlaces, separados por comas. Otra manera de nombrarlos, es en lugar de comenzar a contar desde el extremo mas oxidado (carboxilo) como indica la IUPAC, se comienza a contar desde el metilo del carbono opuesto. Y si el carbono carboxílico es alfa, α, el último se identifica con la última letra griega omega, El número que acompaña a ω, indica el número de carbono donde está la primer doble ligadura contando desde el metilo. Actualmente esta nomenclatura es muy usualmente utilizada tanto en el ámbito nutricional y médico, como así por los medios de comunicación y divulgación. En base a lo expuesto, la correspondencia para el caso de los ejemplos anteriores, se especifican de la siguiente manera:

Ácido Graso

OLEICO : Un doble enlace (C9) LINOLEICO : Dos dobles enlaces (en C9 y

Delta

Omega

∆ ∆9 ∆9,12

ϖ ϖ9 ϖ6

∆9,12,15

ϖ3

∆5,8,11,14

ϖ6

en C12) LINOLENICO : Tres dobles enlaces (en C9, en C12 y en C15) ARAQUIDONICO : Cuatro dobles enlaces (en C5, en C8, en C11 y en C14)

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Podemos observar en el cuadro, que el ácido oleico, muy común en aceites vegetales, como el aceite de oliva, del que deriva su nombre, corresponde a la serie de aceites de los omega- 9. El linolénico, pertenece a la serie de los ácidos grasos omega 3, presente en el lino, que son muy recomendados actualmente como protectores cardiovasculares, en presentaciones de venta libre, como el aceite de chía, el aceite de pescado y el aceite de Krill. Por otra parte, observamos que tanto el ácido araquidónico como el linoleico pertenecen a la serie omega-6. Estos se encuentran presentes en aceites refinados como el de girasol y de maíz. El aumento de ácidos grasos omega 6, parecen estar relacionados con obesidad, diabetes y síntesis de sustancias proinflamatorias. Pero no se trata de reducir al máximo la cantidad de omegas 6, sino que se debe propender mantener la relación entre ellos que resulte más favorable para la salud. No todos los ácidos grasos son sintetizados en el hombre. Por ello, es necesario que estos ácidos grasos esenciales sean provistos por la dieta. Por ejemplo el linoleico de la familia omega 6 y el linolénico de la familia omega 3, se incorporan a través de los alimentos, desde fuentes vegetales o de animales como en el caso del ácido araquidónico. El organismo no puede sintetizar ácidos grasos poliinsaturados. Además, no todos los ácidos grasos tienen funciones biológicas específicas. Recuérdese que cuando tratamos el tema de monosacáridos se expresó que los más activos, con muy pocas excepciones correspondían a los monosacáridos de la Serie D, ya que la serie L no presentaban interacciones biológicas reconocidas. En el caso de los ácidos grasos, la existencia de dobles enlaces promueve la posibilidad de adquirir dos formas diferentes a esa misma molécula: Los isómeros Cis y los Isómeros trans. Los isómeros Cis, son los que muestran actividad biológica favorable. Si observamos el ácido oleico, notamos que este adquiere las dos formas predichas: cis y trans. La forma cis corresponde al aceite oleico como lo reconocemos, mientras que su forma trans, el ácido elaídico, no se encuentra en el organismo humano. Pueden ser diferenciables por su temperatura de fusión, que resultan en general menores en las formas trans que en las respectivas cis.

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Propiedades de los ácidos grasos: Son moléculas anfipáticas, ya que presentan una zona polar, que radica en el extremo carboxilo, y una zona no polar que corresponde a la cadena carbonada. Cuanto más grande sea la cadena, presentarán mayor hidrofobicidad. En general son lineales pero se pueden encontrar algunos ramificados, otros de cadenas con un número de carbonos impar y otros que presentan ciclos o triples enlaces, aunque no sean los más comunes.

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La situación anfipática hace que en lugares donde existe el agua, y que en el organismo es la sustancia preponderante, las moléculas se deben ordenar de manera tal que sus cabezas polares se orienten hacia el agua y sus extremos hidrofóbicos tiendan a alejarse del agua, generando una asociación con sus vecinas, para generar una zona no polar hacia el cual orientar sus extremos apolares. Los diez primeros ácidos son líquidos a 20°C, Los ácidos grasos superiores son sólidos y sus puntos de fusión crecen con el número de átomos de carbono. A igual número de carbonos, los ácidos grasos saturados presentan mayor punto de fusión que los insaturados. Estos tendrán mayor punto de fusión que sus homólogos insaturados. Ácido Esteárico ; C18:0 / PF= 69,6 °C Ácido Oleico ; C18:1 / PF= 13,4 °C Ácido Linoleico ; C18:2 / PF= -5 °C Ácido Linolénico ; C18:3 / PF= -11 °C El grado de insaturación de un lípido puede ser medido por el Índice de Iodo, que evidencia la cantidad de dobles enlaces de acuerdo a la incorporación de Iodo por adición a los dobles enlaces. Los insaturados pueden transformarse en saturados por adición catalítica de hidrógeno. La incorporación de Oxígenos en las dobles ligaduras puede generar epóxidos, que son un índice de la rancidez de las grasas. Abajo puede observarse como a través de la rotura del segundo enlace se produce la adición de H, I y O.

-

CH == C -

+

H2 

H H – CH – CH –

I2

I I – CH – CH –

1/2

O2 

O – CH – CH –

Eicosanoides Los eicosanoides son moléculas derivadas de ácidos grasos de cadenas insaturadas de 20 carbonos (eicosa=20). Por ello el Ácido araquidónico se constituye en la molécula central de las que derivan los compuestos que integran el grupo.

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Ácido Araquidónico De acuerdo con la disposición que adquieran esos 20 átomos de carbono, la conformación de uno o más ciclos y la posición y disposición poliénica en la cadena determinarán variantes con funcionalidades biológicas muy amplias. Estas moléculas se clasifican en tres grupos: Prostanoides, Leucotrienos y Lipoxinas. Se ha verificado que estas moléculas tienen más de un receptor, los que les permiten ejercer acciones contrapuestas, conforme el receptor con el que interactúen. a) Prostanoides Su nombre se originó cuando al descubrirse estas sustancias se pensó que se originaban en la próstata30. Sin embargo, los prostanoides abarcan un grupo de sustancias con muy diversas y a veces contrapuestas funciones. En este grupo están las prostaglandinas, que cumplen funciones como mediadores tisulares locales. Poseen un ciclopentano central, generado por la ciclación de la cadena de 20 C. Abarca a las prostaglandinas, las prostaciclinas y al tromboxano. Prostaglandinas (PG): Son moléculas de 20 átomos de Carbono que contienen un ciclopentano central. Son hormonas locales que se encuentran en todo el organismo, cumpliendo variadas funciones. Existen hasta el momento 9 receptores de prostaglandinas que han sido identificados. La misma prostaglandina puede producir un efecto sobre un receptor y el contrario al actuar sobre otro.

Cada grupo de PG proviene de un eicosanoide particular, lo que produce diferencias en sus dobles enlaces o ciclos. Así la PGE2 produce contracción del músculo liso sobre el receptor EP1 y dilatación sobre el EP2. Una simple modificación estructural origina una diferencia de funciones. La PG E2 posee un =O en C9, mientras la PG F, en esa posición tiene un oxhidrilo. La PGE2 se diferencia de la uno en que aquella posee un doble enlace en 5. Las funciones autócrinas y parácrinas31 de las PGs abarcan acciones sobre los bronquios, útero, paredes del estómago, plaquetas y otras funciones sobre la lipólisis y la inflamación. Los macrófagos y monocitos segregan gran cantidad de PGE2 como respuesta a lipopolisacáridos bacterianos y mediadores de la inflamación.

30 En algún momento se inquirió acerca de dónde se originaban en la mujer. 31 Son moléculas que actúan sobre la célula que las produce o sobre el tejido cercano, respectivamente.

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Prostaciclina (PGI): En algunas clasificaciones se la engloba con las prostaglandinas (PGI2). Tiene acción broncodilatadora, es vasodilatador e induce hipotensión. Cuando se une al Receptor IP (acoplado a proteína G), incrementa el flujo sanguíneo local, con eritema y edema y estimula las terminaciones nerviosas generando dolor y en consecuencia los eventos inflamatorios. Es un importante inhibidor de la agregación plaquetaria, facilitando el sangrado.

Tromboxano. Presentan un grupo oxano (pág. 49), es decir un puente oxígeno sobre el ciclopentano. Se origina por acción de la ciclooxigenasa sobre el ácido araquidónico. Es el mayor agregante plaquetario, y vasoconstrictor potente, cuya acción favorece la hemostasia. En ese sentido se opone a la ya vista Prostaciclina, que actuaba como inhibidor de la agregación.

b) Leucotrienos (LT) El nombre de los integrantes de este grupo proviene de su origen leucocitario (leuco) y de presentar sus miembros tres enlaces doble (tri – eno). Provienen del ácido araquidónico por acción de la enzima lipo-oxigenasa. Favorecen la inflamación aumentando la permeabilidad vascular. Su potente acción estimulante del músculo liso, la incrimina en los procesos asmáticos.

c)Lipoxinas (LP) Este es el único conjunto de los eicosanoides que es inhibidor de la inflamación, disminuyendo la quimiotaxis de los neutrófilos. Así como el tromboxano es autoregulado por las prostaciclinas, las lipoxinas se oponen a la acción de los leucotrienos.

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Bioquímica

«Lipoxin B4» de Fvasconcellos 22:25, 2 November 2007 (UTC) - Own work, after KEGG entry C06315.. Disponible bajo la licencia Dominio público vía Wikimedia Commons - http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lipoxin_B4.svg#mediaviewer/File:Lipoxin_B4.sv

TERPENOS Los terpenos son productos naturales, que por su contenido de anillos, aislados y condensados, se encuentran muy relacionados con los cicloalcanos. También observan un elevado contenido de dobles enlaces, favoreciendo procesos de resonancia y movilidad electrónica. Los terpenos se encuentran en una gran cantidad de especies vegetales, a las cuales identifican con algunas de sus características aromáticas. Se encuentran como aceites esenciales. Por ejemplo el a pineno se encuentra en la esencia de pino y al guaiazuleno en el aceite de geranio. Si bien los terpenos fueron inicialmente aislados e identificados a partir de la trementina, obtenido de una mezcla de hidrocarburos de C10H16, con posteridad fue generalizándose el nombre a los compuestos oxigenados de origen vegetal insaturados y/o cíclicos. Todos los terpenos derivan de un monómero denominado isopreno: Químicamente se define como isopreno al 2 metil, butadieno 1,3.

CH3 l CH2 = C – CH= CH2

Esta unidad se identifica con la fórmula general (C5 H8)n La clasificación de los terpenos se basa en la cantidad de unidades de isopreno que los constituye; Debe tenerse en cuenta que las unidades de isopreno se pueden unir cola – cola, cola- cabeza y cabeza-cabeza, lo que aumenta exponencialmente la posibilidades de encontrar variantes químicas sobre la misma composición. Téngase presente también que cada unidad puede tener dobles enlace o ciclos en distinta proporción. Por otra parte tanto los ciclos como los dobles enlaces pueden originar sobre cada uno de ellos alternativas geométricas cis/cis; cis /trans o trans/trans. Así encontramos una gran variedad de terpenos, de los que nombraremos por su interés para nuestro estudio: Monoterpenos: tienen dos unidades de isopreno; su fórmula molecular es C10H16; nótese que el alcano correspondiente es C10 H22. ¿Por qué hay 6 átomos de carbonomenos? Por los dobles enlaces o anillos que contengan. Por ello podrán ser: Acíclicos con tres enlaces dobles: Geraniol Monocíclicos con 2 enlaces dobles: Mentona Bicíclicos con un enlace doble: Pinano

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Tricíclicos sin dobles enlaces: Tricicleno Sesquiterpenos: tienen tres unidades de isopreno, es decir que su fórmula es C15 H24 . En este grupo destacamos al farnesol, terpeno acíclico que origina escualeno. Diterpenos: tienen cuatro unidades de isopreno, es decir que su fórmula es C20 H32. A los efectos de nuestro interés, el diterpeno monocíclico más importante es la Vitamina A, presente en aceites de hígado de pescado. Es una vitamina liposoluble, indispensable para el correcto funcionamiento del organismo, resistencia a las infecciones y mantenimiento de la visión. Su precursor es el β caroteno. Otro diterpeno importante es el fitol, alcohol que se encuentra esterificado en las plantas con clorofila. Triterpenos: tienen seis unidades de isopreno. Aquí el escualeno C30 H50, acíclico, proveniente del aceite de hígado de los peces escuálidos, como el tiburón, tiene importancia práctica por ser un precursor del colesterol. Su estructura es toda trans. Sus miembros en general son tetra y pentacíclicos. Tetraterpenos: Contiene a los carotenos, pigmentos rojizo-anaranjados presentes en los vegetales y animales, que tienen similitud entre sí. El licopeno es acíclico, de color rojo se encuentra en el tomate y la sandía. Dentro de los tetracarotenos (ocho unidades de isopreno), bicíclicos, los representantes más significativos son los carotenos α y β, mientras que el gamma(γ) es monocíclico. Otros derivados de este grupo son las xantinas. Los carotenos son precursores de las vitaminas A, E y K. La vitamina A (Retinol) se encuentra en alimentos de origen animal. En los vegetales está como β caroteno. Su oxidación da retinal y posteriormente retinoico. Tiene uso en dermatología. El retinal forma parte del proceso de isomerización de los bastones en la retina. La Vitamina E (Tocoferol), tiene diversas estructuras. La forma abundante es el α Tocoferol. El efecto más claro de los tocoferoles es su acción antioxidante. Su oxidación produce efecto protector sobre estructuras poliinsaturadas, como en las membranas celulares. La Vitamina K tiene un ciclo naftoquinona, con isoprenos laterales. La vitamina K ejerce su acción sobre proteínas de la coagulación, como la protrombina. Con la intervención del calcio, su acción se correlaciona con los fosfolípidos plaquetarios. La forma K2 la produce la flora bacteriana, por lo cual su déficit puede estar asociado al uso crónico de antibioticoterapia. Es importante nombrar a la Coenzima Q10, que interviene en la cadena respiratoria. Se trata de un penta terpeno, es decir formado por 10 unidades de isopreno. ESTEROIDES Los esteroides conforman un grupo complejo y polifuncional, estructuralmente constituidos un grupo ciclopentanoperhidrofenantreno (CPPHF), también llamado esterano32, o gonano.

Esterano o Gonano o CPPHF :Esta constituido por el fenantreno (pag. 49) y el ciclopentano (pag, 45). Tiene 17 carbonos en total. 32

Es muy importante tener en claro la numeración de éste núcleo ya que es fundamental para identificar correctamente los sustituyentes que originan moléculas derivadas de él.

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Bioquímica

Este núcleo conformado por el CPPHF posee 17 carbonos y puede adquirir diferentes estructuras conformacionales: silla o bote (pág. 80). Además se debe tener en cuenta la isomería cis/trans que se origina en presencia de dobles enlaces o ciclos por lo cual tiene importancia si los anillos se ordenan en posición cis o trans. Por otra parte, la existencia de Carbonos asimétricos incide sobre la disposición que se adopta y en consecuencia la posibilidad de originar nuevas sustancias isómeras. Además, los sustituyentes originan nuevas moléculas. Los C3, C10, C13 y C17, muestran mayor proclividad a adquirirlos. La nomenclatura del ciclo utiliza la partícula “perhidro”, es decir que tiene la máxima cantidad de hidrógenos que les permite la estructura carbonada, es decir simples enlaces para conformar un compuesto totalmente saturado. Por ello, la aparición de dobles enlaces (insaturación) es otro elemento estructural, capaz de originar nuevas variantes. La estructura del esterano más común en los Esteroides muestra: Isomería geométrica: Los Ciclos B-C y C-D están entre sí en posición trans, mientras que los ciclos A-B pueden adquirir ambas disposiciones. Carbonos asimétricos: son los que comparten ciclos, lo que los hace quirales: 5, 8, 9, 10, 13 y 14. Los sustituyentes que estén por encima del plano se dice que están en CIS o b. Por debajo del plano, será TRANS oα Los sustituyentes de carbonos 10 y 13 están siempre en CIS. Se dibujan con líneas enteras. Colesterol Es el primer esteroide que describimos. Su importancia fisiolpatológica no está en duda y se le presta especial atención como determinante de salud. Recordemos el triterpeno escualeno (C30H50), ya que es un precursor del colesterol. Se relacionan así los terpenos con los esteroides.

Sus particularidades estructurales son: Anillos A/B, B/C y C/D están en trans Posee 27 carbonos. De los 17 originales del esterano, se agregan dos metilos en C10 y 13; que pasan a numerarse como 19 y 18 respectivamente. En carbono 17 se agregan 8 carbonos en una cadena de seis carbonos con dos metilos en 20 y 25. Es un esterol por poseer un –OH en C3, lo que puede generar epímeros en esta posición Muestra un doble enlace en C5 Puede formar ésteres en posición 3 al reaccionar el –OH con ácidos grasos. Estos ésteres tienen gran poder aterogénico.

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Los ésteres de Colesterol son altamente hidrofóbicos, ya que perdieron el único grupo capaz de generar puente hidrógeno. También puede formar éteres con otros alcoholes El doble enlace se puede saturar u oxidar Mezclado con otras grasas se torna emulsionable, adquiriendo la capacidad de absorber agua para formar emulsiones A nivel biológico muestra una extraordinaria presencia en las membranas celulares eucariotas. Por otra parte es un componente fundamental de las vainas de mielina en los nervios. Esto se basa en el bajo carácter dieléctrico que posee, lo que le permite actuar como un eficaz aislante de la conducción nerviosa. A partir del colesterol se sintetizan ácidos biliares y todas las hormonas esteroideas. Es también un precursor de la Vitamina D, la única de las vitaminas liposolubles que es esteroidea. Recordemos que las otras (Provitamina A, Vitamina A, E y K) son terpénicas. El colesterol es aportado en la dieta por los alimentos de origen animal y endógenamente es sintetizado en el hígado. Ácidos Biliares Los ácidos biliares poseen un núcleo colano de 24 C. Se originan a partir del colesterol por acortamiento de la cadena carbonada, la cual queda reducida a 5 carbonos de los cuales el carbono primario se oxida a carboxilo.

En la figura vemos el Ácido Cólico: 3α, 7 α, 12 α tri hidroxi colanoico. Se puede observar que además del –OH del C3 presente en el Colesterol se hidroxilan los C 7 y 12 en configuración α, ya que están por debajo del plano. El otro ácido biliar primario es el producido por la deshidroxilación del C12: Ácido quenodesoxicólico (3α, 7 α di hidroxi colanoico) El -OH de C7 es importante ya que sufre su escisión por acción de las bacterias intestinales. Al actuar las bacterias, los ácidos biliares primarios pierden sus –Oh de C7 generando respectivamente: Ácido desoxicólico: 3α, 12 α di hidroxi colanoico Ácido litocólico: 3α, hidroxi colanoico

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Bioquímica

Oxhidrilos adicionados

Ácidos Biliares Primarios

Oxhidrilo sustraído

Ácido Cólico + 7 α 12 α

Ácido Desoxi Cólico

3 α 7 α 12 α trihidroxi colanoico

Colesterol

3α 12 α dihidroxi colanoico

+ 7 α

Ácidos Biliares Secundarios

Ácido Queno DesoxiCólico 3 α 7 α dihidroxi colanoico

7 α

Ácido Lito Cólico 3 α hidroxi colanoico

Se conjugan con el aminoácido taurina y la glicina, a través de enlaces amida, originados entre el carboxilo de los ácidos biliares y el grupo amino de los aminoácidos. De acuerdo con el aminoácido que se conjugue, se obtendrán los conjugados tauro o glicoderivados: Ácido biliar Ácido Cólico Ácido DesoxiCólico Ácido Queno Desoxi Cólico

Glicocola Ácido Glicocólico Ácido GlicoDesoxicólico Ácido Glico QuenoDesoxi cólico

Taurina Ácido TauroCólico Ácido Tauro Desoxi Cólico Ácido Tauro QuenoDesoxi cólico

Son ácidos débiles que se neutralizan con sodio y potasio, originando sales biliares. Los ácidos biliares sintetizados en el hígado se almacenan en la vesícula biliar. Cuando son secretados a intestino, actúan como tensioactivos emulsionantes, lo que aumenta la superficie de exposición de las grasas, apolares, y favoreciendo su exposición en un medio acuoso. Hormonas Esteroideas Derivadas del colesterol -molécula de 27 carbonos- estas hormonas esteroideas se originan por acortamiento o desaparición de la cadena lateral. Así como los ácidos biliares poseen 24 carbonos, este grupo de moléculas presentan un acortamiento mayor: 21, 19 y 18 moléculas en cada tipo hormonal. De acuerdo con su origen orgánico, se pueden subclasificar en:

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Hormonas Córtico Adrenales (Corteza Suprarrenal) De la zona glomerular De la zona fascicular De la zona reticular Hormonas Sexuales Masculinas Femeninas Las hormonas córtico adrenales se originan en la corteza de las glándulas suprarrenales, en sus diferentes zonas Las hormonas adrenales más importantes son: Los mineralocorticoides, producidos en la zona glomerular, tienen 21 Carbonos. El metabolito más importante es la Aldosterona, que tiene funciones en la regulación de la presión arterial y en manejo de los electrolitos. Actúa sobre el riñón en el tubo contorneado distal favoreciendo la reabsorción de sodio y agua y excretando potasio. También interviene en la concentración de bicarbonato participando en la regulación ácido – base. Integra el sistema Renina- Angiotensina – Aldosterona. Se encuentra disminuida en la enfermedad de Addison y aumentada en la enfermedad de Conn. El incremento de aldosterona lleva a un hiperaldosteronismo, caracterizado por hipertensión diastólica, hipopotasemia y alcalosis metabólica, con una incidencia mayor en mujeres que hombres.

Los Glucocorticoides se sintetizan en la zona fascicular. Participan de la regulación del metabolismo glucídicos. El miembro central de este grupo es el cortisol, que también posee 21 átomos de Carbono. Se caracteriza por poseer un –OH en C11. Es la hormona del stress respondiendo a éste con elevados niveles. Actúa cuando disminuye el nivel de glucemia estimulando la gluconeogénesis. Por otra parte inhibe al sistema inmune y a los procesos inflamatorios.

Los Andrógenos se generan en la zona reticular a partir del androstano, molécula de 19C. El Androstano genera andrógenos suprarrenales (Testosterona, Androstenediona, y Androsterona) aunque en el hombre la mayor producción corresponde al testículo.

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Bioquímica

Un precursor común con los estrógenos es la DehidroEpiandrosterona y su forma sulfatada.(DHEA y DHEA-S)Hormonas sexuales

Hormonas sexuales Masculinas: La molécula de androstano, es la molécula inicial a partir de la cual se sintetizan las hormonas sexuales masculinas. Pertenecen al grupo de los compuestos esteroides de 19 carbonos. La más importante es la Testosterona, sintetizada en las células de Leydig. En la mujer la testosterona es sintetizada en menor concentración en el ovario, que luego es convertida a progesterona en las células foliculares. Un metabolito importante es la Dihidro testosterona que se produce en piel.

Femeninas: poseen funciones anabolizantes y determinan los caracteres sexuales secundarios en la mujer. Ya se ha mencionado a la testosterona, hormona típicamente masculina, pero que es también producida en menores concentraciones en la mujer. Aquí definiremos dos grupos: Estrógenos y Progesterona. Los estrógenos se forman en el ovario y pertenecen al grupo de moléculas de 18 carbonos. Es un compuesto aromático por tener tres dobles enlaces en el anillo A. Su núcleo fundamental es el estrano, un derivado metilado en 18 del esterano (CPPHF). La hormona más activa es el estradiol, que presenta hidroxilación en 3 y beta 17. El estriol posee tres oxhidrilos (incorpora un –OH en alfa 16.y la estrona que posee un grupo funcional ceto por oxidación del -OH de C 17.

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Luis Simes

Los progestágenos son producidos por el cuerpo lúteo post-ovulatorio. Su núcleo general es de progestano, que posee metilos en 18 y 19, y una cola cetónica de dos carbonos en 17 (carbonos 20 y 21). La hormona de mayor importancia es la progesterona, que posee un segundo grupo ceto en C3. Es precursor de otras hormonas esteroideas; su acción es pro gestación estimulando a la mucosa uterina para favorecer la implantación. Grupo

Nombre

Origen

N° C

principal Mineralocorticoides

Aldosterona

Corteza Suprarrenal Zona glomerular

Glucocorticoides

Cortisol

21

Cortez Suprarrenal Zona Fascicular

Progestágenos

Progesterona

Cuerpo lúteo

Androstano

Corteza suprarrenal

Andrógenos

Zona Reticular Testosterona

Estrógenos

19

Testículo, Ovario

Estradiol Estriol

Ovario

18

Estrona Vitamina D Dentro de las vitaminas liposolubles, la Vitamina D es la única que presenta estructura esteroidea, aunque este tenga, a diferencia de los grupos analizados hasta aquí, abierto el anillo B. Presenta las Formas D2 (Ergocalciferol) de origen vegetal y la forma D3, (Colecalciferol). La forma activa es la que se hidroxila en C1 en el riñón y en C25 en hígado originando la forma activa 1,25 di Hidroxi- Colecalciferol. Su síntesis se produce en la piel, donde la exposición solar favorece la transformación de su precursor (7dehidrocolesterol) por la acción de los rayos UV en Vit. D3. En algunas regiones nórdicas, donde la insolación es limitada, la incidencia de hipocalcemia es mayor. Su acción, similar a la de la ParatoHormona, se ejerce sobre el

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Bioquímica

metabolismo fosfocálcico, estimulando una proteína de transporte en intestino. En riñón aumenta la reabsorción de calcio y fósforo, y en el hueso favorece la re absorción y depósito cálcicos. El incremento de Vitamina D conduce a hipercalcemia, mientras que su déficit acarrea hipocalcemia y problemas óseos.

II.

IV. ACILGLICERIDOS Los acilglicéridos integran un grupo de ésteres conformados por el polialcohol propano tri – ol (glicerol) con ácidos grasos. Los acilglicéridos pueden ser mono, di o triglicéridos según se esterifiquen uno, dos o tres ácidos grasos. En el caso que reaccione un solo ácido graso, se obtendrá un Mono Acilglicérido

CH2 – O – CO . (CH2) n - CH3 l CH.OH l CH2 OH Vemos que sólo ha reaccionado un oxhidrilo quedando dos sin reaccionar. Estos monoacilglicéridos pueden darse con cualquier ácido graso, siendo muy frecuentes los de 16 y 18 carbonos, tanto saturados como insaturados. Si n vale 14, estaremos en presencia de ac. Palmítico y el monoacilglicérido será el palmitato de glicérilo. Diacilgliceridos: En este caso reaccionan dos moléculas de ácido con una de glicerol. Por ejemplo:

CH2 – O – CO . (CH2) n - CH3 l CH.OH l CH2 . – O – CO . (CH2) n’ - CH3 Si n = 14, y n’ = 16 estaremos en presencia de 1 palmitato, 3 estearato de glicerilo, indicando que el di acil glicérido tiene un enlace éster en el carbono 3 con el ácido esteárico y en 1 con el palmítico. El Carbono 2 del glicerol, cuando los sustituyentes en c1 y c3 son diferentes, se torna quiral. En caso de que los ácidos en carbono 1 y sean iguales, el C2 no será asimétrico.

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CH2 – O – CO . (CH2) 14 - CH3 l *CH.OH l CH2 . – O – CO . (CH2) 16 - CH3 1 palmitato, 3 estearato de glicerilo

CH3 – O – CO . (CH2) 16 - CH3 l *CH.OH l CH2 . – O – CO . (CH2) 14 - CH3 1 estearato, 3 estearato de glicerilo

Estos dos casos, que podrían ser considerados idénticos, se verifica que ambos son diferentes, en razón de la estructura tetraédrica del carbono. El carbono 2 en este caso es asimétrico. Triacil Glicéridos (Triglicéridos) Estas estructuras conocidas como triglicéridos tienen gran trascendencia en la fisiología y patología humanas. El glicerol se encuentra esterificado por tres ácidos grasos. Cuando estos son iguales entre sí, los compuestos formados son homo glicéridos.

CH2 – O – CO . (CH2) n - CH3 l CH3- (CH2)n - O- C – O – C -H l CH2 – O – CO . (CH2) n´´ - CH3

n=n’=n’’  homoglicérido. Si n= 14, sería tripalmitato de glicerilo

Cuando son tres los ácidos grasos que se combinan con el glicerol, el ácido que se une al carbono 2, por razones estéricas se orienta en la dirección opuesta a los de los c1 y c3. Dado que los carbonos del glicerol tienen libertad de giro, sus sustituyentes pueden orientarse en 120°. Visto de arriba, sería:

1

2

3

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Bioquímica

En cambio si los ácidos grasos son diferentes, formarán hetero glicéridos.

CH2 – O – CO . (CH2) 12 - CH3 l CH3- (CH2)12 - O - C – O – C H l C H2 – O – CO . (CH2) 7 – CH=CH –(CH2)7 CH3 1,2 Di lauritato, 3 oleato de glicerilo

Los triglicéridos, por tratarse de estructuras eminentemente hidrofóbicas tienen comportamiento lipídico, mientras que los mono y diacil glicéridos, conforman moléculas anfipáticas por la presencia de OH libres en cadenas carbonadas. Cuanta más longitud tengan esas cadenas grasas, mayor será el punto de fusión. Para igual cantidad de carbonos, las moléculas insaturadas presentarán un punto de fusión menor que las respectivas saturadas. Dobles enlaces N° carbonos

0

1 cis

4

-4,5°C

16

63°C

32°C

18

71°C

16°C

20

76°C

1 trans

2

3

45°C

-5°C

-11°C

4

C

Grasas y aceites En la tabla puede observarse que los glicéridos saturados tienen puntos de fusión mayores que los respectivos insaturados. Por otra parte, cuanto más larga una cadena carbonada, más alto su punto de fusión. Igualmente puede observarse que los isómeros cis tienen menor punto de fusión que sus respectivos trans. Tengamos en cuenta que la diferencia entre aceite y grasa se establece por una característica física: su punto de fusión. Se considera que un aceite es todo acilglicérido que a temperatura ambiente (20°C) se encuentra en estado líquido. Por otra parte, una sustancia glicérida sólida a esa temperatura es definida como grasa. Por ello es más frecuente que los aceites sean de cadenas más cortas e insaturadas que las que conforman las grasas, sobretodo trans. Por ser los glicéridos moléculas estéricas, puede sufrir el proceso de hidrólisis que romperá esos enlaces covalentes para recuperar el glicerol y los ácidos que los conforman. Hidrólisis Acil Glicérido + n H2O

====

Glicerol + n ácidos grasos Esterificación

Muy similar al proceso de hidrólisis es la saponificación o hidrólisis alcalina (formación de jabón). Ella ocurre cuando el proceso de ruptura se realiza a través de hidróxidos de sodio o de potasio, y no de agua, lo que produce sales de ácidos grasos alcalinas más glicerol. Cuando el glicérido es insaturado, el doble enlace puede sufrir ataques químicos, tales como: Con hidrógeno se satura el doble enlace Con oxígeno se oxida, dando cetonas, aldehídos y enlaces peróxidos o epoxi. Estos son procesos conocidos como enranciamiento de las grasas 115

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Con iodo: permite calcular el índice de insaturación Deshidrogenación: los enlaces simples pueden producir dobles enlaces y estos enlaces triples por pérdida de hidrógenos Las hidrogenaciones y deshidrogenaciones pueden producir intertransformaciones grasa/aceite. Los tejidos animales tienen preponderancia de grasas saturadas de palmitato y estearato, mientras que es más común en vegetales observar la presencia de grasas insaturadas como los oleatos y linoleatos. Los triglicéridos constituyen la forma más común de acumulación de energía cuando el organismo tiene más aporte que consumo de calorías. Su exceso origina procesos cardiovasculares, con endurecimiento de arterias, obstrucciones y aterosclerosis. Las partículas más ricas en triglicéridos, como veremos en el acápite de lipoproteínas, son los quilomicrones, las partículas de menor densidad. III.

FOSFOGLICERIDOS Al igual que los acil glicéridos, estas moléculas están conformadas por enlaces estéricos entre glicerol, y ácidos grasos, aunque en este grupo se encuentra además una molécula de ácido fosfórico esterificando el –OH de carbono 3.

Ol HO -- P -- OH l OH Entonces observamos que dos oxhidrilos del glicerol se encuentran esterificados por ácidos grasos, mientras que el tercero se esterifica con ácido fosfórico; de allí se origina el nombre de fosfolípidos. La molécula básica del grupo, conformada por la esterificación de la molécula de glicerol con dos ácidos grasos y un ácido fosfórico se lo denomina ácido fosfatídico. Al igual que en los acilglicéridos, el ácido de carbono 2 del glicerol, (quiral), se encuentra hacia la izquierda, por lo que es denominado ácido L- fosfatídico.

CH3- (CH2)12

CH2 – O – CO . (CH2) 12 - CH3 l - O -- C – H I OH C H2 – O - P - OH OH L fosfatídico

A pH fisiológico, el ácido fosfórico se encuentra como fosfato. Esa carga negativa origina un grupo muy polar. Por otra parte, las cadenas carbonadas son apolares. En resumen, los fosfoglicéridos son moléculas anfipáticas, con una cabeza polar en el fosfato y una cola no polar en las cadenas carbonadas. El C2 se transforma en Carbono quiral, por lo que se pueden generar isómeros en series L o D.

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Bioquímica

Cabeza polar

Molécula Anfipátic Cola no polar

Por otra parte, uno de los oxhidrilos libres del fosfato (y en otros casos dos), pueden reaccionar con alcoholes a través de enlaces éster, para dar fosfoglicéridos. Según sea el alcohol (o amino alcohol) que se una al ácido fosfórico, se obtendrán distintos derivados. La Fosfatidil colina (Lecitina), muy abundante en la membrana celular, es fuente de colina, necesaria para la formación de acetil colina, principio colinérgico de importancia fisiológica. Además, por su acción surfactante, juega un rol esencial en las membranas pulmonares, evitando su contacto y rozamiento. El Fosfatidil inositol tiene menor presencia en la membrana, mientras que la Fosfatidil etanol amina (cefalina) y la Fosfatidilserina muestran su presencia en todos los tejidos. Hay casos de mayor complejidad, en los que un tercer glicerol es capaz de enlazarse con dos ácidos fosfatídico para originar cardiolipinas (di fosfatidil glicerol).Estas se encuentran en alta proporción en las fibras musculares cardíacas y además cumplen funciones en la mitocondria. La reacción de VDRL, utilizada para el diagnóstico de la sífilis utiliza un soporte antigénico de cardiolipinas. En otros casos se produce una reacción hemiacetálica, como en los plasmalógenos. El –OH de C1 del glicerol se enlaza al carbonilo de un aldehído graso. Veamos sus estructuras: El ácido fosfatídico se compone de glicerina con dos ácidos grasos esterificando sus C1 y C2. El C3 ha sido esterificado con ácido fosfórico ( H3PO4). A su vez, a un OH del ácido fosfórico, se une otro alcohol, formando un fosfodiéster.

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Acido graso1

1

Acido graso 2

Glicerol

2

3 Ácido fosfórico

Cola no polar

Alcohol: Serina ó Colina ó Etanolamina ó 4 Inositol

cabeza polar

Estas son típicas moléculas anfipáticas con una cabeza polar y una cola no polar. Las enzimas que hidrolizan a los fosfolípidos, son las fosfolipasas. La fosfolipasa A1 hidroliza el enlace entre C1 del glicerol y el ácido graso (1 en la figura) La fosfolipasa A2, hace lo mismo a nivel de C2 (2) y la fosfolipasa C hidroliza el enlace éster del C3 con el ácido fosfórico (3). Por otra parte, la fosfolipasa D ataca el enlace éster entre el ácido fosfórico y el alcohol ( 4).

FLA1 (1) FLA2 (2)

1 2 3

FLC (3) IV.

FLD (4)

ESFINGOLIPIDOS Estos lípidos no poseen glicerol, sino que se forman por la esterificación de un amino alcohol graso insaturado, la esfingosina, de 18 carbonos (u otros alcoholes relacionados), de los cuales proviene su nombre. La esfingosina es el 1, 3 di hidroxi, 2 amino decaocteno-4. 1

2

3

4

CH20H – CH – CH – CH=CH (CH2)12- CH3 NH2 OH ESFINGOSINA

Cuando un ácido graso se une al grupo amino de C2, por un puente covalente amido, se forma una molécula de ceramida,

118

Bioquímica 1

2

3

4

CH20H – CH – CH – CH=CH (CH2)12- CH3 NH OH R-C =O CERAMIDA

La Ceramida es la estructura fundamental de los esfingolípidos, que se clasifican en dos grupos: a) Fosfo esfingolípidos Los fosfo esfingolípidos componen estructuras en las membranas celulares. El más abundante es la esfingomielina, que tiene un fosfato esterificando el –OH de C1 de la esfingosina, y un grupo colina esterificando al fosfato. Se conforma así una molécula anfipática, de cabeza polar (fosfato y colina) y dos colas hidrofóbicas: esfingosina y ácido graso). Este es el único fosfolípido de membrana, que no posee glicerol. Es muy abundante en Sistema Nervioso, dando sus características a las vainas de mielina. Cuando varía el ácido graso, se lo encuentra en tejidos como médula Ósea e hígado. Glico esfingolípidos: en este grupo la ceramida se une a glúcidos en lugar de ácido fosfórico como en el grupo anterior. Conforme el glúcido que se integre, será el glucolípido sintetizado. Mencionamos: Cerebrósido: Ceramida unida a D-Glucosa o D-Galactosa, unido por enlace glicosídico 1-BETA Sulfátidos: Ceramida unida covalentemente a galactosa sulfato, 4 o 6. Globósidos: acompaña a la ceramida a un óligosacárido neutro Gangliósidos: a diferencia de los anteriores, intervienen oligosacáridos ácidos. Estas estructuras acetiladas se unen a diferentes glúcidos. En este grupo se destaca por su presencia y funciones metabólica y estructurales el Ácido N-Acetil Neuramínico (NANA). De acuerdo con la cantidad de ácido siálico se denominan MG, DG, TG: mono, di, trigangliósidos. Además un subíndice indica que se obtiene de 5 - n, donde n es el número de monosacáridos presentes. Por ejemplo (DG)2, indicaría la presencia de 2 NANA y tres monosacáridos. V.

CERAS Las ceras son sustancias heterogéneas, en donde se encuentras ácidos grasos esterificados por alcoholes grasos33 monohidroxílicos. Son sustancias duras, insolubles en agua, que se ablandan con la temperatura. Tienen funciones de protección en epidermis, y en exoesqueletos de insectos o frutas y hojas de muchos vegetales. Se encuentran en la carnauba, esperma de ballena, lanolina, estearina, etc.

33 Recordamos que en este libro utilizmos el término graso para referirnos a alcoholes de cadena larga (16 a 34 carbonos). 119

Luis Simes

Son otros ejemplos de ceras: N° C

Ácido

N° C

Alcohol

(16 a 30 at) 16

Palmítico

18

Esteárico

26

Cerótico

30

VI.

Melísico

Cera

( 16 a 34 át) 16

Cetílico

Palmitato de Cetilo Estearato de cetilo

20

Araquílico

Estearato de Araquilo

26

Cirílico

Cerotato de Cirilo

30

Miricílico

Cerotato de Miricilo

18

Octadecílico

Melistato de Octadecilo

LIPOPROTEINAS Hemos recalcado en numerosas oportunidades que el solvente biológico por excelencia, además de ser la sustancia más abundante del organismo humano, es el agua. Por otra parte, el estudio de los lípidos nos llevó a que la definición del grupo sede los lípidos se establecía por una realidad física, más que por los grupos funcionales, diversos, que los determinan internamente: su insolubilidad en agua. Este choque entre dos tipos de sustancias, que no se pueden disolver entre sí, y que además deben compartir estructuras y funciones, encontraba una solución a esa tensión con la formación de bicapas y micelas, es decir una resolución mecánica y física a ese conflicto. La otra posibilidad es que se formen estructuras como las anfipáticas que permitan compartir una parte de la molécula polar con los medios acuosos, y la parte no polar con los medios hidrófobos. La experiencia de los transportadores de metabolitos en sangre y tejidos, ofreció un antecedente para reconocer que las proteínas podían constituirse en los transportadores, que asociadas a los diferentes lípidos, posibilitara su transporte en medios acuosos como el sistema sanguíneo, el intersticio y el citosol. Esta asociación entre diferentes proteínas y diferentes lípidos origina las lipoproteínas. Las lipoproteínas son estructuras químicas que muestran asociación entre lípidos y proteínas con el fin de cumplimentar independientemente, sus diferentes funciones biológicas. Los primeros estudios sobre el tema demostraron que la ultracentrifugación del plasma rendía diferentes fracciones, que fueron clasificadas por su orden de densidad crecente. Las fracciones encontradas fueron: Menor de 0,96 g/ml., denominadas quilomicrones Entre 0,96 y 1,006: Lipoproteínas de muy baja densidad, VLDL Entre 1,006 y 1,019: Lipoproteínas de densidad intermedia IDL Entre 1,019 y 1,063: Lipoproteínas de baja densidad, LDL Mayores de 1,063: Lipoproteínas de alta densidad, HDL Estos cinco grupos lógicamente diferentes composiciones lipo-proteicas. Por otra parte, denotaron una disminución de su tamaño y un incremento en la composición de sustancias más pesadas, que llevan a ese aumento de densidad.

120

Bioquímica

La parte complementaria a los lípidos son las proteínas. Las proteínas que integran grupos heterogéneos se denominan APO – proteínas. Hay varios tipos de Apo proteínas integradas a las fracciones lipoproteicas. Las proteínas que integran estos grupos, no sólo cumplen funciones de transporte, sino que también muestran otro tipo de actividad, como interacción con receptores o regulación metabólica, tanto estimulante como inhibitoria. Las principales Apo – proteínas son: A-I ; A-II ; A-IV : integran la fracción HDL B- 100: mayoritaria en LDL y B-48 en quilomicrones C-I y C-II, predominantemente en VLDL y quilomicrones; C-III en HDL D : presente en HDL E34 : Predominante en VLDL Fracciones Lipoprotéicas: Quilomicrones: Son partículas grandes, que flotan en el plasma originando sobrenadantes lechosos. Se sintetizan en intestino, son ricos en triglicéridos y pobres en Apoproteínas, donde la Apo B-48 es la predominante. Son producidas en el intestino a partir del aporte de triglicéridos exógenos. VLDL Very Low Density Lipo-Protein), Lipoproteína de MUY baja densidad. Son ricas en triglicéridos pero menores que los quilomicrones. Son capaces de producir turbidez al plasma. Son ricas en triglicéridos, pero en este caso de origen endógeno (hepático). Ocupan aproximadamente la mitad de la partícula El colesterol y los fosfolípidos componen el otro 40%, quedando sólo un 10 % de proteína conformando la lipoproteína. La Apo B-100 es mayoritaria, presentando algo de C y E. Dentro del rango de densidades que define a estas partículas puede observarse un espectro de variación grande en tamaño. Las más pequeñas corresponden a partículas que se han ido transformando al perder parte de su cobertura por acción de las enzimas. Algunos autores denominan a estas partículas de VLDL procesadas enzimáticamente como IDL, Intermediate Density Lipo Protein. (IDL, que tienden a desaparecer rápidamente). LDL: Lipoproteínas de baja densidad (Low Density Lipo Protein) Son menores que las partículas ya nombradas, por lo que aún en concentraciones patológicas no ocasionan turbidez al plasma. Constituyen el 50% de las lipoproteínas. A su vez, el integrante mayoritario de esta fracción es el colesterol esterificado (aproximadamente 50%). El 25% de su masa corresponde a la Apo B-100. Las diferentes subfracciones encontradas presentan diferentes tamaño y composición. Las más pequeñas se encuentran asociadas a enfermedades cardiovasculares ateromatosas. HDL: Lipoproteínas de alta densidad (High Density Lipo Protein). Conforman la fracción con partículas de menor tamaño. Casi no poseen triglicéridos y el 50% de estas partículas están conformadas por partes semejantes de colesterol, mayoritariamente esterificado, con leve predominio de fosfolípidos. Las apo predominantes son Apo A-I y A-II. Las HDL presentan subfracciones HDL-2 y HDL-3. Su disminución, predispone a enfermedades cadiovasculares.

34

Las apopreteína Apo- E en diferentes variantes( E-2, E-3 y E-4) han sido asociadas al mayor riesgo de adquirir del Mal de Alzheimer.

121

Luis Simes

Enzimas asociadas: El sistema de las lipoproteínas, en las cuales las fracciones proteicas pueden presentar actividad metabólica o enzimática, se encentra bajo la acción de un conjunto de enzimas que participan de su metabolismo, y entre las que se pueden mencionar: Lipoproteín Lipasa (LPL), Enzima presente en el tejido adiposo, actúa sobre quilomicrones y VLDL, hidrolizando los triglicéridos. Los fosfolípidos y la Apo C-II participan como cofactores hidrolíticos. Lipasa Hepática, (LH): secretada por los hepatocitos, Participa en la conversión de VLDL residual e IDL en LDL. Participa también del metabolismo de las HDL. Lecitin- Colesterol- Acil- Transferasa (LCAT) Participa en la esterificación del Colesterol, por transferencia de ácidos grasos de la lecitina al colesterol, promoviendo su esterificación. Se sintetiza en hígado y actúa sobre HDL, interviniendo en la eliminación de las capas superficiales de las VLD. Es activada por Apo A-I. Las implicancias patológicas, defectos genéticos, receptores y aspectos clínicos como los de determinaciones metodológicas se describen con mayor detalle en el capítulo de lípidos, Análisis clínicos, parte 2.

122

Bioquímica

Aminoácidos,

5 peptidos y proteina

El tercer gran grupo de sustancias biológicas que abordaremos son las Proteínas, estructuras muy complejas y de características extraordinarias en razón de su funcionalidad y diversidad. Al igual que los polisacáridos, se estructuran sobre la repetición de unidades basales, pero a diferencia de aquellos, esas unidades son de mucha mayor variabilidad. La disposición tridimensional que adquieren las dota de enormes posibilidades funcionales y estructurales, como enzimáticas y hormonales entre otras. Cada proteína está formada por la unión de aminoácidos que establecen enlaces covalentes entre sí, desde una pocos unidades repetidas hasta la formación de superestructuras con miles de unidades componentes de extraordinaria versatilidad. Aminoácidos (aa) Los aminoácidos (aa), tal como su nombre lo indica, formados por un carbono, denominado α, al cual se unen un grupo amino, un grupo carboxilo, un hidrógeno y una cadena complementaria, R. De tal forma, ese carbono a,��������������������������������������������������������������������������������� se torna quiral, al enlazarse a cuatro grupos diferentes. Existe una sola excepción a esa asimetría, y es cuando R =H, en el caso del aa. Glicina.

COOH I

H2 N - C* - H I R Los α -aminoácidos se denominan proteinogénicos, ya que son los que tienen la facultad de formar proteínas. La cadena carbonada se identifica con otras letras griegas consecutivas. De acuerdo a donde se enlace el sustituyente conformará aa. α, bgdε...ψ,ω. etc. Recuérdese que en los ácidos grasos utilizamos esta nomenclatura para referirnos al último carbono de la cadena como omega (ω).

C ε – C γ – C β – C α – C OOH

Por ejemplo, el neurotransmisor γ-amino butírico, posee el grupo amino en el Cγ . La β-�������������� alanina, metabolito del ciclo de bases nitrogenadas, porta ese grupo funcional en Cβ .Tampoco son proteinogénicos otros conocidos aa. Como la ornitina y la taurina. Se reconocen 20 aa. Ya que son los que se obtienen al hidrolizar cualquier tipo de proteína. Por otra parte, en el código genético se corresponden con los anticodones de los RNA de transferencia, conformados para cada aminoácido. Por consiguiente, son 20 los aminoácidos proteinogénicos. Algunos se definen como esenciales o semiesenciales de acuerdo a la necesidad del metabolismo humano de que sean aportados por la dieta ya que no son sintetizados por el organismo. Los aminoácidos no esenciales, aproximadamente la mitad, se sintetizan en el organismo. Estas propiedades son comunes a la gran mayoría de los mamíferos.

123

Luis Simes

aa. esenciales

aa. no esenciales

L

Abv

aa.

L

Abv

aa.

F

Fen

Fenil alanina

A

Ala

Alanina

H

His

Histidina (niños)

B

Asx

Asparagina/Aspartico

I

Ile

Isoleucina

C

Cys

Cisteína

K

Lis

Lisina

D

Asp

Aspártico

L

Leu

Leucina

E

Glu

Glutámico

M

Met

Metionina

G

Gli

Glicina

R

Arg

Arginina (semi)

N

Asn

Asparagina

T

Tre

Treonina

P

Pro

Prolina

V

Val

Valina

Q

Gln

Glutamina

W

Trp

Triptofano

S

Ser

Serina

X

-

otro

Y

Tir

Tirosina

Z

Glx

Glutamina

En razón de la importancia que tienen las interacciones intermoleculares en la conformación estructural de las proteínas, de la cual devienen sus características estructurales y funcionales, resulta útil clasificarlos de acuerdo con las características eléctricas del grupo R. La mayoría de los aa. tienen un grupo carboxilo y un grupo amino, lo que determina neutralidad eléctrica. Sin embargo, existen algunos aminoácidos que no poseen esa equivalencia. Los amino-ácidos ácidos tienen dos grupos carboxilos y un amino (aa. glutámico o aspártico), mientras que los aa. básicos tienen dos grupos aminos y un grupo carboxilo (histidina, arginina, lisina). Los aminoácidos con cadena lateral no polar tienen carácter hidrofóbico y tienden a disponerse hacia zonas hidrofóbicas. Los del grupo polar sin carga, tienen zonas en sus moléculas capaces de generar interacciones hidrofílicas, como los puente hidrógeno, con lo cual denotan mayor solubilidad. Los grupos cargados a pH=7, tanto positivos como negativos son fuertemente polares y en consecuencia hidrosolubles. En razón del pH del organismo (7,40), es de interés tener en cuenta que los aminoácidos se encuentran ionizados. Los carboxilos, al comportase como grupos ácido entregan el H + quedando cargados negativamente y los grupos amino, al recibirlo, se carga positivamente. Estructural

A pH 7,40

H+

-

COOH

-

COO-

-

NH2

-

N H3 +

ESTRUCTURA DE AMINOACIDOS No obstante, en el listado y en el gráfico a continuación se muestran sin ionizar por razones didácticas. Más adelante serán tratados conforme adquieran sus condiciones físico-químicas acordes al medio. Cuando los grupos R- son cadenas se llaman alifáticos o acíclicos. Cuando son cerrados, se llaman cíclicos. Si en estos casos, poseen dobles enlaces resonantes (Benceno, fenilo), se llaman aromáticos.

124

Bioquímica

La clasificación general de los L- α aminoácidos proteinogénicos es la siguiente:

De acuerdo con esta clasificación, se muestran los grupos –R a continuación35 AA: NO POLARES Los aminoácidos no polares se caracterizan por su hidrofobicidad. Esto determina que sean constituyentes de proteínas globulares, en las cuales se orientan hacia su interior donde existe un ambiente hidrofóbico aislado del agua lo cual contribuye a disminuir las tensiones energéticas de los medios con distinta solubilidad. La metionina, es el aminoácido inicial de las cadenas nativas, determinado por el codón AUG. Lo integran los siguientes aminoácidos. el grupo alifático, con R no polar:

o Valina: o Leucina:

35

CH3 – CH- CH3 CH3 - CH2 – CH- CH3 CH3

o Isoleucina:

- CH – CH2- CH3

o Metionina:

- CH2 – CH2- S--CH3, (azufrado)

Se han subrayado los aminoácidos esenciales.

125

Luis Simes

Los grupos –R de los aminoácidos alifáticos Cíclicos son: o

Prolina (es un iminoácido): - oPirrol-COOH

o

Triptofano: - CH2 – Indol

o

Fenil Alanina: - CH2 – Fenilo

La prolina es en realidad un iminoácido ya que el grupo carboxilo está unido al grupo imino en un ciclo (pirrol) . Es un componente fundamental del colágeno. El triptofano es fundamental en la síntesis de serotonina y la fenil alanina, es constituyente del colágeno interviniendo además en la síntesis de catecolaminas, L-Dopa (que es el dihidroxilado 3,4) y algunos neuropéptidos que veremos mas adelante. AA: POLARES SIN CARGA En este grupo encontramos, y en particular entre los alifáticos, los siguientes, identificados por sus grupos -R: •

Glicina o glicocola: (Cα aquiral ): - H

•



•

Treonina – CH OH - CH3

•

Cisteína (su dímero por puente disulfuro origina Cistina): - CH2 – SH

•

Asparagina (amida de ácido aspártico): - CH2 – CO- NH2

•

Glutamina (amida de ácido glutámico): - CH2 –CH2 - CO- NH2

Serina - CH2 – OH

En los que se observa la presencia de grupos oxhidrilos, sulfhidrilos y amino, los cuales aportan polaridad a la molécula, lo que facilita el establecimiento de interacciones intra e intermoleculares. En general cumplen funciones de detoxificación hepática. La metionina es el primer aminoácido que se sintetiza en las cadenas peptídicas y que luego será procesada. Y entre los cíclicos solamente a la Tirosina: - CH2 – Fenil- OH , la cual tiene funciones de neuroransmisión. AA: POLARES CON CARGA Estos aminoácidos poseen carga eléctrica. Los negativos tienen un carboxilo adicional y los básicos un grupo amino de mas. Aminoácidos con restos polares Negativos o Ácido Aspártico: - CH2 – COOo Ácido Glutámico: - CH2 –CH2 – COOY Aminoácidos con restos polares Positivos o Lisina: - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 – NH3 + o Arginina: - CH2 - CH2 - CH2 – NH - C = NH2 + NH2 o Histidina: - CH2 – Imidazol

126

Bioquímica

La asparagina y la glutamina cumplen funciones metabólicas en el sistema nervioso central. La lisina y la arginina son importantes en el sistema inmunológico. Veamos sus estructuras -R, unidas al carbono- α.

Tomado de psu.edu

Otra forma de clasificación es de acuerdo a los grupos que posee: ácidos, básicos, hidroxilados, azufrados, aromáticos,etc. Isomería de los aminoácidos En razón de la quiralización del carbono alfa, los aminoácidos poseen actividad sobre la luz polarizada. Cuando la inclinación del plano del rayo polarizado al atravesar la solución de aa. se produce hacia la derecha, decimos que tiene comportamiento óptico dextrógiro y se simboliza con un signo positivo: (+). Si la desviación del plano de la luz polarizada es hacia la izquierda, será levógiro, y se identifica con un signo negativo (-). Series L y D: El carbono asimétrico produce dos variantes estructurales. Si colocamos al Carboxilo (carbono 1) hacia arriba, el grupo amino puede estar a derecha o a izquierda, originando dos posibilidades: series D y L� . Esto tiene se refiere a su orientación espacial, no a su condición óptica:

COOH I H - C - NH2 I R D – aminoácido

COOH I NH2 - C - H I R L- aminoácido

La Serie D es aquella que estando el carbono hacia arriba, muestra al nitrógeno amínico a la derecha y el hidrógeno a la izquierda. Así como los glúcidos biológicamente activos, preponderantemente corresponden a la serie D, los 127

Luis Simes

aminoácidos funcionales pertenecen a la serie L. En síntesis los aminoácidos proteinogénicos son los α, de la serie L. En aquellos casos en los que haya mas de un carbono asimétrico, se aplica la fórmula ya vista en el capítulo de glúcidos: I = 2n En donde I es el número de isómeros y n el número de carbonos asimétricos. Para un solo carbono existen dos isómeros, y para aquellos casos en los que poseen dos carbonos quirales, el número de isómeros será de 4. Se pueden generar diasterómeros o enantiómeros. Propiedades ácido-básicas de aminoácidos Como venimos considerando, los aminoácidos son estructuras químicas que poseen un grupo carboxílico (ácido) y un grupo amina (básico). Esto los convierte en estructuras muy interesantes, ya que se mantiene un juego de equilibrios ácido – base sumamente dependiente del entorno y de las condiciones físico-químicas que enfrente. Por otra parte, en aquellas estructuras con dos carboxilos o dos grupos amino se verifican condiciones funcionales más complejas y más versátiles en cuanto a funcionalidad y estructura. Los grupos ácido base de los aminoácidos corresponden a electrolitos débiles, por lo cual su disociación está determinada por sus constantes ácido-base. Con el fin de simplificar la exposición y análisis utilizamos sus pKa, es decir el logaritmo negativo de su constante: pKa = - log Ka Cuanto mayor sea la fuerza del ácido, menor será su pKa. El aminoácido tiene la particularidad, tanto de recibir como de entregar protones, y en consecuencia es una estructura capaz de actuar tanto como base o como ácido, es decir, presenta un comportamiento anfótero.

+

COO-

COOH

HH

H3N- C - H R



+

H3N- C – H R

COO-

H2N - C - H R

H+ H+ H+Medio Ácido H+ H+ H+ H+

Equilibrio

Medio Básico

H+Abundancia de Protones H+ H+

Ion Zwiterion

Escasez de Protones

neutro

Se extraen del aa.

H+ H+ H+ H+saturan al aa. H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ HH+ H+ H+ H+ H+ H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H+ H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H+ H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H+ H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H+ H + H + H + H + H + H + H + H + H +

al medio

H + H+ H H + H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+

H+ H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H+ H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H+ H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H +

Figura: En un medio ácido, la abundancia de protones incrementa la unión de estos al aminoácido. En cambio, en el medio básico, la escasez de protones en el medio, desplaza los equilibrios hacia la liberación protónica desde el aa. hacia el medio. 128

Bioquímica

Vemos así que: La acidez del medio condiciona el equilibrio eléctrico del aminoácido Cuando el aa. está en un estado eléctricamente neutro (posee carga 0), decimos que la cantidad de cargas positivas (-NH3+) iguala a la de cargas negativas (-COO-), es decir que los aminoácidos neutros presentan concentración de estructuras catiónicas equivalentes a las aniónicas. Este estado en el cual un aminoácido presenta equivalencia de cargas se denomina forma dipolar o ion Zwitterion. Como dijimos que el estado eléctrico de los aminoácidos depende de la acidez del entorno, habrá un pH particular en el cual el aa. presentará igual cantidad de cargas positivas que negativas, es decir carga 0. En estas condiciones, el aminoácido no migra en un campo eléctrico.

Se denomina punto isoeléctrico, Pi, al pH en el cual el amino-ácido presenta carga 0 pI = pH del ion Zwitterion.

Cada aminoácido tiene su valor pI individual, que se alcanza cuando ambas cargas están en equilibrio. Aminoácido

α-COOH

α-NH3+

Glicina

2.34

9.60

Alanina

2.34

9.69

Valina

2.32

9.62

Leucina

2.36

9.68

Isoleucina

2.36

9.68

2.21

9.15

2.63

10.43

Metionina

2.28

9.21

Fenilalanina

1.83

9.13

Triptofano

2.38

9.39

Asparagina

2.02

8.80

Giutamina

2.17

9.13

Prolina

1.99

10.6

Aspartico

2.09

9.82

3.86*

Glutamico

2.19

9.67

4.25*

Histidina

1.82

9.17

6.0*

Cisteina

1.71

10.78

8. 33*

Tirosina

2.20

9.11

10.07

Lisina

2.18

8.95

10.53

Arginina

2.17

9.04

12.48

Serina Treonina

-

RH - o RH+

Cuando el pH es inferior al pK , el exceso de protones en el medio favorecerá la protonación y cuando sea mayor estará como anión. El punto de equilibrio, como se expresó, queda establecido cuando se fija el valor del pH del medio igual al pK del aminoácido.

129

Luis Simes

Si observamos la figura superior, se puede ver que el ion zwiterion tiene dos pasos: uno ala izquierda (hacia la forma catiónica) y otro a la derecha (hacia forma aniónica). Cada reacción tiene su equilibrio propio, y en consecuencia, ambas constantes entrarán en el juego del equilibrio total. Por ello, para calcular el pI, se determina el promedio de ambas constantes: pKa + pKb pI = --------------------------2

Si consideramos el caso de la serina, tendremos los siguientes equilibrios:

COO-

COOH +H 3

+H 3

N -C -H

N -C -H

CH2OH Medio ácido ( carboxílico)

COONH2 - C - H

CH2OH

Ion dipolar (Zwiterion)

CH2OH

Medio básico ( amino)

El pKa ácido para la serina es 2,2 y el pKb, básico, es igual a 9,2. En consecuencia el pI para la serina será:

pKa + pKb

2,2 + 9,2

pI = ------------------------------ = ------------------------ = 5,7 2

2

En un medio a pH 5 por ejemplo (menor que su pI), la serina estará cargada positivamente y en consecuencia migrará hacia el polo negativo (cátodo). En un medio electroforético a pH 8, se cargará negativamente, y por lo tanto su migración se producirá hacia el ánodo. El ejemplo de la serina, como el de tantos otros tiene un equilibrio del ion dipolar, con dos formas, una ácida y una básica. Sin embargo los aminoácidos ácidos como el glutámico y el aspártico tienen dos grupos carboxilos y un amino; por el contrario, la arginina, la lisina y la histidina tienen dos grupos amino y uno carboxílico. En estos casos, el pI también se calcula con la fórmula de arriba. En estos casos se toma el par que reacciona con el ion dipolar, quedando el tercero excluido del cálculo. Si observamos el caso del ácido glutámico, encontramos el siguiente comportamiento de acuerdo con la modificación del pH del medio:

130

Bioquímica

COOH I +H N -C - H 3 I CH2 I CH2 I COOH

COOl +H N - C - H 3 l CH2 l CH2 l COOH pKa1

: 2,2

COOl +H N - C - H 3 l CH2 l CH2 l COO pKa2 : 4,2

COOl NH2 - C - H l CH2 l CH2 l COOpKa3 : 9,7

En este caso no se toman tres valores, sino los dos que están relacionados con el ion dipolar Zwitterion, es decir neutro. Entonces tomamos pKa 1 y pKa 2.

pKa 1 + pKa 2 2,2 + 4,2 pI = -------------------------- = -------------------------- = 3,2 2 2 A pH 7,40 el ácido glutámico estará bajo la forma de di anión, con carga -1. Los puntos isoeléctricos de los aminoácidos son inferiores a 7 como vemos en este ejemplo. En cambio los básicos se encuentran por encima de ese valor. Alteraciones: Los aminoácidos en ciertos casos están relacionados con ciertas patologías, como las aminoacidurias. En la fenil cetonuria, la metabolización normal de la fenil alanina a tirosina, se ve alterada por un déficit funcional de la enzima fenil alanina hidroxilasa. Esto causa la acumulación de fenilalanina y derivados como el neurotóxico fenilpiruvato que afectan el normal desarrollo del sistema nervioso central. Otras enfermedades relacionadas son la alcaptonuria, que produce orinas negruzcas, la cistinuria, que produce litiasis renales de cistina en riñón. La enfermedad del jarabe de arce es un transtorno hereditario que por defectos metabólicos produce acumulación de aminoácidos de cadena ramificada (leucina, isoleucina y valina). PEPTIDOS Los péptidos son sustancias que se obtienen de la combinación química de algunos pocos aminoácidos La unión de dos aminoácidos se llama dipéptido, y la de tres, tripéptido. Entre cuatro y diez aminoácidos son denominados oligopéptidos. Cuando se unen entre once y cincuenta aminoácidos hablamos de polipéptidos. Cuando la molécula es la resultante de más de 50 aminoácidos estamos ya en condiciones de hablar de proteínas. Enlace peptídico Como ese expresara, los péptidos y las proteínas se conforman mediante la asociación química de aminoácidos, a través de enlaces covalentes de tipo amida. Este tipo particular de vinculación se establece entre el carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, mediante deshidratación. La longitud de enlace y el ángulo de valencia se mantienen constantes dentro de un plano, como analizaremos más adelante. Ésta unión se denomina Enlace peptídico.

131

Luis Simes

COOH

COOH H2 N - C - H

+

H2N - C - H

H

C O 

NH2 - C - H

CH2

COOH HN - C - H + H2O

H

COOH

COOH Glicina

+

Ac. Glutámico

CH2

dipeptido: glicil glutámico

Se ha marcado con un óvalo el enlace peptídico, establecido entre el carboxilo del aminoácido glicina con el grupo amino del ácido glutámico. Los átomos comprometidos en el enlace son el carbono de un ácido con un nitrógeno amínico, siendo por consiguiente por consiguiente un enlace de tipo amida. El enlace peptídico es un enlace rígido que mantiene la estructura de las unidades enlazadas según los ángulos determinantes, que no posibilitan la libre rotación de los grupos sobre el enlace peptídico. Esto es necesario, ya que muchas de las funciones de las proteínas son establecidas por su forma. EL grupo carbonilo (- C=O) por su doble enlace determina en el carbono una hibridización sp2 lo que contribuye con la coplanaridad del enlace y su resistencia a la rotación. Por otra parte, las cadenas laterales determinan otras propiedades de polaridad, ácido base o catalíticas.

O = C I H2 N -- C -- H I R1

COOH I N H C -- H I R2

Cuando el número de aa. combinados es bajo, (2 a 10 aa.), las moléculas formadas se denominan Péptidos ( di péptidos y tri péptidos para 2 y 3 aa) y oligopéptidos para estructuras contituídas por 4 a 10 aa. Las cadenas de entre 10 y 50 aa. se denominan polipéptidos. Algunos son lineales, como el aspartamo, dipéptido ( aspartil fenil alanina36) que es un endulzante presente en algunos vegetales; el glutatión, un tripéptido (glutamil, cisteil glicina), molécula fundamental para el correcto desarrollo de los procesos metabólicos celulares, ya que genera en las células un ambiente reductor, que inhibe las oxidaciones no deseadas. Otros péptidos son la gramicidina (antimicrobiano), algunos venenos y la encefalina, un pentapéptido de acción central. Ciertos péptidos son de estructura cíclica como la hormona antidiurética, los neuropéptidos, que se originan en cerebro, o en neurohipófisis, como la corticotrofina (CHR) la ocitocina, la ACTH, prolactina y las endorfinas. Péptido

N° de aa.

Secuencia Primaria

Aspartame

2

Asp- fen

Glutatión

3

Glu-cis-gli

TRH

3

Pro-His-Glu

Encefalina

5

Tyr-Gly-Gly-Phe-Met

Oxitocina

9

Cis- S-S- Cis-Pro-Leu- GluNH2 I Tir I

I AspNH2 l

Ileu – GluNH2 36

Se utiliza como edulcorante el derivado sintético metil-éster.

132

Bioquímica

PROTEINAS Las proteínas son moléculas distribuidas en todos los órganos y tejidos. Su variedad es muy grande, producto de la alta diversidad combinatoria que ofrecen 20 piezas diferentes, en distinto orden y cantidad. A su vez, cada cambio de una unidad, puede producir modificaciones, no sólo en el orden y disposición, sino en su orientación espacial, lo que modifica su estructura y propiedades. La mayor parte del peso de una célula está conformada por proteínas. Esto obedece a la necesidad de cumplir diversas funciones vitales, y las proteínas tienen esa gran versatilidad. En primer lugar poseen funciones plásticas. Integran macromoléculas como el colágeno; constituyen estructuras contráctiles como la actina, la miosina y la tubulina. Son transportadores moleculares como apoproteínas de lípidos, transferrina para la movilización del hierro y hemoglobina como carrier de gases. Su catabolismo produce energía. Integra hormonas como la insulina, cumple funciones inmunitarias en las inmunoglobulinas y en la coagulación como el fibrinógeno. Transmiten señales, conforman receptores, intervienen en procesos genéticos o actuar como fármacos o toxinas. Esa gran diversidad hace de las proteínas el grupo más complejo de la biología. Las proteínas pueden ser simples (homoproteínas) o conjugadas con otros grupos (heteroproteínas). Las primeras, cuando son sometidas a hidrólisis generan exclusivamente alfa aminoácidos. La albúmina, las globulinas, las Histonas y las escleroproteínas pertenecen al primer grupo. En las heteroproteínas, existe una fracción proteica y una fracción no proteica, denominada grupo prostético. De acuerdo con el grupo prostético encontramos frecuentemente nucleoproteínas, lipoproteínas, glucoproteínas, etc. Heteroproteina

Grupo prostético

Núcleoproteinas

Ácidos Nucleicos

Lipoproteinas

Colesterol, Triglicéridos, Fosfolípidos

Glucoproteínas Fosfoproteínas

Monosacáridos, amino azúcares, ác.glucónico, galactónico. Ácido fosfórico

Metaloproteínas

Metales, Cromóforos, Fe, Cr, Co, Zn, Mg

Hemoproteína

Grupo Hemo

Flavoproteína

Flavonoides

Las proteínas desde el punto de vista de la dieta son consideradas incompletas cuando no poseen todos los aminoácidos esenciales. Algunas proteínas están formadas por una sola cadena, pero en otros casos pueden ser diméricas, tetraméricas, etc. De acuerdo con su estructura conformacional, las proteínas muestran diferentes versiones de presentación: •

Globulares: son solubles en agua y en soluciones salinas diluidas. Presentan actividad dinámica y cumplen entre otras, funciones de transporte; tienden a adoptar formas esféricas, globulares. La albúmina como la hemoglobina, (que tienen funciones de transporte, buffer u osmóticas), la mayoría de las enzimas (que cumplen funciones catalíticas) y las inmunoglobulinas, (con función anticuerpo), muestran preponderantemente, estructura globular.

•

Fibrosas: las proteínas fibrosas tienen funciones plásticas, estructurales, de sostén y protección. Son insolubles en agua y en soluciones salinas. Se desarrollan en largas cadenas siguiendo en general un eje, y conforman la estructura del tejido conjuntivo. La elastina en los ligamentos, el colágeno en la matriz ósea y tejido conjuntivo y la queratina recubriendo cabellos, cuernos, pelos, uñas presentan estructura fibrilar.

•

Mixtas: son proteínas que siendo solubles en agua, presentan una disposición más alargada que las globulares, por ejemplo en forma de cilindros. Esta disposición se observa en el fibrinógeno que dará origen a la fibrina en el proceso de formación del coágulo. También se observan en proteínas alargadas de las fibras musculares, como la miosina.

133

Luis Simes

Soluciones Proteicas Las proteínas globulares son solubles en agua y en soluciones salinas diluidas. En función de su gran tamaño, las soluciones de proteínas en realidad son verdaderamente dispersiones coloidales. Cada molécula proteica se rodea de moléculas de agua (solvatación) y se aísla de otras de su misma especie, permitiendo la interacción con el solvente. Los grupos amino y carboxilo de los extremos son polares y pueden disolverse. Sin embargo, la posibilidad de disolución viene dada por los grupos polares laterales que interaccionan con el agua a través de sus grupos ionizables. Al igual que los aa. aislados, las proteínas, dependiendo del pH del medio, tendrán un comportamiento ácido base similar. Una proteína, a un pH bajo estará como catión y a un pH alto como anión. Existirá un pH intermedio, denominado punto isoeléctrico de la proteína, la que no tendrá carga eléctrica neta, ya que las cargas positivas y negativas estarán perfectamente equilibradas. Esta es una proteína di polar o proteína Zwitterion. La existencia de equilibrio entre las proteínas y sus proteinatos, dotan a estas de capacidad buffer. El agregado de sales a la solución proteica, tiene a incrementar su solubilidad. Este proceso, denominado “salting in”, se basa en que baja la interacción entre los grupos electrolíticos de la proteína, bajando su coeficiente de actividad. Esto produce incremento de la solubilidad hasta cierto punto de concentración salina. Las moléculas de sal, por otra parte, incrementan el desorden y aumentan la entropía del sistema, lo cual mejora la solubilidad Si se agregara un solvente orgánico, éste baja la constante dieléctrica del solvente, el cual interacciona menos con el soluto, y este tiende a precipitar por disminución de la solubilidad, Este principio se usa como método de separación proteica. Otro método de separación de proteínas por precipitación se basa en el agregado de sulfato de amonio. En cierto punto, la concentración de las sales agregadas, disminuyen la actividad del solvente y en consecuencia las interacciones proteína-proteína se hacen mayores que las interacciones proteína- agua, lo que lleva a la precipitación de la proteína (“salting out”). Los cationes más usados para precipitar proteínas son Fe++, Zn+++, Cd++, y siempre a pH mayores que el pI de la proteína, ya que a ese pH se encuentran como proteinatos (cargados negativamente). ESTRUCTURA DE PROTEINAS Las proteínas observan cuatro niveles de organización, denominadas estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

Tomado de Lehninger, fourth Ed.pag. 89

Estructura primaria La estructura primaria de proteínas se refiere a la composición secuencial de aminoácidos que posee una proteína. Esto contempla la identidad de los aminoácidos, el número y el orden que adopten. A diferencia de los polisacáridos cuyas moléculas contenían las mismas o casi las mismas unidades repetitivas, en las proteínas esas unidades llegan a 20, lo que posibilita una enorme variabilidad estadística en secuencia y en número de unidades. 134

Bioquímica

Esta estructura primaria se basa en el enlace covalente que se genera entre el carbono del grupo carboxilo de un aminoácido con el nitrógeno del grupo amino del siguiente.

O=C I H2 N -- C – H I H

COOH I N H C -- H I CH2 - COOH

Dipéptido : glicil aspártico Este enlace, denominado enlace peptídico, es plano y forma ángulos de aproximadamente 120°, por lo cual la estructura primaria presenta una estructura en zig-zag.

NH2

COOH

Así como las cadenas carbonadas se nombran desde el carbono más oxidado, como C1, las secuencias de aminoácidos se nominan desde el extremo amino terminal (amino que no interviene en el enlace peptídico) hacia el extremo carboxilo terminal. Si se observa el ejemplo del dipéptido glicil aspártico (arriba), observamos que en la glicina el grupo NH2 queda libre. En el ac. Aspártico es el – COOH el grupo que no ha reaccionado, indicando que se trata de glicil aspártico y no de aspartil-glicina. La estructura primaria determinada por los enlaces peptídicos tienen poca movilidad. Se expresó que no es factible la rotación libre sobre el eje lineal. Esto obedece a la estructura electrónica del enlace amido, ya que la existencia de un par electrónico sin enlazar del nitrógeno, posibilita un fenómeno de resonancia entre dos formas: -

O C R2

-O

R1 C

R1 C

 H

R2

N+ H

La resonancia, estado dinámico de intercambio electrónico entre átomos cercanos, generalmente estabiliza las estructuras en las que se produce ese fenómeno. El par electrónico libre del N genera un doble enlace instantáneo entre el C y el N y el doble enlace del C==O se transforma en simple. La ganancia electrónica del O se transforma en una carga negativa sobre éste, y la pérdida del par de electrones del nitrógeno lo carga a éste positivamente. Se mantiene el equilibrio de cargas, pero se genera una atracción eléctrica adicional. El doble enlace C==N posee un enlace sigma σ y un enlace pi, π. Éste fenómeno de hibridización sp2 , implica que el enlace peptídico se comporte como doble y en consecuencia impida la libre rotación sobre el eje peptídico, lo que podría inestabilizar su estructura. El enlace C-N es de 1,32 A° y el C-O de 1,24 A°, intermedias entre los valores de doble y simple enlace entre los mismos átomos. El O del carboxilo y el H del amino se estabilizan en posición trans, determinando específicamente la disposición que adquiere el enlace y que favorece la especificidad de la estructura primaria.

135

Luis Simes

La secuencia de los aminoácidos determina la forma y funciones de la proteína. Cualquier alteración, cambio, pérdida o ganancia de unidades en una secuencia específica puede determinar la alteración y aun desaparición de sus funciones. Justamente muchos defectos genéticos se originan en un cambio del patrón del ADN o ARN. Una mutación significa modificación de la secuencia. Algunas hemoglobinas alteradas, por ejemplo, tienen una simple modificación de aa. que condiciona su funcionamiento con pérdida de eficacia. Otros cambios que afectan zonas de sitios activos, inutilizan a la proteína. La secuencia primaria se enumera y nombra desde el aa. del extremo amino terminal, hacia el carboxilo terminal, con el sufijo “il” y el aa. carboxilo terminal mantiene su nombre; por ejemplo, el hexapéptido: NH2- Treonil, dialanil, fenilalanil, tirosil triptófano – COOH Esta secuencia será la que determinará las propiedades del péptido, sus interacciones y pertenencia grupal. Las proteínas se agrupan en familias de acuerdo con la secuencia de aa. que presentan. Además, algunas proteínas son polimórficas, es decir que pueden cambiar su secuencia sin modificar o perder su función, presentando diferentes variantes para una misma especie. ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL SECUNDARIA Cada proteína se halla definida por su estructura primaria. En razón de la rigidez ya mencionado que poseen los enlaces peptídicos, cada secuencia en particular va adoptando una estructura en el espacio, también definida por sus grupos laterales R. Efectivamente, si se considera la secuencia de la proteína como un eje, ésta se puede definir en el plano, pero por efecto de los ángulos de enlace y la disposición trans del enlace peptídico, además de las orientaciones espaciales de los grupos laterales, en general se puede observar que se adoptan dos disposiciones características que se definen como estructura secundaria. Esta disposición sobre el eje primario, origina dos formas características: α− Hélice alfa β−Hoja plegada beta Los plegamientos que se originan están sostenidos por interacciones débiles de puente Hidrógeno. No obstante la multiplicidad de ellos confiere estabilidad a la estructura proteica secundaria. Los enlaces puente de hidrógeno se establecen entre hidrógenos unidos covalentemente a átomos electronegativos como O, N, F. De esta manera, el H está en condiciones de interaccionar con otros grupos que presenten polaridad o densidad de carga negativa, unidos a H y éste enfrenta a otros átomos electronegativos o con polaridad negativa δ(−). En las formas α− Hélice, prevalecen las interacciones intracatenarias, mientras que en las β−Hoja plegada, los puente hidrógeno interaccionan tanto intra como intercatenariamente. Estructura secundaria α− Hélice En esta disposición espacial del eje proteico, se observa una distribución helicoidal de la cadena de aminoácidos. La hélice es dextrógira, ya que en su avance produce un giro con orientación horaria. Cada vuelta tiene 3,6 aminoácidos y un avance de 5,4°A. Los grupos R por razones estéricas se ubican hacia afuera, excepto que por cuestiones de hidrofobicidad adopten otra disposición. Se debe tener en cuenta que el aa. Prolina, por ser un imino ácido, el carboxilo y el grupo amino están en un ciclo, por lo cual deforma e interrumpe el orden de la hélice. La glicina también contribuye a inestabilizar la hélice porque su R es un átomo de hidrógeno. Los puentes hidrógenos son intracadena. La relación entre los grupos constituyentes determinan por atracciones y repulsiones conjuntas, la estructura helicoidal.

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Bioquímica

β− -Hoja plegada Esta estructura adquiere una disposición en zigzag, más propia del orden geométrico de 120° que poseen los enlaces entre carbonos en los aminoácidos. A lo largo del eje de la proteína, se observa una disposición planar, con derivaciones de los restos R por encima y por debajo del plano alternadamente. Esta estructura también se sostiene por puentes de hidrógeno en la cadena. Existen disposiciones en los cuales los planos plegados de la proteína se puede adosar a uno o dos planos (en este caso por encima y por debajo del mismo), por lo cual en estas disposiciones los puente de hidrógeno, también se verifican entre cadenas. Muchas proteínas poseen una sola disposición, pero en otras se observan ambas, de acuerdo con la estructura primaria que establece las posibilidades estéricas y energéticas de la molécula.

Giros beta β. En las proteínas mas compactas resulta frecuente observar que cuando una cadena debe modificar su orientación, adoptan una forma llamada giro beta. Los giros beta son secuencias de aminoácidos que cambian su dirección en 180°. Se estabilizan por interacciones débiles entre su aa. 1 y el número 4. Pueden unir secuencias paralelas o antiparalelas. Los giros beta son abundantes en las proteínas globulares, facilitando una mayor compactación de las mismas. Y sí bien los aa. glicina y prolina comprometen la estabilidad de la estructura de alfa hélice, por el contrario son muy abundantes en el giro beta.

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Luis Simes

Se observa en la figura una hoja beta, un giro beta y a continuación una región alfa hélice. Están oreintados en forma antiparalela. Otras secuencias no cumplen con estas estructuras, por lo cual se clasifican como “al azar”. ESTRUCTURA TERCIARIA La estructura terciaria de proteínas equivale a su representación en tres dimensiones. Se establece por acción de diversas interacciones moleculares que la determinan y la estabilizan. De acuerdo con la forma y disposición de los sustituyentes R, se generan fuerzas atractivas o repulsivas que obligan a la proteína a tomar una disposición energéticamente favorable. Los arreglos estructurales de las secuencias aminoacídicas conforman la estructura secundaria hélice u hoja plegada particular de cada segmento de la secuencia. Cuando la cadena se enrolla o despliega, para adquirir conformaciones ovilladas o fibrosas, aminoácidos que se encuentran muy alejados en la estructura primaria, pueden quedar muy cerca entre sí. Por ejemplo el aa. 5 de la cadena, puede quedar en la cercanía del aa. 160, producto de los enrollamientos que sufre.

Existen zonas de actividad biológica muy específicas en las que una alteración de la estructura terciaria ocasiona la pérdida de funciones, de una manera casi imposible de predecir. Igualmente el conocimiento de la secuencia primaria no permite deducir la estructura terciaria de una proteína, sino que debe ser determinada por medios analíticos experimentales adecuados. Como ya expresáramos, la estructura primaria y la estructura secundaria tendrán influencia en la distribución o estructuración terciaria. De la polaridad de cada aminoácido, como anticipáramos dependerá la distribución terciaria. Los grupos polares tendrán preponderante orientación hacia el exterior, es decir hacia zonas hidrofílicas, como lo es el medio común del organismo. Los aminoácidos no polares, buscarán encontrarse hacia el interior hacia regiones más hidrofóbicas, en un ambiente generado por partículas de polaridad muy baja (bolsillos hidrofóbicos de proteínas), a lo cual contribuye la compactación de las proteínas globulares, que impiden el ingreso de agua hacia su interior.

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Bioquímica

Lehninger, 4th. Ed. Como ya se expresara, la estructura terciaria está sostenida y determinada por diferentes interacciones físicoquímicas, tal como se grafican en la imagen de arriba. Ellos son: Enlaces covalentes: típicos de la estructura primaria construida sobre los enlaces amida inter aminoácidos, se forman entre átomos de azufre de diferentes aa. azufrados. (Dos cisteínas, que originan una cistina). Puente hidrógeno, es la interacción que determina la estructura secundaria de proteínas, y que se establece entre oxígenos de los carbonilos u oxhidrilos de un aa. con un hidrógeno de otro aminoácido, ya sea inter o intracadena. Fuerzas de Van der Waals: se originan por fluctuaciones de campo de los electrones que generan gradientes de carga, entre grupos no polares que interaccionan entre sí. Las atracciones hidrofóbicas se producen entre moléculas no polares como valina, o alanina a través de interacciones entre sus cadenas carbonadas. Enlace Coordinado: se produce con los metales, como en el caso del Fe ++ en el grupo Hemo y las flavoproteínas y el Co++ en la vit B12, o el Mg ++ en la clorofila En función de su estructura secundaria, fueron propuestos cinco tipos principales de proteínas. Tipo I: La estructura secundaria es puramente alfa hélice. Son globulares y muy compactas. Tipo II: En este caso la estructura secundaria también es pura, pero posee algunos tramos beta, en general láminas antiparalelas. Tipo III: Una zona es puramente alfa y otra puramente beta Tipo IV: Las regiones alfa y beta se encuentran mezcladas; a una zona alfa le sigue una beta y a ésta una alfa, mostrando una alternancia entre las dos formas. Tipo V: helicoidales Chaperonas Las proteínas activas son llamadas nativas, ya que se encuentran es su estado conformacional inicial para el que fueron diseñadas. La elevación de la temperatura, produce la ruptura de las interacciones interatómicas, y ocasionan la pérdida de estructura y funcionalidad. Poe ejemplo, coagulación de las proteínas, proceso irreversible que no se retrotrae con la disminución de la temperatura. Se ha perdido el ordenamiento estructural. Cuando las proteínas se sintetizan intervienen otras proteínas que no corresponden a su secuencia primaria, y cuya función es contribuir al plegamiento correcto de la proteína que se está sintetizando. Estas proteínas se llaman chaperonas, ya que acompañan la maduración de la proteína neosintetizada, o de las que cambian de forma por pasaje entre compartimentos. Existen varios tipos de chaperonas, que se identifican con proteínas de shock térmico (Heat Shock Protein). Las HSP son identificadas por un número que indica el peso molecular de sus molécula (Hsp 70, Hsp 90 por 70 y 90 KDa respectivamente). Las proteínas de choque térmico están muy conservadas evolutivamente y son rápidamente sintetizadas cuando las células pro o eucariotas son sometidas a condiciones de stress, por lo que también son denominadas proteínas de prime. De acuerdo con la estructura terciaria las proteínas en general adoptan conformaciones globulares o fibrosas, según su plegamiento sea esferoide o alargado. Las proteínas globulares son solubles en aguas y en soluciones salinas, mientras que las fibrosas frecuentemente son insolubles.

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Estructura cuaternaria: Las proteínas pueden ser mono o policatenarias. Éstas a su vez se clasifican en homo y heteropoliméricas según las cadenas sean iguales o diferentes entre sí. Las interacciones intercatenarias cuando la proteína posee más de una cadena (dímeros, trímeros) son las mismas que intervienen en el mantenimiento de su estructura terciaria, excepto los enlaces covalentes. Proteínas de importancia biológica Transportadoras de oxígeno: Son proteínas complejas que están formadas por cadenas proteicas que se unen a un grupo prostético Hemo. Se especializan en el transporte de oxígeno, dado la baja solubilidad de este gas en sangre. El grupo Hemo es una estructura compleja tetrapirrólica unida a un ion hierro divalente (Fe++). Los cuatro pirroles se encuentran unidos por cuatro grupos metilénicos; además los pirroles poseen cuatro sustituyentes metilos (M), dos etilenos (E) y dos propiónicos (P) conformando una molécula denominada protoporfirina, que posee una complejidad estructural que posibilita la generación de varios isómeros. Cuando los sustituyentes se encuentran ubicados desde el 1 al 8 en sentido dextrógiro en el siguiente orden, M, E, M, E, M, P, P, M, el isómero se denomina protoporfirina IX. Las alteraciones patológicas de estas moléculas generan enfermedades llamadas porfirias. El hierro se une utilizando 4 valencias hacia los cuatro nitrógenos, la quinta se relaciona por un enlace de coordinación hacia una histidina en posición 8 de la globina. La sexta valencia de coordinación del hierro es la que se utiliza para unir a la molécula del gas que transporta. Mioglobina (Mb): La mioglobina es una proteína ubicada preponderantemente en el músculo, siendo su principal función la de ser un reservorio de oxígeno disponible para el metabolismo del músculo. Cuando sus reservas se agotan, el músculo apela al metabolismo anaerobio que genera como catabolito final al ácido láctico, lo que produce la sensación de calambre muscular. La afinidad de la mioglobina por el oxígeno es alta. Está formada por una cadena de proteínas constituida por 153 aa. que alterna la forma alfa con la beta. Hemoglobina (Hb): es una proteína transportadora de gases en sangre. Su ubicación es intra eritrocitaria. Existen variantes según las etapas de desarrollo del individuo. Mientras las hemoglobinas del adulto son la A1 y la A2, durante la etapa embrionaria existen hemoglobinas variantes y en la etapa fetal, predomina la Hb F. La hemoglobina es la proteína más abundante de la sangre. Estructuralmente es un tetrámero conformado por dos pares de globina con un grupo Hemo cada una. La hemoglobina tiene un PM de 65 kDa; las cuatro cadenas que conforman la estructura cuaternaria se encuentran muy agrupadas, por lo que adquieren una forma globular con orientación tetraédrica. Cada una de las globinas es muy semejante a la cadena proteica de la mioglobina. La estructura secundaria es helicoidal, con un 80 % de las cadenas en conformación alfa. La estructura terciaria es globular, siguiendo los perfiles funcionales de polaridad en relación al medio. Los grupos polares se dirigen hacia el exterior, donde priva un medio acuoso, mientras que los aa. no polares, se orientan al interior de la proteína originando un ambiente hidrofóbico adecuado para contener establemente al grupo Hemo. El ambiente hidrofóbico es reductor, lo que contribuye a mantener al hierro en su estado más 2. En este estado, el Fe tienen un comportamiento similar al descripto para la mioglobina. La estructura cuaternaria se establece entre dos pares de globinas, cuyas variantes originan diferentes tipos de Hemoglobina.

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Bioquímica

bioterapi.ro Existen diversas variantes de Hemoglobina, de acuerdo con las globinas que la integran. La Hemoglobina A1 (del adulto) es cuantitativamente mayoritaria. (Aproximadamente 97% del total). El tetrámero está conformado por cuatro unidades (dos pares) de globinas unidas cada una de ellas a un grupo Hemo: dos cadenas alfa y dos cadenas beta de 141 y 146 aa. respectivamente ( a2 b2 ).Su estructura secundaria es de alfa hélice, siendo la estructura terciaria de carácter globular con 7 y 8 segmentos respectivamente. Existen otras Hemoglobinas, como la A2, que se encuentra en una proporción minoritaria en el adulto. En su estructura se observa el reemplazo de las dos cadenas β por δ ( a2 d2 ); En las primeras etapas del desarrollo de los vertebrados, existen otras hemoglobinas, denominadas embrionarias. Sus tetrámeros son ( x2 e2 ), ( x2 g2 ) ο( a2 e2 ). En la etapa fetal, la más importante es la Hemoglobina F, cuyo tetrámero proteico está conformado por dos cadenas alfa y dos cadenas gamma ( a2 g2 ). Cada átomo de Fe++ actúa con una estructura de coordinación 6. Cuatro enlaces se dirigen a cada uno de los nitrógenos de cada pirrol de la protoporfirina. Un quinto enlace se orienta hacia la histidina F8 de la cadena de globina y el sexto, opuesto a aquel, queda libre para unirse a la molécula de O2 que debe transportar. Cada molécula de Hb puede transportar 4 moléculas de O2; se sabe que la introducción de la primera molécula de O2 favorece el ingreso de las restantes (efecto cooperativo). La unión reversible de la hemoglobina con el oxígeno e muestra en la reacción: Hb – (H+) 4

+ 4º2 =====

Hb – (O2 )4 + 4 H+

Forma T

Forma R

(TENSA)

(RELAJADA)

Cuando el oxígeno se une a la hemoglobina, se producen modificaciones conformacionales, que ocasionan la transformación desde una conformación T a su conformación R, lo cual produce un impacto alostérico:

1. Durante el proceso de oxigenación el grupo Hemo pierde curvatura y se acerca al plano porfirínico, lo cual no tienen efecto en la mioglobina, pero si en la hemoglobina, ya que induce cambios en la estructura cuaternaria. 2. Un par de globinas (alfa1- beta-1) gira, cambiando su interrelación con la otra cadena beta. 3. Los movimientos de un grupo Hemo se transmiten a las otras subunidades, fundamentales para que desaparezcan grupos salinos que impedían el ingreso de las subsiguientes moléculas de oxígeno. La intensidad de unión del oxígeno a la proteína, está cuantificada por Y, denominada fracción de saturación. “Y” es la relación entre la cantidad de sitios receptores de O2 ocupados y la cantidad total de receptores de la molé-

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cula. Se puede relacionar así la influencia que tiene la presión parcial del gas con la cantidad de sitios ocupados. Cuando se grafica en un eje cartesiano, Y vs. “p” (Presión Parcial) la hemoglobina origina una curva sigmoidea. El mismo gráfico para le Mioglobina muestra una mayor afinidad por el oxígeno que la Hemoglobina. La Hemoglobina desoxigenada tiene el Hem curvado, hasta que entra el primero oxígeno, lo que modifica las interacciones que facilitan la entrada de los oxígenos siguientes. Por otra parte, también se observan modificaciones de la estructura secundaria. Nótese en la curva sigmoidea que al principio tiene que aumentar mucho la presión para que Y se modifique muy levemente la saturación. Luego, la curva aumenta marcadamente su pendiente, por lo que pequeñas modificaciones de presión, originan rápido aumento de Y, hasta llegar a su saturación, donde el aumento de presión, no modifica prácticamente a la saturación.

Tomado de http://g-se.com/ La mioglobina por otra parte muestra que para la misma presión de Oxígeno, (cualquier línea vertical), al extrapolar, presenta mayor saturación que la hemoglobina. Es decir que si para la misma presión, la mioglobina tiene mayor saturación de oxígeno que la hemoglobina, resulta evidente que su afinidad por el oxígeno es mayor. Transporte La Hb además de oxígeno, transporta protones y dióxido de carbono. Sufre regulaciones por parte de ellas o del BPG – bi fosfo-glicerato, lo cual modifica la afinidad por el O2. Estas inducen modificaciones alostéricas, ya que su unión a ciertas regiones, genera modificaciones estructurales que condicionan la actividad en el centro activo. Los protones ingresan con mayor facilidad a las Hemoglobina desoxigenada (HbHH) que en la oxigenada, por lo cual en medio ácido, los protones desplazan al oxígeno, produciendo su liberación. Lo mismo ocurre con el CO2, disminuye la afinidad por el oxígeno, por lo cual en los tejidos con alta pCO2, la hemoglobina se transforma en carboxi hemoglobina liberando el oxígeno necesario en el lugar. Un tejido activo metabólicamente produce CO2 lo que facilita el aporte de oxígeno para la continuidad de la actividad metabólica. A medida que desciende el pH, la afinidad del Oxígeno por la Hb disminuye. Por ello, los pacientes en acidosis presentarán una saturación de O2 menor. El hematíe contiene bifosfoglicerato, una molécula cargada negativamente, producto de la esterificación de dos oxhidrilos del glicerol con dos moléculas ácido fosfórico (Representado en la figura como P).

C–O–P l C–O–P l C – O – OEste compuesto, al poseer cargas negativas, tiene alta afinidad por los grupos positivos portados por lisinas, histidinas y aminos, por lo cual desplaza al oxígeno, facilitando su liberación en los tejidos.

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Bioquímica

Proteínas alteradas. Cuando el Fe ++ se oxida a Fe+++ el grupo Hemo se modifica a hemina y la hemoglobina se transforma en metahemoglobina. Esta variante no es apta para transportar oxígeno. La carboxi hemoglobina se origina cuando el monóxido de carbono (CO) producido en ambientes tóxicos con bajo tenor de oxígeno, ingresa por vía respiratoria. El CO tiene una afinidad por la Hb muy superior a la del oxígeno, por lo cual lo desplaza formando complejos muy estables que impiden el transporte del oxígeno hacia los tejidos.

Hemoglobina S: La hemoglobina S es una hemoglobina anormal que se detectó en un caso particular de anemia, denominada falciforme, por la forma particular que presentan algunos hematíes de esos pacientes (forma de hoz). La Hemoglobina S exhibe una mutación en la globina beta, en donde el ácido glutámico de posición 6 es reemplazado por una valina. El hecho de reemplazar un aminoácido con características ácidas, cuyo R está cargado negativamente por otro con características hidrofóbicas, origina modificaciones estructurales que encastran con otras moléculas de Hb S, por lo que se produce una polimerización de la Hemoglobina. Estas macromoléculas se precipitan y deforman al eritrocito, haciéndole perder flexibilidad y perturbando el pasaje del glóbulo rojo afectado en la luz capilar, originando obstrucciones y necrosis tisulares. En los individuos heterocigotas, alrededor de un 2% de los hematíes presentan la morfología de hoz. En cambio, en los pacientes homocigotos se observa un porcentaje promedio del 50%. Esta patología es muy común en África, porque la anemia falciforme produce en quienes la padecen cierta inmunidad frente a la malaria producida por el parásito hemático Plasmodium falciparum. Posiblemente la mayor fragilidad hemática, impida el desarrollo del parásito, estimulando una ventaja evolutiva en ese sentido.

EscleroProteinas Son proteínas fibrosas, estructurales que conforman diversos tejidos de sostén y protección. Son insolubles en agua y soluciones salinas. Abarcan al colágeno, elastina y queratinas.

Colágeno Con el nombre de colágeno se abraca un diverso grupo de proteínas extracelulares sintetizadas por los fibroblastos predominantes en el tejido conectivo, presente en piel, huesos, cartílagos entre otros numerosos tejidos resistentes. Corresponde a un tercio del total de las proteínas del cuerpo. Así como la estructura primaria de proteínas exhibe una enorme diversidad basada en la inclusión de 20 aa., el colágeno se distingue por estar compuesto por una unidad denominada tropocolágeno, que muestra un predominio particular de cuatro aminoácidos: glicina, prolina, hidroxiprolina e hidroxilisina. Estos aa. forman un tripéptido de muy repetido: Gli- X – Pro. Otra particularidad del tropocolágeno es que tiene una estructura tri fibrilar. Efectivamente, está conformado por tres cadenas proteicas levógiras. A su vez, las tres cadenas se acomodan entre sí en un superordenamiento dextrógiro, lo cual las dota de gran resistencia a raíz de ese gran entrecruzamiento. La diferentes alternativas estructurales que pueden adoptar estas formaciones, originan distintas variantes de colágenos: tipo I, II, III y IV. El más abundante es el tipo I, que se encuentra mayoritariamente en huesos, piel, tendones y córnea, la II en cartílago y humor vítreo, la III en vasos sanguíneos y órganos internos, y la IV es muy particular por ser el constituyente de la lámina basal y presentar, a diferencia de los anteriores que son fibrilares, estructura reticular, la cual es necesaria para que la lámina basal pueda cumplir con sus funciones. El colágeno I es mayoritario respecto de las 15 variantes reconocidas. El colágeno I exhibe una gran regularidad en su estructura primaria, con el tripéptido Gli-Pro-HoPro. Como la estructura es muy apretada, y por cada vuelta hay 3 aa., el único que puede por razones estéricas dirigirse hacia el interior de la hélice, es la glicina, por lo cual ella aparece cada 3 aa. (33%) y la prolina y la hidroxiprolina se orien-

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tan hacia el exterior helicoidal. Por otra parte el hidrógeno de la glicina, genera puentes hidrógeno transversales con los carboxilos de las otras dos cadenas de la tríada. Una vez sintetizado el tropocolágeno en el fibroblasto, se exporta al exterior donde se produce el ensamble de las fibras, que adquieren una estructura cabeza cola que se repite y que además se refuerzan con los enlaces covalentes perpendiculares.

La resistencia de las fibras está en relación directa con la cantidad de enlaces covalentes cruzados. La carencia de vitamina C ocasiona problemas de hidrolización en la estructura del colágeno, lo que determina la aparición de una enfermedad carencial: escorbuto, que evidencia problemas capilares con hemorragias subcutáneas y lesiones dérmicas. Sin esa vitamina, no se produce la hidroxilación enzimática necesaria para sintetizar los aa. hidroxilados. Otro problema evidente en el colágeno es por un defecto genético que produce una mutación que reemplaza una glicina por cistina, ocasionando fragilidad ósea y deformaciones esqueléticas (niños cristal).

Elastina Como su nombre lo indica, la elastina integra estructuras que exhiben características elásticas, que ante cualquier tensión, son capaces de recuperar su disposición inicial. Mientras el colágeno está formado por tres cadenas levógiras enrolladas a derecha, la elastina está formada por una sola cadena polipeptídica. Esta cadena es también rica en glicina en relación 3:1, pero posee menos hidroxiprolina y no posee hidroxilisina. Además posee aa. no polares como la alanina. Los tetrámeros adquieren configuración α hélice, lo que le confiere características elásticas. Otras zonas, encargadas de formar enlaces perpendiculares entre fibras son ricas en alanina y lisina.

Queratinas Las queratinas adquieren un rol de protección fundamental. Se pueden dividir en dos grandes grupos: alfa y beta queratinas. α-queratinas Debe su nombre a su configuración helicoidal que es de tipo α. Hay al menos 30 tipos de queratinas que integran epidermis, uñas y pelos. Las zonas α− helicoidales están flanqueadas por zonas no helicoidales. Las queratinas se clasifican en I y II. Las de tipo I, son ácidas y las de tipo II, neutras o básicas. Forman dímeros, sólo cuando se de tipo distinto, dímeros I – II. Se estabilizan por enlaces hidrofóbicos y salinos, principalmente. α-queratinas Son comunes en picos, plumas y escamas en reptiles y aves. Estas tienen estructura de b hoja plegada. Para poder establecer las interacciones inter láminas, los aminoácidos laterales son de bajo peso molecular. Las láminas se integran por interacciones de Van der Waals y de puente hidrógeno. Proteínas musculares Existen tres tipos de músculos en vertebrados: estriado, liso y cardíaco.

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Bioquímica

Los últimos dos están formados por células musculares uninucleares, mientras que el músculo estriado se basa en otro tipo de unidad: la fibra muscular, alargada y multinuclear. El músculo estriado, denominado esquelético, tiene fibras musculares formadas por paquetes de miofibrillas en el citosol, encargados de la función contráctil. La investigación microscópica determinó la existencia de bandas claras (I) y oscuras (A), alternadas. La unidad funcional se denomina sarcómero (sarco = músculo; mero= parte). Existen filamentos delgados (actina, tropomiosina y troponina) y filamentos gruesos (miosina).

Miosina Componente de los filamentos gruesos, está formada por 6 cadenas polipeptídicas (2 cadenas pesadas y dos dobletes de cadenas livianas). Los extremos C- terminal poseen estructura alfa hélice que se superenrolla en una cadena polipeptídica doble. Hay abundancia de Leucina, Alanina y Ac. Glutámico con ausencia de prolina.

Actina Es una molécula distribuida en todo el reino animal. Son estructuras hoja beta de conformación globular. Integra las fibras delgadas junto con la tropomiosina, de estructura alfa helicoidal.

Distrofina Es una proteína tetramérica que conforma un complejo que une a actina por su extremo amino terminal, y por glicoproteínas que se enlazan a la laminina extracelular. Su defecto lleva a la distrofia muscular de Duchenne, en la cual se produce una degeneración muscular que comienza en la niñez afectando progresivamente las piernas, los brazo y finalmente al diafragma. A las dificultades para caminar, se suman las dificultades para respirar, llevando a la muerte aproximadamente a la edad de 30 años.

Troponina Es un complejo triproteico mayoritariamente globular, de gran tamaño (70 KD), con una fracción fibrosa, que participa en la función de acoplamiento actina/miosina en el trabajo muscular; está integrado por Tn T, que fija tropomiosina, Tn I, inhibidora de la interacción de contracción, actina- miosina y Tn C, fijadora de calcio. Cuando se produce una ruptura de la fibra miocárdica, se vuelcan al torrente sanguíneo las fracciones T e I principalmente, constituyéndose en marcadores muy sensibles y específicos de daño miocárdico, de iniciación temprana.

Proteínas

plasmáticas

La sangre consta de una fracción globular y una plasmática. En la fracción globular ya hemos tratado su proteína intraeritrocitaria más importante: la hemoglobina. En la fracción plasmática se detectan normalmente entre 60 y 80 gramos de proteínas por litro de plasma. La electroforesis de proteínas separa las fracciones más importantes en función de su relación de carga masa sobre un soporte y un buffer adecuados. La más abundante es la albúmina, con una concentración de aproximadamente 45 gramos por litro de plasma.

Albúmina Es una proteína pura ya que no contiene glúcidos ni lípidos. Tiene un pI= 4,8, lo que denota su carácter ácido y presenta una muy elevada estabilidad. Tiene 582 aa. de los cuales una elevada cantidad corresponde a aminoácidos cargados (aspártico, lisina, glutámico, arginina) y de cisteína, lo que le permite establecer 17 puentes disulfuro y con ellos una estructura de 9 bucles. La estructura secundaria presenta en la albúmina humana un 55% de α hélice y un 16% de hoja β. Se forma en el hígado como prealbúmina, la cual al perder un hexapéptido de su extremo amino terminal (complejo de Golgi), se segrega en su estado definitivo. La albúmina es muy eficiente como transportadora y para el mantenimiento de la presión coloido- osmótica del plasma. Cuando hay un déficit ya sea por pérdidas renales

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(síndrome nefrótico), falta de síntesis (hepatopatías) o falta de ingesta (problemas nutricionales) se observa la aparición de edemas generalizados como consecuencia de la extravasación de agua desde el sistema intravascular hacia el intersticio Las funciones como transportadora son de alta eficiencia, contribuyendo a la distribución corporal de sustancias insolubles como ácidos grasos. Las zonas eléctricas negativas (aspártico/ glutámico) favorece el transporte de Cationes como Ca++, Cu++, Ni++, Co++ y Zn ++.

Haptoglobinas Es un complejo proteico que migra en la fracción α 2 globulina de la electroforesis. Se encuentran tres variedades formadas por cadenas α /β δ que se diferencian en función de su estructura primaria. Este complejo tiene como finalidad unirse a la Hemoglobina liberada de la hemólisis eritrocitaria y así evitar su excreción renal con consecuentes lesiones tubulares. El complejo es degradado en el sistema retículo endotelial para la reutilización del Fe.

Ceruloplasmina También migra en la fracción α - 2 globulina. Tiene dos funciones principales: Transporte de Cubre, tanto mono como divalente (Cu+, Cu++) y oxidar el Fe++ a Fe+++ con lo que se logra su incorporación a la transferrina. Esta fracción está muy disminuida en la enfermedad de Wilson, de origen genético, lo que conlleva a una elevación de la cupremia y al depósito metálico en los tejidos a los cuales lesiona con el tiempo (Hígado y el cerebro). Prolaminas y glutelinas, son proteínas insolubles en agua, presentes en ciertos vegetales y capaces de generar patologías por intolerancia a nivel intestinal por su presencia en productos panificados. Son englobadas bajo el nombre de gluten, que constituye un grupo proteico vegetal, prescindible para el organismo que intervienen en los procesos de panificación. Las prolaminas, glicoproteínas ricas en glutamina y prolina, y de bajo peso molecular (< 80KDa), adquieren su nombre de acuerdo con el cereal en el que se encuentren. (Por ejemplo, en el trigo, gliadina hordeína en cebada, etc.). Son extraíbles por soluciones alcohólicas. Las gluteninas en cambio son extraíbles por soluciones ácidas diluidas, de alto peso molecular (entre las más grandes conocidas con varios millones de KDa.) Se encuentra en este grupo a la proteína de la avena, avenina. Los derivados TACC (trigo, avena, cebada y centeno) pueden causar celiaquía en individuos predispuestos, trastornos alérgicos y dermatitis con una sensibilidad general no celíaca. Caseína: Proteína de la leche, que se encuentra bajo la forma de sal cálcica (caseinato de calcio). Es una proteína fosforada que se divide en tres fracciones: alfa, beta y kappa, que se caracterizan por un PM y proporción de fosfatos decrecientes.

Fibrinógeno Es una glicoproteína que participa del proceso de la coagulación para generar fibrina por acción de la trombina. Migra con la fracción β de la electroforesis. Su estructura consiste en dos dímeros unidos por puente disulfuro. Cada dímero está formado por tres cadenas proteicas entrelazadas como α hélice = (abγ)2 . , las cuales tienen 610, 461 y 410 aa. respectivamente. La acción catalítica de la trombina hace que se modifiquen la distribución de cargas, favoreciendo el acoplamiento molecular (coágulo blando), que se estabiliza posteriormente por los enlaces covalentes entre lisina y glutaminas, por la acción del Factor XIII en presencia de calcio. La protrombina y los factores VII, IX y X poseen extremos carboxi glutamato capaces de reaccionar con el calcio en la cascada de coagulación (calcio dependientes) con intervención de la vitamina K. Existen proteasas ( Proteína C) o inhibidores (Antitrombina III), participando en los equilibrios de los procesos hemostásicos.

Proteínas de defensa Mucinas: son proteínas cubiertas con oligopolisacáridos, características de los diferentes epitelios. Se conocen ocho estructuras (MUC-1 a MUC-8) con una gran variedad de oligosacáridos asociados.

Péptidos

antimicrobianos

Producidos en los queratinocitos, se reconocen las beta defensinas y las catelicidinas. Son fuertemente catiónicos e hidrófobos, por lo que alteran inespecíficamente las membranas celulares de ciertos patógenos.

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Bioquímica

Citocinas Son glicoproteínas de bajo PM (alrededor de 30 Da). Su estructura está constituida mayoritariamente por cuatro alfa hélices y minoritaria presencia de lámina beta. Actúan como mensajeros químicos en la respuesta inmune. En este grupo se encuentran las Interleuquinas.

Proteína C Reactiva Es una proteína del grupo de las pentraxinas cortas que se expresa en la fase aguda post lesión tisular en mamíferos. Tiene estructura semejante a una inmunoglobulina (ver más adelante), promueve la inflamación y la activación del complemento. Su síntesis hepática es estimulada por las interleuquinas.

Sistema

complemento

Es un conjunto de proteínas evolutivamente muy conservadas que integran la defensa innata. Son producidas por el hepatocito y se activan por diferentes mecanismos que involucran la intervención de proteasas y un sistema de cascada. Su estudio se intensifica en la inmunología.

Proteínas

de histocompatibilidad

Las proteínas del complejo I son glicoproteínas de membrana conformadas por un dímero polipeptídico: una cadena alfa de 340 aa. y una beta 2 microglobulina de 99 aa. Las moléculas de clase II son glicoproteínas heterodiméricas formadas por la fracción alfa de 229 aa. y la beta de 237. Contribuyen a la diferenciación de los antígenos propios de los exógenos.

Inmunoglobulinas Son glicoproteínas de la inmunidad adaptativa. Su estructura consta de cuatro cadenas: dos pesadas (H) de 440 aa. y dos livianas (L), de 220 aa. Las cadenas están unidas por puentes disulfuro. Cuando una inmunoglobulina se trata con papaína se obtienen tres fragmentos, de peso semejante: dos Fab que se une a anticuerpos, y Fc que se une a receptores celulares. Las inmunoglobulinas tienen regiones constantes y variables. La región del amino terminal es una región hipervariable, correspondientes al sitio de unión al antígeno. La fracción constante, perteneciente al Fc (extremo carboxi terminal) es la que se une a los receptores de Fc de las células. La estructura secundaria es de beta hoja plegada antiparalela, mientras que la estructura terciaria adquiere características globulares. Ag

Ag

CH1, CH2 y CH3 son las regiones constantes de las cadenas pesadas H; VH es la región variable CL son las regiones constantes y VL las variables de las cadenas liviana L.

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Existen dos tipos de cadenas livianas: kappa y lambda que difieren en la estructura primaria del extremo carboxiterminal. Existen puentes disulfuro entre las cadenas que mantienen su estructura. Las principales inmunoglobulinas son la Ig G asociada a la defensa crónica, la A y A secretoria en la defensa de epitelios y la E asociada a procesos alérgicos. La Ig M es la primera en reaccionar en los procesos agudos. Las Ig G, E y D son moléculas monoméricas, mientras que la inmunoglobulina A puede ser monomérica o dimérica. La inmunoglobulina M es pentamérica. Proteínas nucleares Además de las proteínas del citoplasma, resulta necesario tener en cuenta a las proteínas del núcleo celular por su gran importancia en la regulación de los procesos de reordenamiento estérico del ADN en el ciclo celular. Histonas Las histonas son proteínas básicas por su alto contenido en lisina y arginina. Su carga eléctrica es catiónica lo que se unen fuertemente a los ácidos nucleicos, los cuales se encuentran cargados negativamente. Esta asociación entre las proteínas catiónicas y ácidos nucleicos aniónicos genera nucleoproteínas que forman los cromosomas. Estas nucleoproteínas sufren modificaciones químicas como metilación, acetilación, fosoforilación, etc. Estas interacciones producen modificaciones funcionales que se encuadran en los fenómenos epigenéticos, Las histonas son proteínas muy fuertemente conservadas en la naturaleza, mostrando un índice de mutación muy bajo y manteniendo su secuencia inalterada entre diversos organismos evolutivamente alejados. Esto demuestra su participación en procesos biológicos muy básicos y generales. La unidad de la cromatina es un cilindro octamérico de histonas (H2A, H2B, H3, H4)2 abrazado por 140 pares de bases. Hay entre 20 y 100 pares de base entre nucleosomas por lo cual la cadena adquiere un aspecto de rosario, donde los nucleosomas son as cuentas. Las enzimas atacan estos tramos internucleosoma, pero no a los nucleosomas mismos, Estas cadenas se superenrollan hasta lograr un superempaquetamiento que posibilita una compresión de 12.000 a 1. Protaminas Son proteínas más pequeñas que las histonas, también básicas, conteniendo arginina preponderantemente y algo de lisina, por lo que se encuentran cargadas positivamente, lo que favorece la asociación iónica con el ácido desoxiribonucleico, cargado negativamente a pH fisiológico. Las protaminas se encuentran en espermatozoides, bajo una disposición alfa helicoidal, lo que permite su inclusión en el espermatozoide.

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Bioquímica

6

Enzimas Cinética y velocidad de reacción Las reacciones químicas se clasifican de acuerdo a su mecanismo de acción y la particularidad de sus compuestos. Sin embargo un elemento determinante es la velocidad de la reacción. Para que la reacción química se concrete, debe ser espontánea o si no es necesario aportar energía externa a la misma, en general bajo la forma de calor. Considerando que la temperatura del cuerpo humano es de 37°, las reacciones no se concretarían en el tiempo necesario para asegurar su ejecución eficiente en el metabolismo orgánico. La velocidad de reacción es regulada por sustancias catalizadoras, que no intervienen en la reacción, sino que modifican su velocidad. Los catalizadores positivos las aceleran y los negativos o inhibidores las desaceleran. Los catalizadores orgánicos más comunes son un tipo particular de proteínas, denominadas enzimas. Las enzimas logran disminuir la energía de activación de la reacción con lo cual la reacción se acelera. Las enzimas son grupos proteicos llamados apoenzimas. Su carácter catalítico se adquiere cuando interviene un cofactor para constituir la forma activa llamada holoenzima. Los cofactores pueden ser átomos metálicos como hierro o magnesio. Cuando el cofactor es de naturaleza orgánica se denomina coenzima. Éstas no son específicas de las enzimas, cómo estas si son respecto de sus sustratos. Las enzimas que tienen variantes estructurales (generalmente por su estructura cuaternaria), pero que catalizan una única reacción, se denominan isoenzimas. Por ejemplo la enzima láctico dehidrogenasa es tetramérica, estando conformada por dos tipos de estructura proteicas (H y M). Si estas se combinan de una u otra manera, va a cambiar la prevalencia en un tejido, aunque se mantiene su especificidad catalítica. Si las unidades monoméricas se estructuran con cuatro H, o cuatro M, o formas intermedias, se obtendrán diferentes isoenzimas: HHHH (LDH1) y HHHM (LDH2) se encuentran en miocardio y eritrocitos, HHMM (LDH3) es prevalente en cerebro y riñón y MMMM (LDH5), predomina en músculo esquelético e hígado.

CLASIFICACION DE ENZIMAS La cantidad de enzimas es tan elevada, que su identificación a mediados del siglo pasado se tornó muy compleja. Para ordenar esta cuestión, el Comité de Enzimas de la Unión internacional de Bioquímica37 determinó que se designe a las enzimas con las letras EC y cuatro números separados por puntos. El primero indica la clase a la que pertenece. El segundo a la sub clase. El tercero es la sub sub clase y el cuarto representa el número que ocupa en el listado, o el sustrato sobre el que actúa. Las enzimas se clasifican en seis clases principales, según el mecanismo de la reacción que catalizan, las que se indican a continuación con sus subclases.

37

International Union of Biochemistry and Molecular Biology. www.iubbm.org

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1.Óxido- reductasas: intervienen en la transferencia de electrones desde un grupo reductor a uno oxidante,

1. Deshidrogenasas 2. Oxidasas 3. Reductasas 4. Peroxidasas 5. Catalasa 6. Oxigenasa 7. Hidroxilasas 2. Transferasas: transfieren grupos funcionales entre diferentes moléculas, desde un compuesto donador a uno aceptor

1. Transaldolasa - Transcetolasa 2. Acil, glucosil y fosforil transferasas 3. Quinasas 4. Fosfomutasas 3. Hidrolasas: aceleran reacciones de hidrólisis, es decir romper enlaces mediante la adición de agua

1. Esterasas 2. Glucosidasas 3. Peptidasas 4. Fosfatasas 5. Tiolasas 6. Fosfolipasas 7. Amidasas 8. Desaminasas 9. Ribonucleasas

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Bioquímica

4. Liasas: catalizan reacciones de adición sobre dobles enlaces

1. Decarboxilasas 2. Aldolasas 3. Hidratasas 4. Deshidratasas 5. Sintasas 6. Liasas 5. Isomerasas: participan en reacciones de isomerización

1. Racemasas 2. Epimerasas 3. Isomerasas 4. Mutasas 6. Ligasas: forman nuevos enlaces mediante la energía aportada por la extracción de fosfatos de ATP o GTP.

1. Oxígeno 2. Azufre 3. Nitrógeno 4. carbono Además, existen las subsubclases que contribuyen a su clasificación interna y sobre que sustrato trabajan. Por ejemplo, la α− amilasa38, de importancia para la hidróslisis de los enlaces alfa glicosídicos, y utilizada en el diagnóstico clínico, se encuentra catalogada como Poder catalítico Las enzimas son los catalizadores más específicos que se conocen, no sólo sobre los sustratos que actúan, sino también por el tipo de reacción en los que intervienen. En la enzima existe una zona particular, donde la estructura terciaria genera una región favorable para que se produzca el encuentro entre el sustrato y la enzima. Ésta región se denomina centro activo. Esto fue explicado con el modelo “llave- cerradura”, como una conformación complementaria rígida que permitía el acceso de una molécula y no de otra. El modelo de “acoplamiento inducido” considera que la estructura de contacto es más flexible. 38

http://www.enzyme-database.org/query.php?name=amylase

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La enzima y el sustrato se unen para generar un complejo enzima-sustrato, que disminuye la energía de activación, lo cual posibilita la liberación de la enzima y la transformación del sustrato en producto. La enzima queda libre para participar en otro proceso enzima- sustrato. Por ello la enzima no se agota, aunque si lo haga el sustrato. E + S  [E-S]  P + E S  [E-S]  P + E Cinética enzimática En razón de que en los procesos enzimáticos la enzima se recupera y se encuentra en exceso, el reactivo limitante para determinar la velocidad es el sustrato. Si la concentración de Sustrato es baja, la velocidad será baja y a medida que se incremente la concentración de sustrato, aumentará la velocidad, hasta llegar a un máximo que será el punto de saturación de la enzima. Éste punto se denomina velocidad máxima (Vmax).

Si determinamos la concentración de sustrato a la cual la velocidad es = ½ Vmax. Para cada enzima se determina su ½ Vmax. Ésta se denomina Km, constante de Michaelis, es decir la concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la velocidad máxima en esa reacción y bajo esas condiciones. La relación entre Km y Vmax se establece en la ecuación de Michaelis[S] V = V max. ---------------Km + [S] Inhibición enzimática Existen sustancias que interfieren en la acción de la enzima obstaculizando sus efectos.

(i) Por desnaturalización: agentes físicos como la temperatura, químicos como los ácidos u oxidantes. La enzima queda inutilizada irreversiblemente Ciertas toxinas pueden unirse covalentemente a la enzima y producen su inactivación. (ii) Isostéricos : comprometen la actividad del sitio activo, impidiendo la efectiva interacción sustrato-enzima (iii) Alostéricos: producen cambios conformacionales en la estructura de la proteína, lo que repercute en su funcionalidad

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Bioquímica

I.Inhibición Isostérica a.competitiva Este mecanismo se da cuando el inhibidor y el sustrato compiten por el centro activo. El inhibidor ocupa el sitio específico e impide el acceso del sustrato para conformar el complejo E-S. La inhibición se produce cuando las concentraciones de inhibidor son mayores. Si se aumenta la concentración del sustrato, la inhibición puede remitir por desplazamiento competitivo con el inhibidor. El sustrato y el inhibidor suelen poseer estructura semejante para poder adaptarse al centro activo. b. no competitiva En este mecanismo de inhibición, el inhibidor no compite por el sitio activo, sino que interactúa con algún grupo químico que altera la función. Por ello la inhibición no remite aunque se aumente la concentración de sustrato. c. Incompetitiva: Los inhibidores incompetitivos������������������������������������������������������������ sólo se unen al complejo E-S������������������������������� ya formado. Produce modificaciones en el complejo que disminuyen su separaciónII. Inhibición alostérica Existe un grupo de enzimas reguladoras que intervienen en el metabolismo y que se denominan alostéricas. Modifican su acción por la unión no covalente y reversible de un grupo modulador. Éstos pueden ser inhibidores o activadores, tratándose en algunos casos del propio metabolito (mecanismo de feed back + o -), u otro grupo que produzca cambios en algún grupo funcional o por mecanismos de proteólisis. Las enzimas alostéricas poseen otros centros diferentes del activo llamados sitios alostéricos, que pueden actuar como reguladores/moduladores.

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Bioquímica

Acidos

7 nucleicos

El cuarto gran grupo de compuestos biológicos que abordaremos son los ácidos nucleicos. Estas moléculas poseen gran importancia fisiológica, médica y últimamente merced del desarrollo de la biología molecular, trascendencia mediática potenciada por el proyecto genoma humano y las informaciones sobre genes, enfermedad y comportamiento. Estructura Los ácidos nucleicos fueron designados así cuando fueron recuperados del núcleo celular, aunque existen libres en el citoplasma de las células procariotas. Los ácidos nucleicos están formados por una cadena de pentosa y fosfato, y un derivado púrico o pirimidínico enlazado a cada glúcido de la cadena Los componentes fundamentales son: Fosfato (PO4 ---)

Ol O = P = Ol O Pentosas: Los componentes glucídicos de los ácidos nucleicos son la ribosa y la desoxi ribosa, los cuales ya fueron descriptos en el capítulo correspondiente a glúcidos. Son aldopentosas, cuya diferencia estriba en que la ribosa pierde el –OH de carbono 2 para originar 2-desoxirribosa. Estos azúcares originan el nombre de RNA (ribo) y desoxirribonucleicos (desoxiribo) Bases Púricas y Pirimidínicas Las bases púricas son derivados de la purina, un condensado de un anillo pirimidínico e imidazólico, estable por las propiedades aromáticas de los núcleos. Los susituyentes determinan las características definitivas de los compuestos. Las bases púricas que integran los ácidos nucleicos son Adenina (6 amino- purina) y Guanina (2 amino, 6 oxo purina) La xantina, (2,6 di oxo purina) que no integra ácidos nucleicos, es la estructura base de la cafeína y del ácido úrico. Pirimidínicas : Se conforman con un heterociclo dinitrogenado, la pirimidina. Sus derivados, integrantes de los ácidos nucleicos son: Citosina: (2-oxo, 4 amino pirimidina), tiene algunos derivados activos como la 5 metil y la 5 hidroximetil citosisna) la timina (2,4 dihidroxi, 5-metil pirimidina) se encuentra solamente en el ADN, mientras que el uracilo ( es la timina demetilada) integra únicamente el ARN. 155

Tanto las bases púricas como las pirimidínicas, en razón de la existencia de dobles enlaces resonantes, interaccionan con la luz ultravioleta. Esta propiedad posibilita su utilización con el fin de caracterizarlas. Por otra parte, la asociación entre los azúcares y las bases púricas o pirimidínicas originan nucleósidos. Cuando éstos se combinan con un grupo fosfato, forman compuestos denominados nucleótidos. Nucleósidos Los nucleósidos se originan por el enlace de una base a una pentosa. La pentosa ribosa se encuentra presente en el ácido el ARN y desoxiribosa en el ADN. Las bases se unen al carbono 1 del azúcar, mientras que el fosfato se une a los carbonos 3 ´y 5´ de las bases. En el primer caso se llaman ribonucleósido y en el otro desoxiribonucleósido. Tanto los ribonucléósidos como los desoxiribonucleótidos pueden contener bases púricas o pirimidínicas. Las bases púricas conforman su nombre con el sufijo osina, mientras que las pirimidínicas utilizan el sufijo idina. Nucleótidos El ácido fosfórico se une a algún oxhidrilo de la pentosa, generalmente 3’ y 5’, conformando por deshidratación un enlace éster (ácido- alcohol). Cuando la unión entre el fosfato y la osa se realiza con el –OH del C 5 del azúcar, se forma un 5’ nucleótido o 5’ desoxinucleótido. Los agregados de grupos fosfato genera enlaces de tipo anhídrido (ácido + ácido con pérdida de una molécula de agua por enlace). OSA

Base

nucleósido

Fosfato

nucleótido

nitrogenada

Citosina Uracilo

2-Desoxi- Ribosa

Adenina

Ácido Adenílico o

Guanosina

adenosin monofosfato (AMP) Ácido Guanílico o

Citidina

Fosfato

Guanina

Adenosina

Uridina Desoxi

uridin monofosfato (UMP) Ácido desoxi Adenílico o desoxi adenosin monofosfato (dAMP)

adenosina Guanina

Timina

Ácido desoxi Guanílico o

Desoxi guanosina

Citosina

guanosin monofosfato (GMP) Ácido Citidílico o citidin monofosfato (CMP) Ácido Uridílico o

Desoxi

Fosfato

D- Ribosa

Adenina

desoxi guanosin monofosfato (dGMP) Ácido desoxi Citidílico o

citidina

desoxi citidin monofosfato (dCMP)

Timidina

Ácido desoxi Uridílico o desoxi uridin monofosfato (dUMP)

Cada uno de los nucleótidos monofosfato pueden fosforilarse con dos y tres ácidos fosfóricos. Así el AMP (adenosin monofosfato) se fosforila a ADP (adenosin di fosfato) y ATP (adenosin trifosfato). El guanosín monofosfato (GMP) se fosforila a di fosfato, para formar Guanosil di Fosfato (GDP), el cual interviene en la mitocondria en el

Bioquímica

ciclo de Krebs. Hay nucléotidos y nucleósidos que no integran ácidos nucleicos, pero que son importantes como metabolitos intermediaros de procesos metabólicos, coenzimas, vitaminas, etc. El Adenosín Trifosfato (ATP) posee enlaces de alta energía, por lo que actúa como dador de energía y de grupos fosfato, transformándose en ADP y AMP (di y mono fosfato). Cuando el AMP se cicla por acción de la enzima adenilato ciclasa, se genera AMPc (cíclico). Es un segundo mensajero común a diferentes vías fisiológicas. Los nucleótidos son capaces de unirse entre sí, formando di-nucleótidos, mediante enlaces pirofosfato ( O- P – O – P – O- ). Los pirofosfatos provienen del ácido pirofosfórico, y se abrevian como PPi. El pirofosfato es inestable y se hidroliza a dos orto- fosfatos (2Pi)s. Cuando el ATP origina AMP, libera un anión pirofosfato (PPi). ATP  AMP + PPi PPi + H2O  2Pi (1) H4P2O7 + H2O  2 H3PO4

Ácido pirofosfórico  ácido o- fosfórico Estos PPi forman puentes entre nucléotidos generando dinucleótidos, como el nicotinamin adenin di nucleótido (NAD) con funciones de vitamina, o la flavina adenina di nucleótido (FAD), la cual actúa como cofactor redox pudiendo reducirse a FADH2. ACIDOS NUCLEICOS El gran actor de la biología en los últimos años es el ADN. Reconocido como molécula fundamental del material genético en la actualidad, no fue reconocido como tal sino hasta mediados del siglo XX. A principios del siglo pasado se pensaba que el rol genético lo jugaban las proteínas. Sin embargo, la transformación de neumococos de comensales (R, colonias rugosas) a patógenos (L, colonias lisas) se producía con sustancias ácidas extraídas de los núcleos celulares, denominadas nucleínas. Si se digerían los ácidos nucleicos, la transformación no se producía, cosa que sí ocurría si se digerían las proteínas. De esta manera Avery y Mc Leod demostraron que la información genética era portada en los ácidos nucleicos, concepción que no fue rápidamente aceptada en la comunidad científica. Sólo cuando Watson y Crick, modelizaron el ADN sobre los trabajos de difracción estructural por cristalografía de rayos x de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, se comenzó a aceptar el rol de los ácidos nucleicos en la herencia.

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1- Modelo de Watson y Crick Los ácidos nucleicos son el Desoxiribo Nucleico (ADN) y el RiboNucleico, (ARN). Son el producto del acoplamiento de nucleótidos en diferentes secuencias y estructuras, que generan los dferentes tipos de ácidos nucleicos. ACIDO DESOXIRIBONUCLEICO El ADN es el componente que porta la información genética. Adquiere diversas estructuras como la ,A, la Z o la B, aunque ésta última es la que presenta su funcionalidad celular. En las células procariotas se halla en el citoplasma, en forma de anillos o círculos cerrados. En las células eucariotas integra los cromosomas en conjunto con las histonas. Hoy el ADN es reconocido como la molécula llamada “Doble hélice”. Fue la estructura propuesta por Watson y Crick en 1953, prevaleciendo sobre la idea de triple hélice propugnada por el premio nobel Linus Pauling. La doble hélice está conformada por dos columnas integradas por grupos fosfato y desoxi –ribosa alternados, unidos por enlace éster entre fosfatos enlazados a los oxhidrilos de carbono 5’ de un azúcar y con el carbono 3’ del azúcar siguiente. Abajo se muestra el esquema de una cadena. El carbono 1’ de cada azúcar se une a las bases correspondientes.

Bioquímica

P

3’

B

1’

5’

R P 5’

1’ 3’

R

B

Las dos cadenas que forman la hélice se enrollan una alrededor de la otra de forma antiparalela, es decir que los extremos 1 de cada una de ellas se encuentran en los puntos opuestos. Mientras una de las formas corre de 3’ a 5’, la cadena enfrentada corre en sentido contrario, es decir 5’ a 3’ 3’

5’ 5’

3’

Se encuentran tres formas particulares de ADN: A, B y Z .

tomado de ucm.es

Mientras la forma A es dextrógira y tiene 11 nucleótidos por vuelta y la forma Z es levógira, nosotros enfocaremos el estudio en la forma funcional que es la conformación B . Cada vuelta de hélice tiene 10 nucleótidos en una longitud de 3,4 nanometros. Poseen dos bases púricas y dos bases pirimidínicas enfrentadas. Hay una especificidad regida porel tipo de base que interviene. A la Adenina de una cadena siempre se le enfrentará una timina de la otra cadena. Asimismo, frente a la citosina de una cadena, siempre le corresponderá una guanina. Cada par de base se encuentra estabilizado por uniones electrostáticas, hidrofóbicas y de puente hidrógeno. Las interacciones de puente hidrógeno juegan un rol crucial en las interacciones interbases. En la interacción entre adenina y timina siempre se establecen dos puentes de hidrógeno, mientras que para el par citosina- guanina son tres los puente hidrógenos que se establecen. De esta manera queda entendido que cuanto mayor proporción de pares C-G haya en la molécula, más estable y difícil de separar será la doble hélice.

159

Luis Simes

O N

H

H

N

H

N

TIMINA

ADENINA

H N N O

CITOSINA

H

O

H H

N N

H GUANINA

Enlaces Covalentes : Puentes Hidrógeno :

Estructura primaria La estructura primaria de los ácidos nucleicos está conformada como ya se expresara por una cadena de azúcares y fosfatos alternados, de tal manera que se sigue el siguiente patrón: (- 3’ – A – 5’ – P -)n y enfrentada a de forma antiparalela a la cadena complementaria : (- 5’ – A – 3’ – P -)n Desde el C1 de cada azúcar y hacia el interior de la doble hélice, se despliegan perpendiculares al esqueleto las bases pirimidínicas enfrentadas a las púricas.

160

Bioquímica

5’

3’

A - Pu

A - Pi

P

P

A - Pu

A - Pi

P

P

A - Pi

A - Pu

P

P

A - Pi

A - Pu

3’

5’

El orden de las bases constituyen la secuencia primaria del ácido nucleico y es el orden de las mismas las que codifican la información genética. Chargaff encontró que la proporción de adenina era similar a la de timina y la de citosina a la de guanina, por lo que se postuló el concepto de base complementaria: a una adenina se enfrenta una timina y a una citosina , una guanina. De esta forma se concluye en que hay un apariamiento de bases complementarias constituidas, como ya se vio por A=T, estabilizadas por dos puentes de hidrógeno y C=-G por tres interacciones de puente Hidrógeno. Ello concluía además en que la cantidad de purinas era muy similar a la cantidad de pirimidinas. Estructura secundaria Está conformada por la doble hélice de fosfato – azúcar hacia el exterior hidrofílico con las bases hacia el interior. La forma más abundante del DNA en la célula, que es la variante B, conforma dos surcos, uno mayor y otro menor, adecuados para posibilitar las interacciones del DNA con otras moléculas. Los enlaces hidrógeno sostienen las interacciones entre las bases púricas y las pirimidínicas. Los ácidos nucleicos que presentan secuencias palindrómicas, tienen tendencia a adquirir conformaciones que permiten el auto apareamiento de las bases complementarias. Un tipo especial de ADN, el H, conforma una triple hélice, posiblemente la forma sobre la que estudiaba Pauling la estructura de loa ácidos nucleicos. Estructura terciaria El ADN presenta un grado de empaquetamiento extraordinario. En una bacteria, tiene 800 veces la longitud de la célula, y en el ser humano, se encuentra empaquetado en una célula el equivalente a la altura de una persona. Los cromosomas, que son la manera de contener al ADN que posee la célula interaccionando con las proteínas catiónicas histonas, presentan una estructura de empaquetamiento de diversos niveles hasta la estructura observable microscópicamente en la mitosis. El ADN está superenrollado sobre el octámero de histona, según se vio en el capítulo anterior. El empaquetamiento protege al ADN de interacciones, relajándose la estructura cuando debe dividirse y para dar lugar a la expresión o acción de enzimas y proteínas como las polimerasas, factores de transcripción, etc. La actividad de este material incluye reacciones de metilación y acetilación, que constituyen la base de las actividades epigenéticas del material nuclear.

161

Luis Simes

El ADN, aunque evolutiva y funcionalmente muy conservado, se organiza de diferentes maneras enlos mas variados organismos. Así, el ADN bacteriano, típico de Escherichia coli, es un dúplex unido a un punto de la membrana nuclear, que constituye el único cromosoma. Poseen un ADN extracromosomal, circular, llamados plásmidos y episomas. Ambos son dúplex de ADN, aunque los plásmidos se duplican con el cromosoma, mientras que los episomas se unen al ADN cromosomal durante la duplicación. No se unen a proteínas y si a iones metálicos o a ARN. El ADN viral es bicatenario en doble hélice (característico del fago lambda), mientras que en el fago 174 el ácido nucleico es monocatenario. Los retrovirus poseen RNA como molécula donde se guarda la información genética. Poseen una enzima, la retrotranscriptasa, que permite la transcripción del ARN en ADN. El ADN eucariota tiene una cantidad determinada de cromosomas, típico de especie. En el hombre existen 23 pares. El ADN sufre procesos de desnaturalización, que consiste en la separación de la doble cadena, pero sin ruptura de los enlaces covalentes del esqueleto 3’-5’. Esto se logra por calentamiento. Al llegar a aproximadamente 80°C, se observa una pérdida de viscosidad y un incremento de la absorbancia a 260 nm. Cuando las cadenas se separan, se produce un aumento de la absortividad de luz ultravioleta, a medida que la molécula se va desnaturalizando, es decir, haciéndose monocatenaria. Cuanto mayor sea la proporción de pares adenina- timina, mayor será la desnaturalización en razón de que tiene menores interacciones por puente hidrógeno que el par citosina/guanina. El punto de fusión es la temperatura a la que se logra la total separación. En la práctica se usa la Tm, que es la temperatura a la cual se logra la desnaturalización del 50% del material genético. El punto de fusión es proporcional a la cantidad de pares C=-G. El proceso contrario se denomina hibridización o annealing. Es el proceso por el cual las cadenas separadas pueden reasociarse al disminuir la temperatura, siguiendo sus pautas de complementariedad. Si la desnaturalización fue incompleta, el annealing es rápido. En cambio, si la separación fue total, se observan dos etapas: una primera lenta, de búsqueda de la complementariedad, y una segunda más rápida, cuando se concreta el apareamiento. Cuando se unen dos cadenas de diferente origen, se denomina ADN híbrido. Esta propiedad del ADN posibilitó la invención de la técnica de PCR (Protein Chain Reaction) o reacción en cadena de la polimerasa. Esta reacción se produce en ciclos que multiplican el material geométricamente. El aumento de la temperatura genera la desnaturalización. Se colocan dos cebadores (primers directos y reversos) que permiten repolimerizar las cadenas cuando se produce el annealing por disminución de la temperatura. Ante un nuevo incremento de la temperatura se vuelven a separar las cadenas, los primers inician otro ciclo de síntesis enzimáticamente mediadas por la polimerasa. La repetición de una serie de ciclos determinada, permite la amplificación de muy pequeñas cantidades de material genético. El descubrimiento de la Taq polimerasa, sintetizada por bacteria termófilas, resistentes a elevadas temperaturas posibilita su uso a las temperaturas necesarias para la desnaturalización de la doble hélice. Las secuencias de interés pueden ser insertadas en secuencias portadoras o carriers para formar secuencias recombinantes, para su estudio e investigación. ACIDO RIBONUCLEICO Además del Ácido Desoxiribonucleico, en la célula se encuentra Ácido Ribonucleico. La diferencia fundamental con al ADN es que estructuralmente el ARN es monocatenario. En cuanto a la integración de bases en el ARN se encuentra la base pirimidínica Uracilo en lugar de la timina.

162

Bioquímica

Existen varios tipos de ARN en la célula: ARN mensajero ARN de transferencia ARN ribosomal ARN pequeños, micro y de interferencia El ARn mensajero traslada la información desde el núcleo de la célula hasta los ribosomas. Transcribe las secuencias codificantes del ADN hacia los ribosomas copiando la cadena no codante del ADN, es decir la que se ordena 5’-3’ que se corresponde con el orden de copiado de la polimerasa. La cadena complementaria, que no se copia, se llama codante o sentido ya que posee la misma secuencia que el RNAm, guardando la salvedad expresada entre timina y uracilo. La hebra que se copia del ADN se denomina también antisentido. El ARN mensajero conteniendo exones e intrones (secuencias que se transcriben a proteínas y secuencias intermedias no codificantes, respectivamente) sufre un proceso de maduración, denominado splicing por el cual se exporta del núcleo la hebra de ARN mensajero maduro para codificar la proteína correspondiente al gen deseado. Esta secuencia de aminoácidos se ensambla en los ribosomas. En este proceso participa un RNA pequeño integrado a una partícula proteica denominada spliceosoma. Existen aproximadamente 10 de estas estructuras, muy ricas en uracilo. (U-3, U6, U 10, etc.) ARN de transferencia Este RNA particular, monocatenario, de aproximadamente 80 nucleótidos, con forma de trébol, es el encargado de transportar el aminoácido correspondiente a la secuencia que se debe integrar a cadena que se está sintetizando. El triplete de bases del ARN mensajero que codifica al aminoácido se llama codón. Éste debe ser complementario con el anticodon presente en el ARN de transferencia, portador del aa. correspondiente a ese codón.

Ucm.es 163

Luis Simes

El anticodon se enfrenta al codón del ARN mensajero por complementariedad. Lo cual determina el aa. que se debe incorporar a la cadena de proteína que se está sintetizando en el ribosoma.Existen 20 aminoacil TRNA, uno para cada aminoácido. Los tripletes de base se encuentran especificados en el código genético.Así tres nucleótidos indican un aa. Por ejemplo, AUG en el RNA de transferencia codifica al aa. metionina. CUU, CUC, CUA y CUG codifican leucina. Se dice que el código genético se encuentra degenerado, ya que existen 64 tripletes para tan sólo 20 aa. Esto mejora la seguridad de la transcripción, ya que una diferencia de una tercer base por una mutación, no produce el cambio de aa. y con ello se conserva la proteína. Por ejemplo si el triplete del ARN mensajero fuera CUA y ocurre una mutación que lo transforma en CUG, igualmente se codificará leucina. Engeneral las proteínas se inician con metionina. Existen tres codones que son señales de finalización de la transcripción, o codones end o stop: UAA, UAG y UGA. ARN ribosomal: es el mas abundante ya que forma parte de los ribosomas. En los eucariotas los ribosomas tienen una subunidad 40 S y una subunidad 60 S. Estos valores corresponden a las constantes de sedimentación que se producen cuando se ultracentrifugan estas estructuras. 40 s ARN- 18 s 60 s ARN – 28 s y 5 s

El ribosoma posee una forma acanalada donde se inserta el ARN mensajero y luego la cadena polipeptídica que se está formando. Micro ARN y ARN de interferencia La observación del genoma permite deducir que su secuencia está presente y repetida por igual en todas las células; sin embargo, no todos los tipos celulares expresan los mismos genes, ni aún en las mismas células, en los mismos momentos. Esto pone de manifiesto que existe un sistema de regulación genética por el cual solo algunos genes y en algunos momentos logran expresarse. Lo hacen a través de factores de expresión o represión que se unen a zonas especiales de los ácidos nucleicos llamadas regiones reguladoras. Sólo algunos genes se deberán expresar de acuerdo con precisas instrucciones en el momento oportuno, mientras otros deberán ser reprimidos o silenciados para lograr la función programada. Estos procesos en células eucariotas son más complejos que en procariotas, pero repiten un patrón básico similar mediante, como se expresara, unión de proteínas a regiones específicas. Otro factor importante es la intervención de los procesos cromosómicos en la regulación de la expresión genética, que abrió un amplio ámbito y novedosos trabajos en el campo de la epigenética. En las infecciones virales se había notado un efecto represor general por parte del interferón. En la década de 1990 sorprendió el descubrimiento de un sistema censor llamado interferencia por RNA, iRNA,39 que opera tanto en plantas como animales. Este mecanismo es útil para silenciar genes en procedimientos de ingeniería genética, pero a su vez resulta de atendible interés, interpretar su verdadero rol en los organismos en los que actúa. Cuando se va a expresar un gen no permitido, el fenómeno de interferencia por RNA interviene modulando negativamente esa expresión. Promediando la década de 1990, se sospechaba, que los ARN “antisentido” (estructuras unicatenarias reversas que se unían por complementariedad a la hebra del mRNA), podrían producir inactivación o bloqueo del flujo genético, inactivándolo. Sin embargo, se había notado que el RNA sentido (es decir, con la misma secuencia), también era capaz de bloquear en algunos casos ese mecanismo1. No obstante ello, experimentos realizados por Craig y Melo mostraron que la inyección de elevada cantidad tanto de RNA con sentido como de RNA antisentido no daban resultados inhibitorios altamente eficientes. En cambio, contrariamente a lo sospechado, la inyección de pequeñas cantidades de RNA bicatenario eran suficientes para demostrar una importante acción inhibitoria.

39

Andrew Fire (Carnegie Inst- Washington.) y Craig Mello (Universidad de Massachustts). 164

Bioquímica

Trabajando dichos autores con el Caenoharbitis elegans, estudiaron la funcionalidad del gen unc-22, relacionado con el sistema muscular de ese nematodo. La introducción de RNA monocatenario sentido y antisentido, apenas si producían alguna manifestación visible en la funcionalidad muscular. Sin embargo, la introducción de pequeñas cantidades de RNA bicatenario para el gen unc-22 producía notorios espasmos musculares inmediatos. Se demostró así que se generaba una interferencia en la expresión del gen específico, no por las hebras monocatenarias, sino por un evidente mecanismo basado en interferencia con RNA doble cadena. Repitiendo la experiencia con otros genes, se llegó siempre a la conclusión de que se producía una interrupción en el flujo genético. Craig y Mello generalizaron el fenómeno bajo la definición de “Interferencia de RNA”40. Otros estudios mostraron que cuando largas secuencias de RNA tienen secuencias que permiten su replegamiento para originar estructuras bicatenarias, el fenómeno de interferencia se produce de inmediato. En el proceso intervienen las enzimas RNA polimerasas III nominadas Dicer y Slicer. La primera, por hidrólisis corta a las cadenas de RNA bicatenario en pequeños segmentes (21 a 23 nucleótidos), que se denominan siRNA (short interference: cortos de interferencia). La cadena antisentido se une a una proteína para generar el Complejo silenciador inducido por RNA : RISC: RNA indiduceing silencing complex). El complejo se une al mRNA por complementariedad, y entonces la enzima Slicer corta en dos al mRNA inactivándolo. Los siRNA son estructuralmente muy semejantes a los micro RNA que cumplen funciones similares, pero cuyos orígenes son diferentes: Mientras los siRNA proceden de las mismas regiones genómicas a las cuales debe silenciar, los microRNA proceden de regiones genómicas destinadas a producir estas moléculas reguladoras41. Los microRNA proceden de transcriptos de aproximadamente 60 a 70 nucleótidos que sufren escisión secuencial hasta los 22 nucleótidos por las enzimas RNA polimerasas Dicer y Drosha. La complementariedad no es tan exacta como la de los siRNA, no produciendo en ese caso el corte del mRNA, pero actuando por desadenilación. Ver imagen a continuación42

40 41 42

Nature,Volumen 391,1998, pag 806-811 Interferencia de ARN. Lau, N y Bartel,D. Investigación y Ciencia #325. Pag.6-13. Octubre 2003. Tomado de Cooper…5ª. Edición

165

Luis Simes

Se estima la existencia de aproximadamente mil microRNA en los genomas de mamíferos, que pueden reconocer hasta 100 secuencias diferentes de mRNA. Esto le brinda una alta potencialidad biológica, pudiendo intervenir en procesos embrionario, inmunitario, inflamatorio, etc. En síntesis, los miRNA muestran funciones regulatorias en la expresión genética, cumpliendo su función represiva sobre secuencias específicas de mRNA, del cual ocasionan su degradación. Esta represión post transcripcional ha sido demostrada en proceso fisiológicos, pero también han evidenciado algún rol en patologías como las cardiovasculares, el cáncer y la diabetes. Para su evaluación, se ha comunicado presencia en sangre, saliva orina y otros líquidos biológicos, lo que permite su consideración como probable marcador de algunas patologías, o constelaciones patológicas, como en el caso que nos ocupa del síndrome metabólico.

166

Bioquímica

PARTE II ANALÍTICA

TELMA BRICH

167

Luis Simes

168

Bioquímica

Funciones •

y

Objetivos

8 Del Laboratorio Clinico

Objetivo del laboratorio clínico

El objetivo del Laboratorio Clínico es proporcionar información a través de resultados confiables, seguros y oportunos, para confirmar o descartar un diagnóstico, establecer un pronóstico, controlar la evolución de un tratamiento, colaborar en estudios epidemiológicos, a través de la aplicación de procedimientos analíticos. •

Consideraciones funcionales

La organización del laboratorio dependerá de las necesidades de la institución, si es pública, privada, de la demanda de análisis, de la población de pacientes, si es un laboratorio de rutina o urgencias. El avance tecnológico permite trabajar con errores analíticos muy bajos y se considera actualmente, a la Etapa Pre analítica donde se encuentran con mayor frecuencia errores y, por lo tanto, donde se centran los procesos de mejora de la calidad a través de acciones correctivas y preventivas. Las tendencias actuales se encaminan hacia laboratorios grandes con capacidad elevada de procesamiento de muestras y diversidad de determinaciones analíticas. •

Organización

En el laboratorio se producen dos tipos de flujo: de material y de información. El flujo de material es fundamental ya que determinará cómo se organiza el laboratorio. Las distancias son críticas para el movimiento de muestras y personal. El flujo de información se realiza a través de cableado entre los ordenadores y el soft de los equipos de análisis. Las muestras pueden tener origen dentro del laboratorio, en el área de extracciones, en áreas de internación, de urgencias o guardia médica o en centros de extracción fuera de la institución, por ello es de gran importancia el proceso de transporte de muestras y bioseguridad, identificación y rotulado del material , recepción e ingreso al SIL (Sistema Informático del Laboratorio). En la mayoría de los laboratorios el Laboratorio de Urgencias se encuentra situado ediliciamente separado del de rutina y se organiza adecuándose a la demanda. El instrumental y el menú de determinaciones permiten dar una respuesta rápida al requerimiento médico, en general dentro de la hora de recibida la muestra. El Laboratorio General o de Planta está organizado de acuerdo a la dotación de autoanalizadores que dependerá de la cantidad de muestras y de la especialización del laboratorio. Tradicionalmente los laboratorios se han organizado en secciones pero la automatización conduce al laboratorio a organizarse en áreas instrumentales para evitar el fraccionamiento de muestras evitando así la propagación de errores. Las principales áreas instrumentales de un laboratorio de rutina son: Bioquímica clínica Área Bioquímica automatizada: Se agrupan los autoanalizadores para las determinaciones bioquímicas. Área Inmunoanálisis automatizado: Autoanalizadores para Inmunoanalisis. Área proteínas. Nefelómetro automático. Fraccionamiento de proteínas. Área dedicada a orinas: Análisis fisicoquímico y microscopía para el estudio del sedimento urinario. Área técnicas manuales: técnicas sin automatizar: Serología de aglutinación en placa. Hematología /Hemostasia Área recuento y morfología: Analizadores automáticos y microscopía.

169

Área coagulación: analizadores automáticos de parámetros de hemostasia. Área técnicas especiales: Citoquímica, técnicas manuales para fragilidad osmótica y deficiencias enzimáticas. Microbiología. Identificación y pruebas de sensibilidad, anaerobios, parásitos, serología automatizada Inmunología. Autoinmunidad. Inmunidad celular. Biología Molecular

ETAPAS DEL PROCESO DE LABORATORIO CLÍNICO El proceso de atención del laboratorio clínico se lo puede dividir en 3 etapas: ETAPA PRE ANALITICA: Es el proceso que involucra todos las actividades desde que se genera la solicitud médica de análisis hasta la obtención de las muestras para su procesamiento analítico. ETAPA ANALITICA: Es el proceso de laboratorio donde se aplican diferentes técnicas de análisis basados en el comportamiento físico químico de los componentes de las muestras siguiendo un protocolo de procedimiento concreto. Glosario •

Muestra: parte representativa de la materia objeto de análisis.

•

Alícuota: porción o fracción de la misma muestra.

•

Analito: especie química objeto del análisis.

•

Matriz de la muestra: es el conjunto de todas aquellas especies químicas que acompañan al analito en la muestra.

•

Técnica analítica: es el medio utilizado para llevar a cabo el análisis químico.

•

Método analítico: es un concepto más amplio pues no sólo incluye a la o las técnicas analíticas empleadas en un análisis sino también todas las operaciones implicadas hasta la consecución del resultado final. Son aplicaciones de las técnicas, en casos determinados, con parámetros y protocolos concretos. Su nombre hace referencia a: •

Alguna característica analítica: método del punto final, métodos cinéticos, métodos colorimétricos, métodos enzimáticos.

•

Alguno de los reactivos usados: método de la glucosa-oxidasa.

•

A la persona que optimizó el método: método de Biuret, método de Jaffé, etc.

ETAPA POST ANALITICA: Involucra las actividades desde la transcripción de los resultados analíticos hasta la entrega del informe al paciente.

EVALUACIÓN Y SELECCIÓN DE MÉTODOS El objetivo es montar una metodología que satisfaga las expectativas planificadas por el laboratorio y conduzca a resultados clínicamente útiles. La selección de métodos comprende los aspectos siguientes: •

Requerimientos del laboratorio 1. Ajuste a las necesidades planificadas. 2. Volúmenes de muestra. 3. Demanda del analito. 4. Tiempo de respuesta (Rutina o Planta) 5. Situación edilicia. Espacio para el instrumento y almacenamiento de los reactivos. 6. Disponibilidad de personal capacitado.

7. Impacto ambiental. 8. Costo. •

Características de la metodología a considerar 1. Sensibilidad analítica. 2. Especificidad. Interferencias 3. Intervalo de referencia de acuerdo a la población atendida. 4. Precisión: Reproductibilidad. 5. Exactitud. 6. Tiempo y tipo de medición. 7. Linealidad 8. Tipo de tecnología

•

Control de calidad

Control de calidad interno (CCI) El control de calidad se basa en la manipulación de datos estadísticos que se obtienen de la repetición de los ensayos con el objetivo de a asegurar la confiabilidad de los resultados. Control de calidad externo (CCE) Tiene como objetivo principal la comparación de los resultados analíticos propios con los de otros Laboratorios participantes que intervienen en Programas Interlaboratorio nacionales o internacionales.

TECNICAS DE ANALISIS DE LABORATORIO I.

TECNICAS FOTOMETRICAS

Introducción En el análisis de muestras en el laboratorio clínico, se aplican técnicas para la determinación de diferentes especies biológicas basadas en su mayoría en reacciones químicas o inmunológicas. En la mayoría de las oportunidades no sólo es necesario el análisis cualitativo sino conocer su concentración en el fluido donde se encuentran. Se aprovecha el comportamiento físico químico del producto de esa reacción para poder transformarlo en una señal medible. En el laboratorio clínico la gran mayoría de las técnicas se desarrollan a partir de las propiedades que tienen estas moléculas de interaccionar con la luz. FOTOMETRIA La Radiación Electromagnética es una forma de Energía radiante que se propaga en forma de ondas. La luz está formada por fotones que son paquetes discontinuos de Energía (E). La E de un fotón (se mide en Ergios) y depende de la frecuencia y de la longitud de onda.

•

Longitud de onda (l): es la distancia entre dos máximos de un ciclo completo del movimiento ondulatorio. Se expresa, en unidades S.I. en nanómetros (nm). Fig.1

• Frecuencia (n): es el número de ciclos por segundo. Es inversa a la longitud de onda. Su fórmula es: n = c/l, y se mide en ciclos por segundo o hertzios. Fig.2

171

Telma Brich

El espectro de radiación electromagnética se divide en varias regiones, las que nos interesan a los efectos prácticos son: •

Región Ultravioleta: l = 10-380 nm

•

Región Visible: l = 380-780 nm

•

Región Infrarroja: l = 780-30.000 nm

En la región visible, la luz se descompone en colores. La luz blanca contiene todo el espectro de longitudes de onda. El color que podemos observar de los distintos objetos se debe a la interacción de la radiación policromática (luz blanca) con ellos. Un cuerpo está formada por partículas que absorben radiaciones de determinada longitud de onda y no otras, que son las que refleja y pueden verse, denominándose color complementario. Por ejemplo, si una solución absorbe luz entre 555 y 600 nm (amarillo), tendrá un color azul, por tanto, el azul es el color complementario del amarillo. En consecuencia, una solución deberá ser iluminada, para las mediciones fotométricas, con un haz de luz del color que se absorbe y no por el que puede observar el ojo humano. Interacción entre luz y materia a) Fenómeno de absorción Se basa en transiciones electrónicas entre orbitales de los átomos de una especie química. Cuando un átomo que se encuentra en estado de reposo interacciona con un haz de luz, absorbe la radiación de la frecuencia apropiada, y sus electrones de los orbitales más exteriores pasan a un estado excitado, de energía superior. La longitud de onda de la radiación absorbida es inversamente proporcional a la energía de absorción. La partícula en estado excitado tiende a volver de forma espontánea a su estado de reposo desprendiendo la E absorbida en forma de calor. Las moléculas que tienen la propiedad de absorber la luz son coloreadas a la longitud de onda de la luz visible. Estas especies reciben el nombre de cromóforos y su color está relacionado con los dobles enlaces entre carbonos, oxigeno, nitrógeno. Cada molécula tiene un determinado espectro de absorción. Si realizamos un “barrido espectral” y representamos gráficamente la intensidad de la absorción de la radiación en función de la longitud de onda, obtenemos una “huella dactilar” del elemento, ya que cada uno presenta un pico máximo específico a una determinada longitud de onda. Es importante trabajar a la longitud de onda a la que la sustancia estudiada absorbe la mayor cantidad de luz.

172

Análisis Clínico II

b) Fenómeno de emisión Algunos compuestos, al interaccionar con un fotón de luz, pasan a un estado excitado y cuando vuelven al estado fundamental producen emisión de energía radiante (luz). En este caso, lo que se mide es la energía radiante producida. En este fenómeno se basa el fundamento de las técnicas de Fotometría de llama y Fluorescencia.

Principios básicos de la espectroscopia de absorción La espectroscopia de absorción UV-visible es una técnica analítica muy utilizada en el laboratorio clínico que permite medir la cantidad de luz absorbida por una especie química a una longitud de onda determinada. Esto nos permite identificar una sustancia (análisis cualitativo) o determinar su concentración (análisis cuantitativo) Cuando un haz de luz de intensidad I0 incide sobre una cubeta cuadrada que contiene una solución coloreada que absorbe luz a una determinada λ, se produce en la solución un proceso de absorción, y el haz de luz que sale después de atravesar la cubeta tiene una intensidad menor, It. Se llama Transmitancia (T) a la fracción de luz incidente (I0) que es transmitida (I t) en solución.





En la práctica se emplea, en lugar del valor de T el de absorbancia (A), ya que la relación entre la concentración de una solución y su transmitancia es inversa y logarítmica, mientras que la relación entre la absorbancia y concentración es directamente proporcional

A = - log T = log I0 / It

Según la Ley de Lamber – Beer la absorbancia (A) de una solución es directamente proporcional a la concentración del soluto en la solución y a la longitud del paso de la luz (cubeta de medición) de acuerdo a la siguiente expresión matemática:

A = e . l. c •

A: absorbancia. No tiene unidades.

•

e: Coeficiente de extinción molar o coeficiente de absorción. Es constante para un cromógeno dado, siempre que se fijen condiciones de longitud de onda, de pH, de temperatura, etc. Sus unidades son 1/ (mol/ cm).

•

l: longitud de paso de la luz, en cm.

•

c: concentración del cromógeno. Se mide en mol/L.

¿Cuál es la aplicación práctica de estos conceptos en el trabajo diario en el laboratorio? Podemos averiguar la concentración de una sustancia en una solución basándose en la relación lineal entre absorbancia y concentración.

173

Telma Brich

Para poder relacionar entonces, la señal que medimos con la concentración del analito debemos calcular un factor o constante de proporcionalidad. Para ello se confecciona una curva de calibración que relaciona estas dos variables: •

Una variable independiente que es una concentración conocida de patrón o calibrador-eje x

•

Una variable dependiente que es la Absorbancia correspondiente a esa concentración–ejey

La curva de calibración debe prepararse con 5 concentraciones de calibradores diferentes que abarquen todo el rango de concentraciones de interés clínico. Se realiza cada punto por duplicado. El calibrador es una solución de la sustancia de interés, de concentración establecida por un método de referencia o definitivo. Se preparan las diluciones del calibrador a partir de una solución concentrada o pueden adquirirse comercialmente un juego de 5 calibradores de las concentraciones deseadas. Se procesan según la metodología que se ha elegido. Se miden las absorbancias correspondientes para cada concentración. Se grafica en papel milimetrado o se utiliza el programa Excel. Si el trazado obtenido es lineal se puede utilizar un factor de calibración que relaciona la absorbancia con la concentración. De tal forma que cada vez que se obtenga un valor de absorbancia para una muestra desconocida se pueda multiplicar por ese factor para obtener la concentración correspondiente. Esto sólo es válido para un sistema analítico estable. Si el trazado no sigue una función lineal se deberá usa la curva cada vez que se necesite calcular una concentración. Cuando la concentración del cromógeno sobrepasa los límites de linealidad se deja de cumplir la Ley de Beer. La lectura de la Absorbancia fuera de los límites de linealidad se traduce en una concentración falsa del analito. En esta situación particular se resuelve diluyendo la muestra para que el dato obtenido caiga en el rango de linealidad. Curva de Calibración ideal ABS: f (cc)

TECNICAS ANALITICAS FOTOMETRICAS Espectrofotometría: Las técnicas utilizadas en espectrofotometría tienen su base en los siguientes fenómenos: •

Absorción

•

Emisión

•

Dispersión

•

Luminiscencia-fluorescencia. 174

Análisis Clínico II

Espectrofotometría de absorción molecular UV- Visible La espectrofotometría es una técnica de medición que permite el análisis espectral y la medición de magnitudes fotométricas relacionadas con las propiedades de la materia. El espectrofotómetro es un instrumento que mide la intensidad de la luz que pasa a través de un medio a una longitud de onda específica. Es decir, se puede seleccionar una radiación monocromática característica del espécimen a medir, a partir de la radiación emitida por una fuente de luz. En la espectrofotometría de absorción UV-visible se utilizan radiaciones del espectro electromagnético de la zona UV ( 80 a 400 nm), principalmente de 200 a 400 nm (UV cercano) y de luz visible de 400 a 800 nm. En el rango de concentraciones que responde a la ley de Lambert y Beer permite el análisis cuantitativo de una sustancia. Podemos, entonces, determinar en el laboratorio la concentración de un soluto coloreado, resultado de un método analítico, midiendo la absorción de la luz a una longitud de onda específica. Componentes del espectrofotómetro 1. Fuente de luz: proporciona la energía radiante en forma de luz visible o UV. Existen diferentes tipos de lámparas: •

Lámparas de filamento de tungsteno: se utilizan para longitudes de onda del espectro visible y el ultravioleta próximo. Son fuentes de un espectro continuo de energía radiante entre 360-950 nm.

•

Lámparas de filamentos de haluros de tungsteno: son de mayor duración y emiten energía radiante de mayor intensidad.

•

Lámparas de Hidrógeno y Deuterio: producen un espectro continuo en la región ultravioleta entre 220360 nm.

2. Rendija de entrada: tiene como función reducir al máximo la luz difusa. 3. Monocromadores. Pueden ser: •

Prismas: son fragmentos con forma de cuña de un material que permite el paso de la luz. Ej. De vidrio para trabajar en el espectro visible o cuarzo para trabajar en el ultravioleta lejano.

•

Redes de difracción: son un gran número de líneas paralelas situadas a distancias iguales entre sí y son hendiduras sobre un vidrio o una superficie metálica. Cada una de estas hendiduras se comporta como un pequeño prisma.

4. Rendija de salida: Orienta la luz hacia la cubeta, tiene como función impedir que la luz difusa interfiera en la lectura. 5. Cubeta: Recipiente de vidrio o plástico donde se coloca la muestra para la medición. En general se utilizan cubetas de bordes paralelos aunque existen diferentes tipos y variedades. En algunos casos existen dispositivos termostatizadores que mantienen las cubetas a la temperatura adecuada para la medición, importantes cuando se determinan actividades enzimáticas o se emplean enzimas para realizar las mediciones. Es importante que las cubetas se mantengan limpias y sin rayones para evitar errores en la medida; no se deben tocar con los dedos las caras de la cubeta por las que haya de incidir el rayo de luz. 6. Detector. Puede ser de dos tipos: •

Fotocélulas o células fotovoltaicas:

Está compuesto por un semiconductor: lámina de Cobre sobre la que se extiende una capa de selenio. Sobre el semiconductor hay una capa de metal transparente que sirve de electrodo. La luz incide sobre el Selenio y éste desprende electrones, que pasan a la placa de Cobre originando una diferencia de potencial. El conjunto se conecta a un amperímetro que señala el paso de corriente .Se puede hacer una comparación con un panel solar. Son resistentes, económicas, sensibles desde el ultravioleta hasta los 1.000 nm. de longitud de onda. La desventaja que poseen es el “efecto fatiga”, es decir, que presentan una subida inicial de corriente, que luego decrece progresivamente hasta el equilibrio. Por eso hay que esperar entre 30-60 segundos entre una lectura y otra.

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Telma Brich

•

Fototubos multiplicadores:

Un fototubo multiplicador es un tubo que contiene un cátodo que emite electrones de forma proporcional a la Energía que incide sobre él. Tiene un ánodo que recoge los electrones. Tiene un efecto amplificador en cientos de veces. Por lo tanto tienen alta sensibilidad y tiempo de respuesta rápida. 7. Sistema de medición: son sistemas de lectura de la energía eléctrica que recoge el detector y que puede ser lectura directa o puede ser amplificada de acuerdo al detector. La señal eléctrica analógica se transforma mediante un microprocesador en señal digital, la cual por medio de microprocesadores, permite cálculos directos de concentración con arreglo a factores de calibración prefijados y lectura contra estándares, o curvas de calibración en la memoria.

https://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=ILeKva55dWY Espectrometría de absorción atómica Esta técnica mide la absorción de luz a longitudes de onda muy definidas por parte de átomos vaporizados en estado de reposo. Las bandas de absorción son muy estrechas, por lo que el espectro total de absorción de un átomo se lo denomina espectro de líneas. El espécimen a investigar es aspirado por un capilar donde se nebuliza, pasa al estado de vapor en una llama, donde se atomiza (es disociado de sus enlaces químicos) y, por ganancia de electrones, se sitúa en un estado atómico basal no excitado ni ionizado. En este estado basal, el átomo absorbe la radiación emitida por una fuente radiante consistente en una lámpara de cátodo hueco, construida del metal a estudiar, y que emite el espectro de líneas característico de éste. Por lo tanto, la técnica se caracteriza por la medida, por absorción atómica, de la cantidad de luz, a la longitud de onda seleccionada, que es absorbida cuando la luz pasa a través de una nube atómica. Para disociar la muestra en átomos se puede utilizar una llama de bajo poder calorífico o un horno de grafito. Con ayuda de un monocromador, se selecciona la longitud de onda de interés, y se mide la disminución de la luz incidente a su paso por la nube atómica, consecuencia de las interacciones de los fotones con los átomos en estado fundamental que se encuentran en el vapor atómico. Un detector consistente en un fotomultiplicador transforma la señal lumínica en eléctrica. La Ley de Lambert-Beer es válida para esta técnica, al relacionar la concentración de átomos en la llama con la absorción de la luz. De esta manera, se puede efectuar una determinación cuantitativa del analito presente, midiendo la cantidad de luz absorbida. Los requisitos que debe satisfacer un elemento para que pueda ser cuantificado mediante espectrometría de absorción son: que el elemento pueda ser vaporizado en átomos y que la longitud de onda en que se produce la absorción esté comprendida en el intervalo de 200 a 800 nm

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Análisis Clínico II

Utilidad en el laboratorio clínico Se utiliza especialmente para el diagnóstico de enfermedades profesionales por exposición a ciertos elementos como plomo, cadmio, cromo, manganeso, oro, talio. En la determinación de metales alcalinos (sodio, potasio y litio) no es de utilidad.

Espectrofotometría de emisión •

Fotometría de llama

La fotometría de llama se basa en el fenómeno de emisión de luz. En el laboratorio clínico se utiliza para la determinación de elementos alcalinos como Sodio, Litio y Potasio en muestras biológicas. Cuando a átomo en estado de reposo se lo somete a la energía calorífica de una llama de intensidad controlada, se produce una excitación de sus electrones, pasando éstos a niveles superiores de energía. Al volver a su estado inicial emiten el exceso de energía en forma de luz de distintas longitudes de onda de acuerdo al espectro de absorción de cada átomo. Los metales alcalinos son los más fáciles de excitar en la llama de un mechero ordinario de laboratorio. Lo podemos observar cuando ponemos una solución de estos metales en contacto con una llama, cada uno da un color característico y distinto a esa llama (litio = rojo, sodio = amarillo, potasio = violeta). Las longitudes de onda que corresponden a estos colores son las empleadas para la determinación de los iones correspondientes. La intensidad de la energía luminosa es directamente proporcional al número de átomos que emiten esa energía, que será directamente proporcional a la concentración del ion de la muestra. El equipo está compuesto por un sistema fotométrico: monocromador, detector y medidor. Tiene incorporado también un Atomizador y llama que tiene como función nebulizar la solución problema en pequeñas gotas, para que los átomos absorban la energía térmica de la llama y se exciten. Suelen emplearse gas natural, acetileno o propano con aire u oxígeno. Es un método muy sensible, de referencia, pero de poca utilidad práctica, en la actualidad es reemplazada por otras tecnologías incorporadas en los autoanalizadores.

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Telma Brich

Fluorometría Dentro del grupo de fenómenos electromagnéticos llamados luminiscentes se encuentran: • Fluorescencia • Fosforescencia • Quimioluminiscencia. La Fluorometría se basa en la propiedad de algunas sustancias de absorber la radiación electromagnética en una longitud de onda (espectro de excitación) y de emitirla de inmediato, en forma de fotones, en otra (espectro de emisión). El espectro de emisión es una cualidad intrínseca de la sustancia y la intensidad de la emisión es proporcional a la concentración del componente en la solución. La energía de la radiación emitida es menor y por tanto, la longitud de onda es mayor que la de la radiación absorbida. Se mide la diferencia o aumento entre estas 2 longitudes de onda obteniendose mejores resultados en compuestos que tienen grandes diferencias entre las 2 longitudes de onda de excitación y de emisión. La fluorescencia sólo es causada por radiación UV. Fluoróforo es un átomo o molécula que produce fluorescencia. Los fluoróforos se pueden dividir en dos clases: intrínsecos y extrínsecos. •

Intrínsecos: Son cofactores de las enzimas. El NADH es altamente fluorescente, con un máximo de emisión y absorción a 340 y 460 nm, respectivamente.

•

Extrínsecos: Se agregan a la mezcla de reacción para generar fluorescencia en una reacción química o en pruebas inmunológicas. Son la fluoresceína, la rodamina, Acridina, Bromuro de Etidio entre otras numerosas sustancias.

Utilidad en análisis clínicos: Son procedimientos de gran sensibilidad metrológica y bajo límite de detección, por lo tanto se utilizan en ensayos para determinar sustancias que están en muy bajas concentraciones en muestras biológicas como: vitaminas, hormonas, fármacos. La utilización de marcadores fluorescentes extrínsecos en inmunoanálisis (fluoroinmunoanálisis con Acs monoclonales marcados) es utilizado con grandes ventajas respecto a otras tecnologías. Para la medida de la fluorescencia se emplean fluorímetros o espectrofluorímetros; la diferencia entre ellos es el sistema de selección de la λ de excitación y de emisión: Fluorímetro: emplea filtros interferenciales o de vidrio Espectrofluorímetro: emplea prismas o redes de difracción. Los componentes básicos de estos aparatos son: •

Fuente de luz de excitación

•

Rendijas de excitación y de emisión

•

Selector de la λ de excitación

•

Compartimento para la muestra: cubeta

•

Selector de la λ de emisión

•

Detector

•

Registro

Espectroscopia de dispersión Estas técnicas miden la reducción de la intensidad de la luz cuando pasa a través de una suspensión de partículas presentes en una muestra y cuantifica la luz residual trasmitida. La muestra a analizar debe estar compuesta, entonces, por partículas no transparentes en el seno de un líquido: precipitados, suspensiones coloidales, etc.

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Análisis Clínico II

Cuando un rayo de luz impacta en su trayecto con una partícula en suspensión, una parte de la luz es reflejada, otra absorbida, otra desviada y otra trasmitida. La dispersión luminosa depende de la intensidad de la radiación, del diámetro y peso molecular de la partícula y de la longitud de onda incidente. Todos estos factores se relacionan por medio de fórmulas matemáticas complejas. A los efectos prácticos nos interesa conocer que intensidad de la dispersión es: -Directamente proporcional al peso molecular de la partícula y a la concentración de las partículas. - Inversamente proporcional a la longitud de onda de la luz incidente. •

Turbidimetría

Mide la intensidad de luz transmitida luego de que un haz de luz la atraviesa. La intensidad de luz obstaculizada por las partículas en la muestra es directamente proporcional a la concentración de partículas, (siguiendo la ley de Lambert-Beer) en un intervalo limitado de concentraciones. Esta intensidad transmitida se mide en un espectrofotómetro normal de absorción molecular. Generalmente se hacen mediciones entre 300-380 nm y entre 500-650 nm. Aplicaciones en el laboratorio clínico Determinación de proteínas totales en orina y LCR. Determinación de ciertas proteínas plasmáticas específicas mediante métodos de inmunoturbidimetría.(Ej. Transferrina) En bacteriología para el recuento de colonias en cultivos. En hemostasia (detección formación coágulo, etc.) •

Nefelometria

La nefelometría mide la luz desviada en diferentes ángulos (diferente al incidente) por las partículas presentes en la suspensión. El detector está situado en un ángulo entre 15° y 90°. La sensibilidad de esta medición está limitada por la exactitud y sensibilidad del instrumento de medición y depende de la capacidad de detectar pequeños cambios en la intensidad de la luz. La lectura se realiza a bajas longitud de onda. El instrumento usado en la nefelometría es el nefelómetro Aplicaciones clínicas Determinación de proteínas plasmáticas específicas.( Ej. alfa 1 antitripsina)

Reflectometría Permite medir por reflexión de la luz en una determinada longitud de onda los cambios de coloración en una tira reactiva, por ejemplo: Tiras reactivas para determinaciones químicas en orinas, Química seca En la tira (soporte sólido) se encuentran componentes de reacción química estabilizados (indicadores, enzimas) por pre tratamiento y secado de las respectivas soluciones. Los componentes estructurales de la tira son: un soporte de material sintético con un código magnético en un extremo, sobre el soporte del material sintético, un material de transporte del plasma, una serie de capas que 179

Telma Brich

contienen material separador (por lo general, fibra de vidrio) y reactivos, recubierto todo con una capa protectora. La muestra de sangre es depositada sobre el material separador, que retiene los eritrocitos y permite la difusión del plasma hacia el material de transporte. De aquí, asciende por capilaridad a través de las capas embebidas con los reactivos, en las cuales se lleva a cabo la reacción. Los tiempos de preincubación y de reacción, así como la temperatura necesaria, son controlados por el equipo. Algunos sistemas poseen dos compartimientos en la tira, uno para la muestra, y otro para un calibrador acuoso. Algunos sistemas solo pueden realizar determinaciones colorimétricas, mientras que otros pueden llevar a cabo análisis enzimáticos. El reflectómetro está constituido por fuente de luz (esfera de Ulbricht ) El rayo emitido incide sobre el área de lectura de la tira y es reflejado por ésta. Los detectores comparan la intensidad de la luz emitida por el diodo emisor con la de la luz reflejada. Mientras mayor sea esta última, menor será la concentración del analito.

Fenómeno de reflexión de la luz MÉTODOS FOTOMÉTRICOS DE ANÁLISIS. Cuantificación de magnitudes biológicas Las metodologías de análisis utilizadas en el laboratorio clínico se basan, en su gran mayoría, en reacciones químicas para las cuales la muestra biológica se mezcla con reactivos, generalmente comerciales, produciéndose cambios apreciables que se detectan por técnicas fotométricas. Estos cambios pueden ser la detección de presencia, concentración, ausencia o actividad. La determinación de la concentración de un compuesto se puede medir por: •

Reacción con reactivos adecuados, variando la estructura del componente inicial en un producto que interacciona con la luz produciendo una modificación en su trayecto o intensidad.

•

Interacción con otra sustancia que experimenta un cambio en sus propiedades de interacción con la luz.

Los ensayos fotométricos se pueden clasificar: Según el desarrollo de color: •

Punto final

•

Cinéticos

Según alguna característica de la reacción •

Enzimáticos

•

Colorimétricos

Métodos de punto final o de equilibrio Se incuba la muestra y el reactivo durante un tiempo y a una temperatura estandarizada para que se complete totalmente la reacción hasta llegar a un equilibrio donde no se produce más desarrollo de color. 180

Análisis Clínico II

En las determinaciones con reactivos comerciales suele haber exceso de reactivos para asegurar que el analito reaccione en su totalidad en las condiciones de Tª, pH, tº, indicadas en la metódica. Reacciones acopladas: Cuando la reacción química que se produce entre el analito a determinar y el reactivo no produce cambios medibles, se utiliza una reacción acoplada a la anterior capaz de producir un compuesto que cambie sus propiedades físicas y sea susceptible de ser medido. Reacción Auxiliar a la que se utiliza para transformar la sustancia a determinar. Reacción Indicadora a la que se utiliza para la medida fotométrica. Ambas reacciones se llevan a cabo en la misma mezcla de ensayo y se dice que están acopladas

A +B → C + D (Reacción auxiliar) D + Y → W+ R (Reacción indicadora)

Métodos cinéticos No se mide un producto final de reacción, sino la velocidad en que se desarrolla la reacción antes que ésta concluya. En estas determinaciones, la absorbancia no es directamente proporcional a la concentración del parámetro que se investiga: Es la variación de la absorbancia durante una unidad de tiempo establecida, lo que es proporcional a la concentración y/o actividad del espécimen. Esto es debido a que la presencia del espécimen en la muestra va a dar lugar a la aparición o desaparición de sustancias capaces de absorber la radiación a la λ de medida. Generalmente se toma el minuto como unidad de tiempo de medida de la variación de la Absorbancia. Se puede aplicar también en este caso la Ley de Beer:

Δ Abs = ε . b . c

(∆ : Diferencia)

Δ Abs/min = ε . b . c c = Δ Abs/min. ε. b c = Δ Abs/min. F Se puede medir la cantidad de sustancia no transformado ó la cantidad de producto formado. A + B → C + D

181

Telma Brich

Métodos colorimétricos Son las reacciones analíticas que se miden empleando longitudes de onda dentro del espectro visible. La mayoría de las sustancias no son coloreadas y por tanto no absorben luz en la región UV-visible debido a que no tienen grupos cromóforos en su estructura química. Entonces, debe realizarse alguna estrategia con tal de poder analizar espectrofotométricamente estas sustancias. La estrategia radica en hacer reaccionar la sustancia no coloreada con un reactivo específico, de forma que el producto que se obtenga sea coloreado y ahora sí absorba en el UV-visible, de esta forma podrá ser leído en el espectrofotómetro. La absorbancia del producto obtenido es proporcional a la concentración de la sustancia en la muestra. Por lo general son reacciones colorimétricas a punto final, pero también pueden ser colorimétricas y cinéticas, y en esta situación lo que se medirá es la diferencia de absorbancia del color en una unidad de tiempo. Métodos enzimáticos Son aquellos métodos analíticos en las que alguno de los reactivos son enzimas; no tienen por qué ser métodos donde lo que se mida sean actividades enzimáticas. El enzima añadido como parte de los reactivos al unirse al parámetro desencadena una reacción que permite su determinación bien por aparición de un compuesto coloreado (reacción a punto final), bien por variación de la absorbancia por unidad de tiempo, etc. Técnica enzimático-colorimétrica: consiste en acoplar una reacción enzimática al método, de forma que la sustancia problema no coloreada es sustrato de un enzima específica. Esta enzima transforma la sustancia problema en un producto coloreado que absorbe en el UV-visible, de forma que pueda leerse en el espectrofotómetro. La diferencia respecto a una técnica colorimétrica es que no se produce una reacción química con la sustancia problema, sino una reacción enzimática. A continuación se describe como ejemplo un método para la determinación de ácido úrico, donde se observa el acoplamiento de dos reacciones enzimáticas.

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Análisis Clínico II

Ejemplo: REACCIÓN ENZIMÁTICA COLORIMETRICA-ACOPLADA-PUNTO FINAL

(E URICASA) 1. ACIDO URICO+ 2H2O +O2

→

ALANTOÍNA + CO2+H2O2

(E.PEROXIDASA) 2. 2H2O2 + 4 AMINO FENAZONA

→

QUINONA DIIMINA+4H2O

Muestra:

Ácido úrico

Reactivos:

Enzimas Uricasa y Peroxidasa

Producto intermedio:

H2O2

Producto final: Complejo coloreado Quinona diimina

AUTOMATIZACIÓN Autoanalizadores El funcionamiento de los autoanalizadores tiene en el mismo fundamento que el de los espectrofotómetros manuales. El término automatización se aplica a aquellos procesos donde el instrumento lleva a cabo una serie de tests con un mínimo de intervención del personal técnico. Se debería hablar se mecanización y no de automatización, ya que el programa informático es comandado por el personal técnico. Ventajas •

Elimina el error humano por fatiga en etapas repetitivas del análisis

•

Mejor precisión y la exactitud de los resultados

•

Velocidad

•

Archivo de resultados en el soft.

•

Trazabilidad de la muestra

Etapas del proceso de automatización •

Identificación de la muestra

•

Sistemas de carga de la muestra

•

Sistemas de dispensación de la muestra

•

Sistema de carga y dispensación de los reactivos

•

Sistema de mezcla de reactivos con la muestra

•

Sistema de incubación

•

Cubetas de reacción

•

Sistema de detección

•

Análisis de datos.

•

Interfase con SIL 183

Luis Simes

Identificación de la muestra: Hay dos sistemas: •

Directo: Marcado electrónico de muestras por códigos de barra.

•

Indirecto: Carga manual La muestra se relaciona con la posición que ocupa en una secuencia analítica según indicará una lista de trabajo previamente realizada.

Sistema de carga de la muestra Se suelen utilizar copas o cubetas de plástico descartables cuya forma y tamaño depende del tipo del analizador, aunque se sugiere, si existe la posibilidad, de utilizar tubos primarios para minimizar errores. Se pueden colocar en bandejas circulares o en cadenas transportadoras.(Racks) Sistema de dispensación de muestras Actualmente se utilizan analizadores de flujo discretos en los cuales la muestra es aspirada por una aguja o jeringa y es colocada en una cubeta de reacción, junto con el reactivo. Las jeringas permiten la aspiración de muestra o reactivo por un sistema de bomba hidroneumática que permite tomar volúmenes variables y adaptarse a la diversidad de determinaciones que se realizan en un mismo equipo. Sistema de reactivos con la muestra Tipos de Reactivos: •

Reactivos líquidos Son los más empleados. Son reactivos en estado líquido que se adquieren de esta forma o liofilizados que se reconstituyen con agua o con buffers (tampones). Se manejan en contenedores de vidrio o plástico o casettes cerrados.

•

Química seca

Sistema de mezcla de reactivos y muestra La mezcla tiene lugar en las cubetas de reacción. El mezclado se puede hacer por distintos mecanismos: •

Por movimientos rotatorios de los contenedores

•

Mediante agitadores magnéticos

Sistemas de incubación La incubación pretende que la reacción tenga lugar en un determinado tiempo y a una determinada temperatura. La temperatura se puede realizar por baños de agua ó aire caliente a temperatura controlada. En estos baños se encuentran sumergidas las cubetas de reacción. Cubetas de reacción y lectura La lectura se realiza en las mismas cubetas de reacción. Sistema de detección El sistema de detección más frecuente es la espectrofotometría de absorción molecular, también se pueden usar para reacciones turbidimétricas. Existen autoanalizadores para Química seca, electroquimioluminiscencia, contadores de partículas (Hematología) Análisis de datos El detector crea una señal que se transforma en digital y transforma estos datos en unidades de concentración a partir de curvas de calibración instaladas en el soft. Interfase de comunicación con el Sistema Informático del Laboratorio Se realiza a través de un sistema uni o bidireccional, en batch (se envían resultados a requerimiento) o host querry (los resultados pasan automáticamente al SIL para validarse)

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Análisis Clínico II

9

Tecnicas Electroquimicas

y de separación

Las técnicas electroquímicas miden la corriente eléctrica o el voltaje generado por la actividad de iones presentes en una muestra. Las más utilizadas en el laboratorio clínico son la potenciometría y la amperometría, aplicadas a la medida de electrolitos, la determinación del pH y presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono.

POTENCIOMETRIA La potenciometría sigue principios fisicoquímicos determinados por la ecuación de Nernst, según la cual el potencial medido es proporcional a la actividad del ion en la muestra. Lo que se obtiene de la medición es la actividad, que se relaciona con la concentración por un factor llamado coeficiente de actividad, ai = fi x ci. Las técnicas potenciométricas se basan en la medida del potencial eléctrico entre los dos electrodos de una célula electroquímica. Una célula electroquímica está formada por: •

dos conductores llamados electrodos, cada uno sumergido en una disolución adecuada de electrolito

•

un puente salino inerte para que circula la corriente eléctrica

•

un potenciómetro que mide la diferencia de potencial generada

Cuando un metal se sumerge en una disolución de sus propios iones, los átomos del metal tienden a pasar a la disolución como iones liberando electrones (reacción de oxidación). La lámina de metal introducida en la solución se llama electrodo (concretamente ánodo), el sistema completo se llama semicélula. Mo → M+ + e- Con algunos metales ocurre el proceso contrario, los iones metálicos de la disolución toman electrones (reacción de reducción) y pasan a átomos neutros que se depositan en el electrodo que recibe el nombre de cátodo. M+ + e

→

Mo

Una célula electroquímica está formada por dos semicélulas, una con el cátodo y otra con el ánodo. Así, en la célula electroquímica el exceso de electrones del ánodo se dirige hacia el cátodo, generando una corriente eléctrica. Los métodos electroquímicos se basan este principio utilizando una célula electroquímica con dos semicélulas denominadas una, electrodo indicador y la otra electrodo de referencia. El electrodo de referencia es una semicélula de potencial conocido y constante, generalmente el cátodo. El voltaje del electrodo indicador responde proporcionalmente a la concentración del electrolito de interés. La diferencia de potencial entre ambos es proporcional a la concentración del electrolito al que es sensible el electrodo de referencia. (Ej. Electrodos de referencia: Electrodo de hidrogeno, electrodo de calomelanos, electrodo de plata-cloruro de plata)

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Telma Brich

Electrodos ion selectivo: Los Electrodos Ion Selectivo (ISE) son electrodos indicadores con un mecanismo de selección asociado a una membrana que los hace sensibles sólo a variaciones de potencial debidas a la concentración de un determinado ion a ambos lados de la membrana. Aunque no es exacto, se puede decir que la membrana ISE es “permeable” frente a un ion concreto. Se encuentra entre dos disoluciones de diferente concentración: una de las disoluciones es una solución interna con una concentración fija del ion a medir y la otra solución es la muestra problema. El ion se une a la cara de la membrana en la que la concentración es menor y se libera en la cara contraria generando un potencial. Los principales tipos de ISE son: •

Electrodos de vidrio: contienen puntos aniónicos que atraen y fijan determinados cationes, cambiando la composición del vidrio se consigue variar la selectividad. Ej. utilizado para medir el pH.

•

Electrodos de membranas cristalinas: existen materiales que contienen huecos catiónicos para acomodar aniones de tamaño y carga adecuados.

•

Electrodos de membrana líquida: membrana con un soporte sólido inerte sobre el que se sitúa un intercambiador iónico que penetra en los poros y es responsable de la selectividad. Ej. Electrodo de potasio con membrana de valinomicina (es un ionóforo con una estructura tal que permite el pasaje como “por canales “ del potasio pero no del sodio debido a su tamaño)

Los analizadores automáticos de electrolitos suelen tener ISE y las mediciones con éstos pueden ser directas (sin dilución previa de la muestra) o indirectas (con dilución previa de la muestra). Los resultados de las medidas potenciométricas en sangre, plasma o suero sin diluir suelen darse en forma de actividad multiplicada por un factor adecuado. En general, las determinaciones de la actividad se basan en comparar el potencial de la solución desconocida con el de varias soluciones calibradoras de actividad conocida. Cuando las medidas potenciométricas se utilizan para determinar la concentración de los iones totales (los libres más los unidos), la muestra deberá diluirse con un diluyente adecuado que libere el ion unido. Al mismo tiempo, la dilución establece una fuerza iónica constante, de forma que se obtiene un coeficiente de actividad también constante e independiente de la fuerza iónica del espécimen original. En la potenciometría indirecta los valores obtenidos correlacionan con los del método tradicional de fotometría de llama, metodología que arroja medidas de concentración y que ha dado origen a los intervalos de referencia aplicables a la población de individuos normales.

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Análisis Clínico II

Electrodo de medición de pH El análisis cuantitativo del pH se realiza con una célula electroquímica constituida por un electrodo de vidrio sensible a variaciones de pH y un electrodo de referencia (ej. de calomelanos). La determinación de pH consiste en medir el potencial que se desarrolla a través de una fina membrana de vidrio permeable que separa dos soluciones con diferente concentración de protones. Una celda para la medida de pH consiste en un par de electrodos, uno de calomel ( mercurio, cloruro de mercurio) y otro de vidrio, sumergidos en la disolución de la que queremos medir el pH. El soporte del electrodo es de vidrio común y no es conductor, mientras que el bulbo es extremadamente sensible al pH (extremo del electrodo), está formado por un vidrio polarizable. El bulbo contiene una solución de ácido clorhídrico 0.1M saturado con cloruro de plata. El voltaje en el interior del bulbo es constante, porque se mantiene su pH constante (pH 7) de manera que la diferencia de potencial solo depende del pH del medio externo. (Muestra) El alambre que se sumerge al interior (normalmente Ag/AgCl) permite conducir este potencial hasta un amplificador. Para establecer la relación concreta entre la diferencia de potencial y el pH es necesario calibrar el pH-metro con dos disoluciones de pH conocido ej. 7 y 4.

Electrodos sensibles a gases: pCO2 (Presión parcial de CO2) El sistema de electrodos para la medición de la pCO2 usa principios similares a aquellos descritos con el medidor de pH. Este utiliza un electrodo medidor que combina un electrodo de vidrio medidor de pH y un electrodo de plata – cloruro de plata de referencia. Una membrana permeable al CO2, pero no a los iones hidrógeno, separa la muestra del sistema medidor. El electrodo de PCO2 también contiene una membrana porosa de nylon que actúa como un soporte para una placa acuosa de bicarbonato. Cuando el CO2 difunde a través de la membrana, dentro del soporte, el pH del electrodo cambia debido al cambio en la concentración de bicarbonato de acuerdo con la ecuación: H2 O + CO2  H2 CO3  H+ + HCO3 -

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Telma Brich

La corriente de salida de este electrodo modificado de pH es proporcional a la PCO2 presente en la muestra.

AMPEROMETRIA La PO2 (Presión parcial de O2) se mide usando un sistema de electrodo polarográfico que consiste en un cátodo de platino (en el centro del cilindro de vidrio) y un ánodo de plata - cloruro de plata. Una membrana permeable al oxígeno separa la muestra sanguínea del sistema de medición. El oxígeno que difunde a través de la membrana es reducido por el cátodo cuando se aplica un potencial polarizante de 0.7 V entre el ánodo y el cátodo. Las siguientes reacciones representan las reacciones que ocurren en el cátodo.

O2 + 2H2O → 4 e- + 4 OH4 Ag → 4 Ag + + 4 e-

La corriente desarrollada por estas reacciones es directamente proporcional a la pO2 de la muestra sanguínea.

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Análisis Clínico II

TECNICAS DE SEPARACIÓN

ELECTROFORESIS El principio de la electroforesis se basa en que las partículas cargadas (en este caso proteínas) pueden migrar en un campo eléctrico, hacia uno u otro electrodo dependiendo de: 1. Carga de la partícula: Se trabaja con un buffer a pH: 8,6 al cual todas las proteínas se encuentran con carga negativa. 2. Tamaño: Mayor peso molecular, menor velocidad de corrida. 3. Fuerza del campo eléctrico: mayor voltaje, mayor velocidad de corrida. 4. Medio soporte: Acetato de celulosa- Agarosa- Gel de poliacrilamida.

Electroforesis de Proteínas Es una técnica de separación que permite separar proteínas en función de su migración diferencial. Si se hace variar el pH de la solución amortiguadora donde están disueltas, las proteínas van a migrar según su carga a distancias diferentes produciéndose la separación en fracciones. Las partículas cargadas negativamente (aniones) se dirigen al cátodo y las cargadas positivamente (cationes) se dirigen al ánodo. La albúmina por ser la molécula más pequeña y tener mayor número de grupos aniónicos migra con mayor rapidez seguida del resto de las globulinas. Procedimiento de separación electroforético: Fuente de alimentación: se usa para aportar la energía eléctrica al proceso. Cubeta: consiste en una cámara que contiene los electrodos de carga opuesta. Los electrodos están situados en dos receptáculos separados entre sí que se conectan por un puente salino cuya función es permitir el paso de la corriente. La cubeta se encuentra tapada para minimizar la evaporación. En algunos casos lleva un sistema de refrigeración. Medio de soporte: Se puede utilizar acetato de celulosa, agarosa, poliacrilamida o electroforesis capilar. Revelado: Tiene por objeto la localización de las distintas fracciones de la muestra. Esto se consigue mediante la tinción de la tira. Previamente a este paso se debe parar el proceso de difusión que se consigue con distintos métodos. El colorante empleado dependerá del compuesto que queramos localizar (Ej. Para proteínas, el negro amido). Una vez sumergida la tira en el colorante se debe eliminar el exceso mediante lavados con una solución decolorante.

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Telma Brich

Lectura y evaluación: Densitometría: Consiste en la lectura directa de la tira mediante un fotodensitómetro. En este aparto se elige la longitud de onda adecuada, se hace pasar un haz de luz a través de la tira y, dependiendo de la densidad de color de cada fracción se absorberá más o menos luz. Un detector recibe el haz de luz y dependiendo de la intensidad de la luz recibida se determina la concentración. El aparato es capaz de elaborar una gráfica de registro del recorrido de la luz. En esta gráfica, cada banda aparece como un pico cuya altura depende de la densidad de color que a su vez depende de la concentración de la sustancia.

Electroforesis de Lipoproteinas

SEGUNDO ANTICUERPO MARCADO CON SONDA RADIACTIVA

Electroforesis de Hemoglobina

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Análisis Clínico II

Técnica con desnaturalización (SDS_PAGE) Una electroforesis desnaturalizante se realiza sometiendo a las proteínas a migración a una desnaturalización (pérdida de la estructura tridimensional). En esta situación, la migración es proporcional a la carga y al tamaño de la molécula pero no a su forma. El agente desnaturalizante más empleado es un detergente: el sodiododecilsulfato o SDS. SDS-PAGE es la electroforesis de proteínas más ampliamente usada. Su nombre indica que la electroforesis en geles de poliacrilamida se realiza en presencia de SDS. La mezcla de proteínas se disuelve primero en un medio con dodecilsulfato de sodio (SDS), un detergente iónico que se une a las proteínas y es capaz de romper todas las interacciones no covalentes de las proteínas y en un agente reductor de puentes disulfuro. De esta manera, las proteínas se desnaturalizan y son separadas en sus polipéptidos constitutivos (en caso de tener estructura cuaternaria). En estas condiciones todas las moléculas tienen la misma forma, en tanto que su carga es proporcional a su tamaño. Por lo tanto, la separación de las proteínas en un campo eléctrico ya no será dependiente de estos dos factores. Sin embargo, al estar migrando dentro de una red porosa, las proteínas de menor peso molecular se desplazaran más fácil y rápido, en tanto que las de mayor peso molecular quedarán más retrasadas. En consecuencia la separación de los complejos SDS-proteína es proporcional sólo al tamaño de la proteína. Se puede entonces determinar el peso molecular aparente de cualquier proteína por comparación con un patrón de proteínas de pesos moleculares conocidos.

Método de transferencia a filtros WESTERN BLOT La transferencia de proteínas o ‘blotting’ se realiza por inmovilización de las proteínas sobre membranas sintéticas, seguido de la detección específico. 1. Las proteínas son separadas en primer lugar mediante electroforesis en geles de poliacrilamida. 2. Inmovilización de proteínas sobre la membrana, generalmente mediante electrotransferencia. En este método, las proteínas son transferidas electroforéticamente desde el gel a la membrana. Se construye lo que se conoce como sándwich, donde se apilan sucesivamente una esponja plana, papel absorbente, el gel, la membrana sintética, más papel y finalmente otra esponja plana. Se dispone de forma tal que el gel quede hacia el ánodo (-) y la membrana hacia el cátodo (+). Se aplica una diferencia de potencial y éstas migrarán desde el gel hacia la membrana donde quedarán retenidas. 3. Incubación del ‘blot’ con anticuerpos contra la/s proteína/s de interés. 4. Incubación del ‘blot’ con anticuerpos secundarios, o reactivos que actúan de ligando para el anticuerpo primario unido a enzimas u otros marcadores. Como anticuerpos secundarios se suelen emplear anticuerpos que reconocen a las inmunoglobulinas (o sea, el anticuerpo primario). Estos anticuerpos tienen unidos en forma covalente una enzima o un átomo radioactivo, que será utilizado como señal para detectar la presencia de la proteína.

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5. Sistema de revelado de las bandas de proteínas marcadas con el complejo de anticuerpos. Enzimas que están unidas covalentemente al anticuerpo secundario. Las mismas catalizan una reacción en la que se forma un precipitado coloreado, o en la que se emite luz.

CROMATOGRAFIA Es un método de análisis en el cual, una fase móvil (gas o líquido), que contiene la muestra se separa en sus componentes mediante la distribución diferencial entre esta fase y una fase estacionaria (sólida o líquida). De esta forma, un compuesto que tenga más afinidad que otro por la fase estacionaria se retrasará en su avance a través de ésta, mientras que el que tiene poca afinidad la atravesará antes. Clasificación según el mecanismo físico que lleva a la separación de los solutos:  Adsorción  Partición  Intercambio iónico  Afinidad  Exclusión molecular Cromatografía de intercambio iónico en columna. Fundamento: Permite la separación de las moléculas basándose en sus propiedades de carga eléctrica. •

Fase estacionaria: Resina insoluble que contiene en su superficie cargas electrostáticas fijas que retienen contraiones que se intercambian con la fase móvil.

•

Fase móvil: Disolución de la muestra con un buffer. Los iones de la fase móvil compiten con los especímenes a analizar por los sitios de la fase estacionaria.

Cuando se produce el paso de la fase móvil a través de la fase estacionaria los iones de la muestra compiten con los iones de la fase móvil por los sitios de unión en la resina (fase estacionaria). De manera que, aquellos que tienen mayor fuerza de unión, son más retenidos y saldrán más tarde de la columna. La fuerza de unión con la fase estacionaria se puede modificar cambiando el pH. Por esta circunstancia, cuando se quiere terminar el proceso se puede cambiar el pH y eluir la muestra que fue más retenida.

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Análisis Clínico II

TECNICAS ANALITICAS 3

INMUNOENSAYOS TECNICAS INMUNOLOGICAS Conceptos de antígeno y anticuerpo Antígeno ( Ag) es toda molécula que al entrar en contacto con los linfocitos es capaz de activarlos y desencadenar una respuesta de tipo humoral o celular. Los antígenos deben ser extraños al animal en el que desencadenan la respuesta inmune, por eso poseen propiedades antigénicas los virus y bacterias, las macromoléculas de un animal de otra especie, e incluso las proteínas propias del animal. Los anticuerpos (Ac) son glicoproteínas de alto peso molecular sintetizadas por las células plasmáticas del organismo. Los anticuerpos pueden hallarse en todos los líquidos orgánicos, encontrándose en el suero en mayor concentración. Se han identificado en el hombre cinco clases de inmunoglobulinas (gammaglobulinas con actividad de anticuerpos), que se denominan: Ig G, Ig M, Ig A, Ig D e Ig E. Las inmunoglobulinas están formadas por cadenas pesadas (H de heavy) y livianas (L de light) de proteínas en las que hay porciones constantes y porciones variables. La propiedad biológica más característica de las inmunoglobulinas es su capacidad de reaccionar específicamente con los antígenos a través de las porciones variables. La específicifidad Ag-Ac significa que las inmunoglobulinas sintetizadas por estímulo de un antígeno, sólo reaccionan con el antígeno que la generó. Esta especificidad se debe a la secuencia de aminoácidos de la porción variable. Los tipos de respuesta que ofrece el organismo son dos: respuesta celular (linfocitos T y macrófagos) y respuesta humoral (linfocitos B con colaboración de linfocitos y macrófagos) Anticuerpos monoclonales Los anticuerpos no sólo son componentes del sistema inmune sino que se utilizan como reactivos biológicos en muchos ensayos que se aplican en el laboratorio clínico. Los anticuerpos, al ser proteínas, también se pueden emplear como antígenos en una reacción, es decir que se pueden generar anticuerpos contra ellos. De esta forma, si un conejo es inoculado con Inmunoglobulinas de ratón formará anticuerpos contra la Inmunoglobulina de ratón. Este hecho es fundamental para su aplicación de los inmunoensayos.

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Los anticuerpos monoclonales son anticuerpos dirigidos contra un solo determinante antigénico y son la base de la industria tecnológica actual. Los Ac monoclonales son específicos para un epitope simple en un Ag polivalente. Se producen a partir de una línea celular simple usando tecnología por hibridomas y líneas celulares de mieloma de ratón. Los hibridomas son células tumorales productoras de anticuerpos que producen varias copias de un mismo anticuerpo y se desarrollan fácilmente en el laboratorio. La línea celular es potencialmente “inmortal” y puede producir Ac en forma constante e indefinida. En los diferentes tipos de Inmunoensayos, los diferentes tipos de Ac que se utilizan para la detección de Ag tiene cada uno afinidades diferentes según la particularidad de la reacción. Hay que considerar también que los ensayos que miden Ac suponen la detección de Ac policlonales generados por el sistema inmune del paciente. Interacción Ag-Ac La unión antígeno-anticuerpo (Ag-Ac) es una interacción reversible de alta especificidad en la que están involucrados enlaces no-covalentes entre el determinante antigénico y el sitio activo respectivamente. En la interacción in vitro de un antígeno (Ag) con su correspondiente anticuerpo (Ac) se distinguen dos etapas, la interacción primaria no visualizable y la interacción secundaria, que sigue a la anterior y se caracteriza por la aparición de un fenómeno visible como la aglutinación o la precipitación. Pero no siempre que se produce la interacción primaria Ag-Ac, se produce la interacción secundaria, ya que, para conseguir fenómenos visibles, son indispensables determinadas concentraciones y características de los Ags y Acs. INMUNOENSAYOS El Inmunoensayo es una técnica analítica que utiliza la reacción Antígeno Anticuerpo para generar un resultado perceptible y medible. Los Inmunoensayos se pueden utilizar tanto para la detección de antígenos como de anticuerpos. Las nuevas tecnologías y metodologías para la detección de la señal medible incrementaron notablemente la sensibilidad del ensayo. Ventajas de los Inmunoensayos: • Alta especificidad • Sensibilidad • Estabilidad • Versatilidad en el diseño del ensayo: Elisa, Inmunofluorescencia, Western blot, • Tiempo de ejecución, infraestructura y costo razonable.

Sensibilidad de detección de los Inmunoensayos

g

mg

ug

ng

pg

fg

1

10-3

10-6

10-9

10-12

10-15

Técnicas químicas usuales Espectrofotometría Fluorometria

Técnicas Inmunocompetitivas RIA-IRMA-ELISA-FIA

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Los Inmunoensayos son aplicables a la detección de: •

Haptenos: sustancia química de pequeño peso molecular que no induce por sí misma la formación de anticuerpos pero al unirse a una proteína transportadora como la albúmina produce una respuesta inmune.

•

Macromoléculas: proteínas y complejos proteicos.

•

Anticuerpos: producidos por alérgenos, agentes infecciosos y antígenos autólogos.

Los analitos que se determinan en un Inmunoensayo pueden ser aquellos que están presentes en el plasma normalmente (hormonas tiroideas), aquellos que el cuerpo produce pero no están típicamente presentes (Antígeno Carcino embrionario) o aquellos que en condiciones normales no existen en sangre (drogas terapéuticas). METODOLOGÍA Las técnicas inmunológicas que evidencian la interacción Ag-Ac a través de una reacción secundaria (precipitación o aglutinación) son, generalmente, más económicas y sencillas que aquellas que permiten visualizar la interacción primaria (Técnicas con inmunomarcación) INMUNOENSAYOS DIRECTOS. Medida directa del complejo Ag-Ac. INMUNOENSAYOS CON REACTIVOS MARCADOS O INDIRECTOS Requieren el uso de material marcado o SONDA para medir la concentración de antígeno o anticuerpo presente en la muestra. 1. INMUNOENSAYOS DIRECTOS Reacciones de precipitación: Al mezclar cantidades suficientes de Ag soluble con Acs específicos, la interacción Ag-Ac puede dar lugar a un entramado capaz de ser visualizado como un precipitado. Este entramado está formado por grandes complejos inmunes (CI) formados por la interacción Ag-Ac. Como se observa en la figura, cuando se agregan concentraciones crecientes de Ag soluble a una cantidad fija de suero conteniendo Acs específicos, a medida que la cantidad de Ag agregado aumenta, la cantidad de precipitado se incrementa hasta alcanzar un máximo, luego de lo cual declina. En un extremo de la curva de precipitación, cuando se agregan pequeñas cantidades de Ag, los CI se forman en exceso de Ac. Al agregar grandes cantidades de Ag, los CI se forman en exceso de Ag siendo pequeños y probablemente constituidos por una molécula de Ac y dos de Ag. Entre estas dos situaciones extremas se encuentra la zona de equivalencia, en donde la relación Ag-Ac permite la formación de grandes redes de CI que precipitan.

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La reacción de precipitación depende del número de sitios que posee el Ac para reconocer al Ag. (Un Ac bivalente posee dos sitios capaces de reconocer al Ag) y del número de epitopes que posee el Ag. Para que se pueda producir la interacción secundaria Ag-Ag con la consecuente formación del precipitado, tanto el Ag como el Ac deben ser, al menos, bivalentes.

a)Inmunoensayos de precipitación La reacción Ag-Ac produce la formación de un entramado insoluble. a1)-Precipitación en medio solido: Inmunodifusión radial: Consiste en la difusión a través de un gel de agarosa, en el que se haya disuelto un Ac específico para el Ag que se va a estudiar. El Ag reacciona en el recorrido con el Ac formando un precipitado en el punto de equivalencia que se puede observar macroscópicamente.

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Esta técnica permite cuantificar de manera sencilla y económica inmunoglobulinas G, M y A o antígenos solubles (C3, C4, transferrina) presentes en muestras biológicas. La técnica se basa en la difusión de la muestra conteniendo el antígeno a medir (inmunoglobulinas o antígenos solubles) en una matriz semisólida de agar en la que se encuentra disuelto el Ac específico. La muestra biológica se introduce en los orificios cilíndricos excavados en el agar y a medida que el antígeno difunde en forma radial, se alcanza la relación Ag-Ac que permite la formación precipitados visibles. Una vez finalizada la difusión se mide el radio (R) de los precipitados que es proporcional a la concentración de antígeno (C). La concentración de proteína en la muestra biológica (Cx) se calcula realizando una curva de calibración utilizando muestras patrones de concentración conocida. a-2)-Precipitación en medio sólido: Inmunoelectroforesis Es una técnica cualitativa que permite la identificación de diferentes componentes proteicos presentes en distintas muestras biológicas (suero, orina, etc.) a través de arcos de precipitación. La técnica se realiza preferentemente en geles de agarosa y se distinguen dos etapas: 1) Las muestras se someten a una separación electroforética. 2) Terminada la electroforesis, las proteínas interaccionan con los Acs específicos aplicados en la agarosa en un canal paralelo al eje de migración. Luego de un período de difusión de los Acs, se observan arcos de precipitación cuya forma y posición dependen de las características inmunoquímicas y de la concentración de cada proteína.

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a-3)-Precipitación en medio líquido: Turbidimetria/Nefelometría: Se forman inmunocomplejos (CI) insolubles al igual que los ensayos de precipitación, pero quedan en suspensión en la mezcla de reacción. Se utilizan técnicas fotométricas y se mide la dispersión de la luz para cuantificar los (CI) formados. Se realiza también una curva de calibración con cantidades crecientes y conocidas de Ag para cuantificar la concentración del analito en las muestras.

Son técnicas cuantitativas. La medición turbidimétrica permite la automatización. La nefelometría necesita de un lector específico para la medición de la luz dispersada. b) Reacciones de aglutinación Las reacciones de aglutinación involucran una interacción secundaria entre Ag-Ac que llevará a la aparición de un aglutinado que se visualiza macroscópicamente como grumos. Los principios fisicoquímicos que rigen la formación de estos aglutinados son los mismos que gobiernan la formación de un precipitado. Los principios detallados acerca de la zona de exceso de antígeno, la zona de equivalencia y la zona de exceso de anticuerpo, son válidas y aplicables a las reacciones de aglutinación. La diferencia entre las reacciones de precipitación y las reacciones de aglutinación son las características del antígeno: mientras que en las reacciones de precipitación se emplean antígenos solubles, en las reacciones de aglutinación el Ag es particulado. Con un Ag soluble, también es posible diseñar una reacción de aglutinación gracias a que es posible adosarle distintas partículas (partículas inertes como látex o glóbulos rojos) y realizar un pegado químico o fisicoquímico del Ag soluble a dichas partículas, generando de esa manera un “Ag particulado” útil para fines diagnósticos. La ventaja de las reacciones de aglutinación desde el punto de vista de su utilidad en el laboratorio es que son muy sencillas de realizar, no requieren de ningún equipamiento para su lectura, son rápidas y fáciles de implementar. Presentan una mayor sensibilidad que las reacciones de precipitación y son una valiosa herramienta para diversos estudios serológicos (búsqueda de Acs específicos contra agentes patógenos) y para la detección de antígenos en fluidos biológicos. Tipos de reacciones de aglutinación según las características de las partículas aglutinantes: De acuerdo a las características de las partículas aglutinantes, las reacciones de aglutinación pueden clasificarse en: a. reacciones de aglutinación activa b. reacciones de aglutinación pasiva.

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a) Las reacciones de aglutinación activa se basan en el empleo de la partícula aglutinante como antígeno. Como ejemplos podemos mencionar: Aglutinación directa para toxoplasmosis-Aglutinación directa para Chagas. b) Las reacciones de aglutinación pasiva se basan en el empleo de una partícula aglutinante inerte a la cual se la ha unido un antígeno. Como ejemplos podemos mencionar: HAI Toxo-HAI- Chagas-ASTO. Los soportes particulados para las reacciones de aglutinación indirecta pueden ser glóbulos rojos: hemaglutinación o partículas de látex. El empleo de este tipo de partículas inertes ha permitido extender el rango de utilidad de la técnica de aglutinación a la determinación de Ac contra agentes infecciosos tales como el VIH o el HBV, e inclusive para la determinación de Ac contra moléculas solubles como estreptolisina O (ASTO), proteína C reactiva (PCR). Tipos de reacciones de aglutinación pasiva según la identidad de la especie “pegada” a las partículas aglutinantes: Considerando que es posible inmovilizar muchos tipos diferentes de proteínas a distintos tipos de partículas inertes, es posible clasificar las reacciones de aglutinación pasiva en: o Reacciones de aglutinación pasiva directa Las reacciones de aglutinación directa se basan en la sensibilización de la partícula inerte con el Ag, por lo que resultan útiles para la detección y titulación de Ac en distintos fluidos biológicos o Reacciones de aglutinación pasiva reversa. Las reacciones de aglutinación reversa se basan en la inmovilización del Ac en la superficie de la partícula inerte.

•

Concepto de TÍTULO

Las reacciones de aglutinación directa son útiles para la detección y titulación de Ac en distintos fluidos biológicos. Es importante destacar que NO es posible determinar la concentración de Ac sino calcular un título de Ac. Para ello, se realiza la incubación de diluciones seriadas del suero del paciente con cantidades constantes de Ag y se elige arbitrariamente como título la inversa de la máxima dilución de suero que produce aglutinación visible. En determinadas muestras en las que existe una gran cantidad de Ac es posible que a diluciones bajas (es decir, a altas concentraciones de suero) no se observe aglutinación. Este fenómeno se denomina efecto “prozona” y se debe a que en exceso de Ac se forman preferentemente complejos Ag-Ac solubles (como los formados en la zona de exceso de Ac en la curva de precipitación). En este caso, el título de Ac sigue siendo la máxima dilución de suero que produce aglutinación visible.

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•

Seroconversión

Teniendo dos muestras de suero de un mismo paciente tomadas a diferentes tiempos, es posible comparar mediante esta técnica el título de Acs en ambas muestras. Se denomina SEROCONVERSIÓN a la aparición de Acs o al aumento del título de Acs en 4 veces en un periodo entre 3 y 4 semanas. •

Inhibición de la hemaglutinación

Permite calcular la concentración de Ag en una muestra. Dicha técnica consiste en incubar cantidades constantes de la partícula aglutinante sensibilizada con el Ag de interés (Ag particulado), con cantidades constantes y aglutinantes del Ac especifico. A esta mezcla, capaz de aglutinar, se la enfrenta con cantidades variables de Ag libre como competidor. A partir de una determinada concentración de Ag libre, se producirá una inhibición de la aglutinación por competición del Ag libre por el Ac (que de esta manera no podrá unirse al Ag particulado para aglutinar).

•

Detección de anticuerpos IgG e IgM + IgG:

Existen reactivos diagnósticos disponibles en el mercado que permiten determinar si el título de Ac obtenido en una reacción de aglutinación (directa o indirecta) corresponden a IgG o a la suma de IgM más IgG. Esto se debe a que ambos tipos de inmunoglobulinas son aglutinantes. En muchos casos es necesario conocer si el paciente posee Ac de tipo IgM o IgG porque eso puede facilitar el seguimiento del paciente o determinar un tratamiento. Para ello, se ha desarrollado la técnica de aglutinación en ausencia y en presencia de 2-Mercaptoetanol (2-ME) Cuando se realiza la titulación del suero del paciente por aglutinación en ausencia de 2-ME y se informa un título, en realidad se está informando una actividad aglutinante que es la suma de la actividad aglutinante de la IgM y de la IgG. Si, siguiendo el protocolo provisto por el fabricante, se realiza la técnica en presencia de 2-ME produce una reducción de la IgM. De este modo, la realización de la aglutinación en presencia y ausencia de 2-ME permitirá determinar la presencia de IgG e IgM contra el Ag sensibilizante. En determinados casos (toxoplasmosis) es importante determinar la presencia de IgM porque es indicio de infección activa. La caída en el título del suero por aglutinación en ausencia vs. en presencia de 2-ME es indicio de la presencia de IgM específica para el parásito.

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2. -INMUNOENSAYOS COMO REACTIVOS MARCADOS Si bien la interacción primaria Ag-Ac no es visible, existen distintas estrategias para poder visualizarlas. El método consiste en “marcar” al Ac o al Ag mediante la unión covalente (conjugación) de determinadas moléculas, tales como FLUOROCROMOS, ISOTOPOS RADIOACTIVOS o ENZIMAS, para poder hacer visible esa primera interacción. Las técnicas no son tan sencillas y económicas como las anteriores, pero son mucho más sensibles. Se pueden clasificar: A) Según el TIPO DE SONDA •

Radioinmunoensayos La reacción Ag-Ac se evidencia por la competición entre el Ag o el Ac que estemos estudiando y una concentración conocida del mismo espécimen marcado radiactivamente.

•

Fluoroinmunoensayos Para la realización de estas técnicas el anticuerpo se marca con un fluorocromo detectándose la formación del complejo Ag-Ac por la emisión de fluorescencia.

•

Enzimoinmunoensayos Utilizan una enzima como marcador que produce la señal obtenida de la reacción entre un antígeno y un anticuerpo. Dentro de los enzimoinmunoensayos hay que destacar los Quimioinmunoensayos, en los cuales la enzima cataliza la oxidación de un sustrato. B) Según el MÉTODO DE SEPARACIÓN

•

Heterogéneos. El Ag marcado unido al Ac (Ac-Ag*) debe de ser físicamente separado del Ag marcado que permanece libre en la disolución (Ag*). El procedimiento de separación puede llevarse a cabo por precipitación de los Ac o por la adición de un segundo Ac que atrapa y precipita el Ac original o el Ac se encuentra unido a una fase sólida como puede ser la cara interna del tubo plástico.

•

Homogéneos. No requieren la separación de la unión anti Ac-Ag* del Ag* libre. C) Según el DISEÑO DEL ENSAYO

•

Competitivos. En los formatos competitivos, el analito sin marcar (generalmente antígeno) en la muestra se mide por su capacidad para competir con un antígeno marcado. El antígeno sin marcar bloquea la capacidad del antígeno marcado de unirse ya que ese punto de unión en el anticuerpo ya se encuentra ocupado. En el formato competitivo de un solo paso tanto el antígeno marcado (Ag*) como la muestra sin marcar (o analito de la muestra) compiten por una cantidad limitada de anticuerpo. La concentración de antígeno es inversamente proporcional a la concentración de la señal.

•

No competitivos o “sándwich”. El analito está unido (como un sandwich) entre dos reactivos de anticuerpo muy específicos. En los ensayos no competitivos, la medición del analito marcado, generalmente un anticuerpo, es directamente proporcional a la concentración de antígeno presente en la muestra. Así, cuanto mayor sea la cantidad de antígeno presente, más anticuerpos marcados se unirán.

Ensayos competitivos En este Inmunoensayo el Ag de la muestra compite con un Ag marcado de reactivo. El antígeno sin marcar bloquea la capacidad del antígeno marcado de unirse al anticuerpo. El hecho que se mida menos marca significa que hay más antígeno en la muestra. (Relación inversa)

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ANTICUERPO UNIDO A SOPORTE SOLIDO

SEGUNDO ANTICUERPO MARCADO CON SONDA RADIACTIVA

ANTIGENO

Ensayos no competitivos

Los formatos de ensayo no competitivos generalmente proporcionan el nivel más alto de sensibilidad y especificidad. Se aplican a la medición de analitos críticos como pueden ser los marcadores cardíacos y de hepatitis. A este formato se lo conoce como ensayo SANDWICH ya que el analito está unido como un sándwich 2 reactivos anticuerpos muy específicos. El Ag de la muestra se al Ac que se encuentra unido a una fase sólida y se revela con un segundo Ac marcado. La medición del anticuerpo marcado es directamente proporcional a la concentración del analito en la muestra. Método homogéneo: No requieren la separación del inmunocomplejo Ag*-Ac marcado del Ag libre marcado (Ag*) a diferencia de los Heterogéneos que sí necesitan la separación. Las primeras son más rápidas y sencillas

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RADIOINMUNOANALISIS (RIA) Fue la primera técnica desarrollada de ensayo competitivo de proteínas. La técnica de radioimnunoanálisis (RIA) permite cuantificar la presencia de pequeñas cantidades de un determinado Ag o Ac en una muestra biológica. Si bien es una técnica muy sensible, en la actualidad no es tan utilizada como lo era antes y ha sido reemplazada por otras técnicas que no utilizan radioisótopos. La técnica se basa en la inhibición competitiva de la unión de un Ag marcado radiactivamente con su Ac específico, por parte de Ags idénticos no marcados presentes en la muestra a analizar. En la reacción participan: 1) Acs específicos contra la molécula a cuantificar (esa molécula puede ser un Ag o una inmunoglobulina) 2) la molécula a cuantificar marcada radioactivamente 3) la muestra a analizar donde se encuentra la molécula a cuantificar. Una vez desarrollada la reacción debe separarse el complejo Ag-Ac del medio donde se encuentra Ag y Ag* libres para poder cuantificar la cantidad de radiactividad unida al anticuerpo. Para la separación de la fracción libre de la unida los métodos que desarrollados pueden ser un segundo Ac unido a polietilenglicol o la unión a una fase sólida. Se realiza una curva de calibración utilizando cantidades crecientes de antígeno frio (no marcado) en función de la radiactividad medida en cuentas por minuto (cpm).

Algunos de los isótopos más utilizados son: 125I de emisión ɣ y vida media 60 días; 3H de emisión β y vida media 12.3 años; 32P de emisión β y 14 días de vida media. Esta metodología se utiliza para la determinación de hormonas, vitaminas, neuropeptidos y sustancias que se encuentran en muy pequeñas concentraciones. Ventajas: sensibilidad, reproducibilidad y especificidad. Desventajas: Necesidad de equipos especiales y manejo de isótopos radiactivos lo que implica sujeción a múltiples normas para el manipuleo, conservación y deshecho según las legislaciones de cada país. IRMA Es una variante del RIA con la diferencia que en este caso lo marcado es el Ac por lo que la señal isotópica es directamente proporcional al Ag que se va a determinar. Es una reacción tipo “sándwich” donde el antígeno de la muestra queda entre el Ac fijado a un soporte y un Ac marcado. El Ac monoclonal se encuentra unido a una fase sólida. Se utiliza un exceso estequiométrico de anticuerpo. El Ac se une primero al antígeno de la muestra. Luego se separa la fracción libre (F) de la unida (B). Se adiciona un segundo Ac marcado. Se realiza un segundo lavado para eliminar el exceso de Ac marcado no unido. Se realiza la medida de la radiactividad unida al tubo.

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Se interpola en una curva de calibración confeccionada con concentraciones crecientes de antígeno en función de la señal (cuentas por minuto).

FPIA

INMUNOENSAYO POR POLARIZACION DE FLUORESCENCIA

Ensayo: HOMOGENEO COMPETITIVO. Sonda: compuesto fluorescente. El Ag marcado con fluoresceína y el Ag de la muestra compiten por los sitios de unión del Ac. No requiere paso de lavado para la separación de la fracción unida de la libre. El FPIA utiliza 3 conceptos para la detección: FLUORESCENCIA, ROTACION DE PARTICULAS y LUZ POLARIZADA. •

La fluoresceína es una marca fluorescente que absorbe luz longitud de onda 490nm y emite energía como fluorescencia a 520 nm.

•

Rotación de moléculas: las moléculas más grandes rotan más lentamente que las pequeñas en solución. Este principio permite diferenciar las moléculas de Ag marcado (más pequeñas) de las Ac-Ag marcados (más grandes).

•

La luz polarizada distingue la marca en el Ag unido ala Ac del no unido por las diferentes propiedades de polarización de la luz. Cuando la luz polarizada incide en las moléculas de Ag marcado pequeñas tienen la propiedad de rotar rápidamente antes de emitir su fluorescencia.

INMUNOENSAYOS ENZIMATICOS (EIA) Esta técnica se desarrolló a partir del RIA. La diferencia es la sustitución del isótopo como sonda por una enzima. Las enzimas típicas utilizadas son la fosfata alcalina, peroxidasa de rábano picante, ureasa, catalasa y la galactosidasa B. En este ensayo se necesita un proceso secundario para obtener la señal: medición de la actividad enzimática. La separación de los conjugados libres de los unidos puede realizarse por placas de microtiter, tubos de plástico, partículas magnéticas. Mientras el RIA utiliza radiactividad como señal, el EIA usa emisión de luz, cambio de color, fluorescencia, quimioluminiscencia. El ensayo puede ser competitivo o no competitivo (sándwich). Los competitivos se utilizan para la detección de hormonas, marcadores tumorales, agentes infecciosos.

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Los no competitivos se utilizan para la detección de Ac para HIV, HVB, HVC y auto anticuerpos. El ensayo más utilizado es el Enzimoinmunoenzayo (Enzime-linked-inmunoabsorbent assay). ELISA Indirecto. Detección de anticuerpos

Consta de las siguientes etapas: 1. Fijación al soporte insoluble de antígenos específicos para los anticuerpos objeto de estudio. Lavado para eliminar los antígenos fijados deficientemente o no fijados. 2. Adición del suero problema, de tal forma que sus anticuerpos reaccionarán específicamente con los antígenos fijados al soporte. Lavado para eliminar los anticuerpos que no hayan reaccionado. 3. Adición de anti-anticuerpos conjugados con una enzima, los cuales reaccionan con los anticuerpos específicos añadidos en el paso anterior y que se encuentran fijados a los antígenos. Lavado para eliminar los anti-anticuerpos marcados que no hayan reaccionado. 4. Adición de un substrato sobre el que sea capaz de actuar la enzima marcadora. Se puede parar la reacción si se desea. 5. Lectura visual o colorimétrica del producto final coloreado. ELISA Sandwich “DAS” (Double Antibody Sandwich). Detección de antígenos



Consta de las siguientes etapas: 1. Fijación al soporte insoluble de anticuerpos específicos del agente patógeno a detectar. Lavado para eliminar los anticuerpos fijados deficientemente o no fijados. 2. Adición de la muestra problema de tal forma que si está presente el agente patógeno de diagnóstico (antígeno), se unirá al soporte. Lavado para eliminar los antígenos que no hayan reaccionado y los restos de la muestra no fijados. 3. Adición de anticuerpos específicos del antígeno a detectar (deben tener un epítope diferente de los anticuerpos con los que se han tapizado el soporte) conjugados con una enzima, los cuales reaccionan con los antígenos añadidos con la muestra problema y que se encuentran fijados a los anticuerpos. Lavado para eliminar los anticuerpos marcados que no hayan reaccionado. 4. Adición de un substrato sobre el que sea capaz de actuar la enzima marcadora. Se puede parar la reacción si se desea. 5. Lectura fotocolorimétrica del producto final coloreado.

•

En los ensayos fotométricos la reacción se realiza utilizando un sustrato cromogénico para desarrollar color. Ej: la fosfatasa alcalina utilizará p-nitrofenilfosfato para desarrollar color amarillo.

•

Los ensayos quimioluminiscentes (MEIA) utilizan sustratos como la luciferin-ATP y frente a una reacción enzimática emiten fluorescencia.

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CLIA QUIMIOLUMINISCENCIA Quimioluminiscencia: Reacción química de óxido -reducción donde la energía se libera en forma de luz. Ensayo: HETEROGENEO- NO COMPETITIVO Es una reacción química de alto rendimiento que produce una molécula potencialmente fluorescente. Esta fluorescencia no se produce por excitación luminosa por una fuente de luz sino por una reacción química redox donde interviene una enzima (HRP: Peroxidasa del rábano picante), agua oxigenada y un sustrato orgánico oxidable (esteres de acridina, derivados del rutenio.) La fase sólida es una micropartícula magnética y la separación se realiza por un imán.

ECLIA ELECTROQUIMIOLUMINISCENCIA Este tipo de ensayo, pese a no ser enzimático, se incluye en este grupo de métodos por su similitud metodológica. Al igual que en la quimioluminiscencia, en este inmunoensayo se generan( a partir de sustratos estables) productos capaces de emitir fotones al pasar sus electrones de un estado intermedio inestable y energéticamente superior, a uno de energía inferior más estable, aunque en este caso su origen es electroquímico y no una reacción enzimática. En este ensayo no competitivo, el anticuerpo utilizado recubre micro partículas imantadas, que luego de la formación del inmunocomplejo Ac-Ag, se fijan a un electrodo por magnetismo. Dicho anticuerpo está conjugado con un marcador (derivado del rutenio) capaz de emitir fotones cuando se aplica una pequeña diferencia de potencial sobre el electrodo. La energía lumínica la detecta un fotomultiplicador. Ventajas: alta sensibilidad, fácil separación entre las fases ligada y libre. INMUNOCROMATOGRAFIA La inmunocromatografía se basa en la migración por capilaridad de una muestra a través de una membrana de nitrocelulosa. La muestra se coloca en la zona del conjugado (LATEX COLOREADO), el cual está formado por un anticuerpo específico contra uno de los epítopes del antígeno a detectar y un reactivo de detección. Si la muestra contiene el antígeno problema, éste se unirá al conjugado formando un complejo inmune y migrará a través de la membrana de nitrocelulosa. De lo contrario, migrarán el conjugado y la muestra sin unirse. La zona de captura está formada por un segundo anticuerpo específico contra otro epítope del antígeno. Al llegar la muestra a esta zona, los complejos formados por la unión del antígeno y conjugado quedarán retenidos y la línea se coloreará (muestras positivas). En el caso contrario las muestras son negativas. La zona control está formada por un tercer anticuerpo que reconoce al reactivo de detección. Cuando el resto de muestra alcanza esta zona, el anticuerpo se unirá al conjugado libre que no ha quedado retenido en la zona de captura.

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Análisis Clínico II

Esta línea es un control de que el ensayo ha funcionado bien, porque se colorea siempre, con muestras positivas y negativas Ventajas: rapidez y sencillez. Método cualitativo.

WESTERN BLOT La técnica de Western blot surge como metodología de análisis de ácidos nucleicos, aunque no los analiza directamente, sino que analiza el producto de expresión de los genes: las proteínas que codifica. Es una técnica de electroforesis e inmunotransferencia. Es un sistema rápido y muy sensible para la detección y caracterización de proteínas que se basa en la especificidad de reconocimiento entre antígeno y anticuerpo. Implica la separación por electroforesis por el sistema SDS-PAGE y una transferencia cuantitativa e irreversible a una membrana de PVDF de las proteínas de la muestra analizada. Los antígenos se transfieren a una membrana y son reconocidos por anticuerpos monoclonales específicos. Finalmente, se detecta la unión antígeno-anticuerpo por actividad enzimática, fluorescencia entre otros métodos. De esta forma se puede estudiar la presencia de la proteína en el extracto y analizar su cantidad relativa respecto a otras proteínas. Este procedimiento proporciona un medio específico para confirmar reactividad de anticuerpos.

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INMNUNOMARCACIÓN Las técnicas de inmunomarcación utilizando Ac conjugados permiten detectar la presencia de Ags en tejidos (inmunohistoquímica) o células (inmunocitoquímica). La imunomarcacion de tejidos se realiza sobre cortes de tejido fijado montado sobre un portaobjetos. A través de estas técnicas es posible detectar tanto Ags celulares (de membrana, citoplasmáticos o nucleares) como extracelulares (matriz extracelular, membrana basal, etc.) La imunomarcacion de células puede efectuarse sobre células vivas o fijadas, las cuales pueden hallarse en suspensión o adheridas a un soporte sólido (portaobjetos). Inmunomarcacion directa: Es la forma más simple de localizar un Ag y consiste en utilizar un Ac “marcado” específico para dicho Ag (Ac primario). Para realizar esta técnica, se incuba la muestra con el Ac primario “marcado” durante un determinado tiempo, a la temperatura indicada, luego del cual se retira el exceso de Ac mediante un lavado y se procede a la detección de la marca. La inmunofluorescencia, aprovecha la capacidad que tienen los anticuerpos para unirse con alta especificidad a un antígeno pero se diferencia de otras técnicas inmunoquímicas en que aquí la marca unida al anticuerpo es una molécula fluorescente, el isotiocianato de fluoresceína. Se expone el preparado a luz de onda corta y genera un fenómeno de fluorescencia en la molécula marcadora que a su vez emite luz a una longitud de onda más larga (verde, amarillo o naranja). Esta luz emitida puede ser cuantificada con facilidad por fotometría o en el caso de tratarse de preparados histológicos, puede ser observada por medio de un microscopio de fluorescencia. Las pruebas de inmunofluorescencia pueden utilizarse para detectar anticuerpos o para detectar la presencia de un antígeno. En ambos casos la reacción finaliza mediante la adición de un anticuerpo conjugado a una sustancia fluorescente, habitualmente fluoresceína. Estas pruebas son muy sensibles pero su interpretación tiene un alto grado de subjetividad. Inmunomarcación indirecta: Utiliza dos anticuerpos. El anticuerpo primario es el que reconoce y se une a al antígeno, mientras que el secundario que es el que se encuentra marcado con el fluoróforo, reconoce al primario y se une a él. Esta técnica es un poco más compleja que la IFD, requiere más pasos y es más posible que sufra interferencias, pero en contrapartida es mucho más flexible que una técnica directa y debido a que es posible que un anticuerpo primario una a mas de anticuerpo secundario, implica un efecto de amplificación también aumenta la sensibilidad de la técnica.

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Análisis Clínico II

Citometría de flujo La citometría de flujo (CMF) es un procedimiento altamente eficiente para caracterizar poblaciones celulares que se encuentren en suspensión. Entre las muchas ventajas que presenta en relación a la microscopía de fluorescencia se encuentran la posibilidad de analizar un número muy elevado de células en pocos segundos y la posibilidad de cuantificar la intensidad de fluorescencia. La principal desventaja radica en el alto costo de la adquisición y mantenimiento del citómetro de flujo. La citometría de flujo se ha utilizado en biomedicina con diferentes objetivos: En hematología: recuento celular, fórmula leucocitaria, contaje reticulocitario, análisis de médula ósea. En farmacología: estudios de cinética celular. En inmunología: subpoblaciones de linfocitos, estimulación linfocitaria.

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Análisis Clínico II

10 Medio Interno Podemos definir el medio interno de un organismo vivo como un conjunto de líquidos que circulan y rodean las células. Homeostasis El volumen de los líquidos corporales, la concentración de electrolitos y el equilibrio ácido-base se mantienen dentro de límites muy estrechos a pesar de las amplias variaciones a las que el organismo está expuesto debido a la dieta, la actividad metabólica y al medio ambiente. Este equilibrio se lo conoce como homeostasis. El mantenimiento de la homeostasis del medio interno permite una vida celular equilibrada y en consecuencia asegura la salud del organismo. Cualquier modificación de estos valores puede generar síntomas y patologías sistémicas que pueden llegar a ser graves. Sistemas que participan en la homeostasis: Regulación de la temperatura corporal. •

El equilibrio ácido base.

•

El equilibrio electrolítico.

•

Equilibrio hídrico

•

La regulación hormonal.

Balance hídrico El agua constituye entre el 45 y 60% del peso corporal dependiendo de sexo, edad. Se distribuye en el organismo en dos compartimientos separados por membranas semipermeables: C. Intracelular 65% y C Extracelular 35%. Esto permite el traspaso de electrolitos y solutos a una y otro lado de la membrana con características de selectividad que permite tener diferentes concentraciones de solutos a ambos lados. Las membranas celulares son permeables al agua lo que permite la difusión de acuerdo a gradiente osmótico. El agua extracelular se distribuye en dos compartimientos separados por el endotelio vascular: intersticial e intravascular que mantienen un equilibrio de acuerdo al principio que la sumatoria de aniones y cationes deben ser iguales y la presión osmótica (depende del número de partículas) debe ser igual en el plasma y en el intersticio. Las proteínas no atraviesan membranas por lo tanto ejercen una presión oncótica que atrae agua que es equilibrada por la presión hidrostática del vaso capilar. La regulación se realiza: •

Efecto Hormona antidiuiretica (ADH) en túbulos colectores riñón.

•

Sistema renina angiotensina

•

Centro de la sed en el SNC.

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ELECTROLITOS De acuerdo con el principio de conservación de la electroneutralidad, el número de cargas positivas y negativas en los líquidos corporales debe ser el mismo. En consecuencia, los cationes séricos: Na+, K+, Ca++, y Mg++ deben igualar a los aniones: HCO3–, Cl–, proteínas (albúmina) y fosfatos. El balance entre estos electrolitos influye el estado ácido-base. De hecho, la evaluación del estado ácido-base es incompleta si no se consideran el perfil electrolítico. SODIO El Sodio es el principal catión extracelular y factor determinante de la osmolaridad plasmática. Los cambios en la concentración plasmática se acompañan de los cambios más o menos rápidos de agua hacia o desde la célula. El papel que juega en el organismo además de mantener la osmolaridad y el equilibrio hídrico es el del transporte del impulso nervioso. La concentración plasmática está regulada por el riñón y por el SNC a través del sistema endócrino. El sodio se filtra libremente a nivel glomerular y aproximadamente un 70% de la cantidad filtrada se reabsorbe a contracorriente en el túbulo contorneado proximal y por efecto de la aldosterona en el túbulo contorneado distal. La excreción diaria varía con límites muy amplios debido al tipo de dieta. El trastorno más común en la práctica clínica es la hiponatremia o disminución plasmática de sodio. Puede presentarse por pérdida de soluto (Sodio) o aumento de solvente (agua). En ambos casos la osmolaridad plasmática está disminuida. La perdida de este catión puede ocurrir por vía renal o extra renal. •

Vía renal: Tratamiento con diuréticos, nefropatía perdedora de sal, insuficiencia renal.

•

Vía extra renal: Sobre hidratación con soluciones hipotónicas, por vómitos, quemaduras, cirrosis, insuficiencia cardíaca.

•

Hiponatremia sin cambios en el volumen: Hipotiroidismo, secreción inadecuada de hormona anti diurética.

POTASIO El potasio es el principal catión intracelular y su metabolismo mantiene estrecha relación con el funcionamiento de la célula. El potasio extracelular es aproximadamente un 2%.La relación 30:1 (Intracelular/ Extra celular) se mantiene debido a la bomba de cationes de la membrana con gasto de energía. La función principal es la transmisión nerviosa y contracción muscular. Junto al calcio y magnesio controla la velocidad y fuerza de la contracción cardíaca (gasto cardíaco) También está vinculado a la síntesis de proteínas. La excreción se realiza en un 80-90% por los riñones a nivel glomerular. La hipocalemia o hipopotasemia ocurre como resultado de pérdidas de fluido gastrointestinal por vómitos o diarrea, por insuficiencia renal, por alcalosis metabólica o hiperaldosteronismo.

Análisis Clínico II

La hiperpotasemia ocurre en la acidosis, hemorragia interna, daño celular por quemaduras, insuficiencia renal aguda y crónica. La hiperpotasemia artefactual puede aparecer en leucemias con aumento de leucocitos y plaquetas, inconvenientes preanalíticos en la toma de muestra (hemólisis). CLORURO Es el principal anión extracelular. Función: Mantenimiento de la distribución hídrica, equilibrio de aniones y cationes en el espacio extracelular mantenimiento de la presión osmótica. Las alteraciones en la concentración raramente constituyen un problema primario. Los cloruros son eliminados en las diuresis masivas, en presencia de vómitos o diarreas, tratamientos prolongados con diuréticos, secreción inadecuada de ADH, acidosis respiratoria compensada, quemaduras. Hipercloremia: intoxicación con salicilatos, acidosis metabólica por pérdida de bicarbonato, diabetes insípida. MAGNESIO Es el cuarto metal más abundante en los organismos vivos, ocupa el segundo lugar como catión extracelular .Es el cofactor esencial de todas las reacciones que utilizan ATP, y forma parte de la bomba de membrana que permite la excitabilidad eléctrica de las células nerviosas y musculares. La hipomagnesemia se produce por insuficiencia renal, empleo de diuréticos, cirrosis, diarreas. La hipermagnesemia no es frecuente y se puede deber a cetoacidosis diabética, enfermedad de Adisson.

METODOLOGIA FOTOMETRIA DE LLAMA ELECTROQUIMICA POTENCIOMETRIA ISE ELECTROLITO

INTERVALO DE REFERENCIA PLASMA

SODIO

135-145 mEq/L (mmol/l)

POTASIO

3,5-5,0 mEq/L (mmo/l)

CLORO

95-105 mEq/l (mmol/l)

EQUILIBRIO ACIDOS BASE (A-B) La determinación que se conoce como “GASES SANGUÍNEOS” en el laboratorio clínico permite, por una parte, la valoración de la función pulmonar en términos de oxigenación y de ventilación y, por otra, del estado ácido-base, o sea establecer el diagnóstico de las alteraciones de su equilibrio, en función de acidosis o alcalosis y su etiología (respiratoria o metabólica). La determinación o medición de gases sanguíneos, arteriales o venosos, provee fundamentalmente tres valores de medición directa mediante los respectivos electrodos: •

Presión parcial (o tensión) del oxígeno disuelto en el plasma, PO2.

•

Presión parcial (o tensión) del dióxido de carbono disuelto en el plasma, PCO2.

•

FiO2

•

El grado de acidez o alcalinidad del plasma, lo cual se expresa por el logaritmo inverso de la concentración de iones H+, el pH.

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A partir de los datos anteriores se pueden obtener, por medio de nomogramas o por cálculo que el instrumento realiza, los siguientes valores: •

CO2 total.

•

Bicarbonato, actual y real.

•

Exceso de base.

El equipo, además también realiza las determinaciones de: •

Hemoglobina (o el hematocrito).

•

%Saturación de la hemoglobina.

GASES SANGUINEOS PO2: La PO2 es el índice de oxigenación de la sangre, un indicador de la cantidad de oxígeno molecular disuelto en el plasma; expresa la eficiencia de la ventilación y de la difusión alvéolo capilar para lograr normal transferencia del oxígeno desde el interior del alvéolo hasta la sangre del capilar pulmonar. PCO2: La PCO2 es una medida de la cantidad de CO2 disuelto en el plasma. Expresa eficacia de la ventilación, o sea, cuan efectiva es la eliminación pulmonar de dióxido de carbono y es un indicador de la cantidad de ácido carbónico presente en el plasma, el cual depende directamente de la intensidad de la pCO2. pH El pH es una manera de expresar intensidad de acidez, un concepto más difícil de entender que el de la expresión de la cantidad de iones H+ o la concentración de un ácido. El pH se expresa a través de la ecuación de Henderson-Hasselbalch que define el pH en términos de la relación entre la sal y el ácido .El pH del líquido extracelular depende de la relación entre la cantidad de bicarbonato base y la cantidad de ácido carbónico: pH= pK + log [CO3H-]/α[CO3H2] Es la relación entre 2 variables independientes: la presión de CO2 regulada por el pulmón y las bases reguladas por el riñón. Ejemplo: PK:

6,1

[HCO3-]:

24 mEq/l

pCO2:

40 mEq/L

Luego: pH: 6,1 + log 24/ 0,03*40 (0,003 constante de disolución de CO2) PH: 6,1 + log 20 → 7,4 En esta forma se llega al valor normal del pH del plasma, que es también el del líquido extracelular: 7,4, con límites entre 7,35 y 7,45. El pH varía de acuerdo con la relación HCO3– /PCO2 Un pH bajo puede resultar de un descenso del numerador o de un aumento del denominador. Hay que considerar que un pH normal puede resultar cuando el numerador y el denominador estén proporcional e inversamente elevados o disminuidos. Un pH elevado siempre significa alcalosis, y un pH bajo siempre significa acidosis.

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Análisis Clínico II

pH normal: 7,35-7,45 pH > 7,45 = alcalosis pH < 7,35 = acidosis El pH, que de por sí indica si hay una acidosis o una alcalosis, no permite diferenciar si se trata de una acidosis respiratoria o metabólica, o de una alcalosis respiratoria o metabólica. En el paciente en estado crítico el pH es raramente tratado de por sí. Sólo en casos extremos, por ejemplo una acidosis con un pH menor de 7,2 que pone en peligro el funcionamiento cardíaco, puede requerir la administración rápida de bicarbonato. En general se trata la causa de la alteración, la anormalidad que está produciendo el desequilibrio ácido-base, y no el pH en sí. ¿De dónde provienen los ácidos? 1. Producción de ácidos fijos volátiles ( CO2 ) a partir del metabolismo aeróbico: CO2 + H2O ↔ H+ + CO3H2. Producción de ácidos fijos o no volátiles: •

Proteínas y fosfolípidos de la dieta: Acido sulfúrico y Acido fosfórico.

•

Ácido láctico. (Hipoxia)

•

Acido butírico y Cetoácidos.(Diabetes no tratada)

•

Salicilatos.(Intoxicación por ingesta)

BICARBONATO El bicarbonato es la base (liga iones H+) más importante del organismo para el sistema de amortiguación o buffer, que mantiene el pH en valores normales. A pesar de que existen en el organismo gran cantidad de sistemas buffer, el pH es controlado casi exclusivamente por la relación bicarbonato/ácido carbónico. El CO2 del organismo está compuesto por CO2 libre, que es el que ejerce presión parcial, y por el CO2 combinado, que es el bicarbonato, el cual representa aproximadamente el 95% del CO2 total. El CO2 es generado como producto metabólico final en los tejidos; el bicarbonato es generado a partir del ácido carbónico que proviene del CO2 y el agua mediante la acción de la anhidrasa carbónica: CO2 + H2O ↔ H+ + CO3HMientras la relación bicarbonato/ácido carbónico se mantenga 20:1, se mantendrá un pH normal. El valor normal del bicarbonato es de 24 mEq/L, con oscilación entre 22 y 29 m Eq/L. Control renal: El nivel de bicarbonato es controlado por el riñón a través del proceso de reabsorción tubular. Normalmente casi todo el bicarbonato que filtra el glomérulo es reabsorbido, y por eso no hay bicarbonato en la orina. En condiciones de exceso de bicarbonato en el plasma, cuando su nivel excede de 26 mEq/litro, el bicarbonato es excretado por el riñón y aparece en la orina.

REGULACION DEL EQUILIBRIO ACIDO BASE •

Buffers o tampones

La función de los Buffers es remover o añadir iones H+ para mantener el pH constante. El principal buffer extracelular es el bicarbonato, se encuentra en el circuito vascular y líquido intersticial. Capta protones libres, se transforma en ácido carbónico el cual genera dióxido de carbono que se libera por vía pulmonar. Extracelulares: El más importante es CO2/HCO3 -. La forma ácida es volátil, se elimina por vía alveolar.

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Funcionamiento: Si se aumenta la concentración de H+ serán neutralizados por el HCO3- formándose ácido carbónico que se disocia rápido en CO2 y H2O. Por el contrario si se añade base al sistema ésta reacciona con el ácido carbónico formando bicarbonato y agua. La posibilidad del HCO3- de ser regulado con rapidez por el sistema respiratorio a la vez que el riñón puede reabsorber el bicarbonato hace de este BUFFER un sistema sumamente eficiente. Intracelulares: •

Fosfatos orgánicos: Es importante en la excreción/ reabsorción de H+ ya que los intercambia con Na+ que a su vez es reabsorbido o excretado.

•

Proteínas: Debido a su condición anfótea, capacidad de modificar su pH de acuerdo a la cantidad de hidrogeniones presentes y actuar como ácidos o como bases.

•

Hemoglobina: Este sistema tampón actúa solo en el eritrocito y está ligado a la disociación del oxígeno de la molécula de hemoglobina. Los tejidos por actividad metabólica producen CO2 y H2O que se transfieren al líquido intravascular e intersticial. El CO2 disuelto dentro del glóbulo rojo por acción de la anhidrasa carbónica lo transforma en acido carbónico que se disocia inmediatamente a CO3H- y H+. Posteriormente la regulación se realiza por reabsorción o excreción renal.

•

Regulación renal: Se realiza a través de la reabsorción de bicarbonato y Na+ y excreción de h+ como amonio o ácido fosfórico (H2PO4).

•

Regulación pulmonar El mecanismo de regulación respiratorio interviene en la regulación y mantención del medio interno modificando de la frecuencia y profundidad respiratoria comandada por el centro respiratorio produciendo aumento o retención de CO2.

ANION GAP La brecha aniónica (anion gap) mide la diferencia entre la suma total de los aniones con la de los cationes medidos y provee una información útil para establecer la causa de la acidosis metabólica. Si comparamos la suma de los cationes (C+) y la de los aniones (A–) principales o medibles, encontraremos una diferencia aproximada de 10 m Eq/L, que es representada por los aniones no medibles, los cuales se hallan aumentados en el plasma en ciertas condiciones clínicas y que provee la información para establecer la causa de una acidosis metabólica. Un valor de 10 m Eq/L de brecha aniónica es considerado como normal. Cuando esta diferencia es mayor de 20 m Eq/L se establece con certeza que existe una acidosis metabólica por acumulación de aniones anormales. ANION GAP (aniones restantes): ∑Cationes medidos –∑ Aniones medidos. GAP: [Na+]-([HCO3-] + [CL-]) EXCESO DE BASES (EB) El diagnóstico y cuantificación de la acidosis y de la alcalosis metabólica no es tan fácil de identificar como se pueden resolver las alteraciones por modificación de la eficiencia de la ventilación. No existe un indicador numérico para este tipo de alteración metabólica medible directamente como son la PCO2 o el pH. El pH se mantiene en su nivel normal mientras la relación bicarbonato/ácido carbónico se mantenga en 20:1. Para cuantificar la acumulación de ácido o de base es necesario medir la cantidad de bicarbonato presente en el plasma y no es posible medir en forma directa el bicarbonato, sino calcular su valor a través de diversas fórmulas. El bicarbonato estándar es valor teórico de la concentración de bicarbonato en el plasma de sangre que ha sido equilibrada a una PCO2 de 40 mm Hg y totalmente oxigenada para lograr una saturación completa de la hemoglobina. Su valor normal es de 24 (22 a 26) m Eq/litro

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Análisis Clínico II

El exceso de base es la cantidad de base (exceso o déficit) que ha sido agregado a la sangre como resultado de una alteración metabólica primaria o compensatoria y su valor normal es de 0 (+2,5 a –2,5) m Eq/litro. Exceso de base = HCO3– + 10 (pH – 7,40) – 24. PORCENTAJE DE SATURACION DE HEMOGLOBINA Proporciona una idea aproximada de la oxigenación tisular. (El oxígeno que llega a las células) El O2 es transportado bajo dos formas: •

Un pequeño porcentaje circula disuelto en el plasma, debido a que su solubilidad en el mismo es muy baja (0,3 ml de O2 en 100 ml de sangre arterial).

•

El restante 97% es transportado en unión reversible con la hemoglobina.

El porcentaje de saturación de Hb es la expresión porcentual de la hemoglobina que está ligada al oxígeno. % Saturación Hb: Oxigeno combinado con Hb x 100 / Capacidad de oxigenación Capacidad de oxigenación de la hemoglobina: Cantidad de oxígeno que se combina con la Hb a PO2 elevada.→ 20,1 ml de O2 / 100 ml de Hb Con una PO2 normal en sangre arterial (95 mm Hg) el % saturación de la Hb es del 97% y se combina con 19,5 ml de O2 por 100 mg de sangre, mientras que con la sangre venosa mixta (PO2: 40 mm Hg) se satura al 75 % Curva de disociación de la hemoglobina

Para PO2 bajas la afinidad por el oxígeno es baja. Para PO2 altas la afinidad por el oxígeno es mayor. Esto permite que el oxígeno se libere en los tejidos P50: Es la presión parcial de O2 necesaria para saturar la hemoglobina al 50%. Este valor corresponde con 25-28 mm de Hg aproximadamente. Mayor valor  menor afinidad de la Hb por el oxigeno Menor valor mayor afinidad de la Hb por el oxigeno El monóxido de carbono (CO) se une a la hemoglobina mediante una reacción reversible similar a la que realiza con el O2, ya que ocupan el mismo lugar en la molécula. El compuesto formado se denomina carboxihemoglobina, y la cantidad formada depende de la presión parcial de monóxido de carbono. El monóxido de carbono es 210 veces más afín por la hemoglobina que el oxígeno; de esta forma, mínimas concentraciones de CO en el aire respirado, saturarán grandes proporciones de hemoglobina, impidiendo el transporte de O2. La hipoxemia no es necesariamente marcador de hipoxia tisular. Llamamos HIPOXEMIA a la disminución de O2 en sangre arterial. Nos referimos a HIPOXIA cuando se produce disminución de O2 en los tejidos. FiO2 FIO2 es la fracción del oxígeno inhalado o, simplemente, el porcentaje de oxígeno de una mezcla de gases. Por ejemplo, el aire atmosférico tiene un FIO2 del 21 %. Si un paciente necesita ventilación mecánica, el FIO2 suele estar en un rango del 30 al 40 %. La PO2 se puede calcular aproximadamente como: (FIO2 x 5) ±10 mm Hg

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DETERMINACIÓN DE LACTATO Algunos instrumentos permiten la determinación de Lactato, importante en el diagnóstico de hipoxemia causada por sepsis, paro cardiovascular, hipovolemia, alta producción de ácidos pirúvico y láctico por tejido neoplásico, intoxicación por monóxido de carbono, diabetes no controlada. La metodología es amperométrica, en el electrodo de medida se encuentra una enzima: Lactato oxidasa que produce la siguiente reacción de óxido reducción: Ácido láctico →

Pirúvico + H2O2

2H+ + O2 + 2eSe aplica un potencial polarizante que desencadena el flujo de electrones. Valor de referencia: 1- 2 mmol / l

DISTURBIOS CLÍNICOS SIMPLES DEL ESTADO ACIDO BASE Las alteraciones ácido base pueden tener un origen metabólico o respiratorio. El contenido de CO2 de por sí es, un indicador inadecuado del equilibrio ácido-base, puesto que esta prueba es sólo un reflejo del bicarbonato sérico. Para poder identificar estas alteraciones es necesario tomar una muestra de sangre arterial para determinar el pH y la PCO2. En la práctica clínica se pueden presentar situaciones complejas y los valores de los gases sanguíneos pueden estar indicando una compensación ante la alteración primaria, o bien pueden coexistir dos más alteraciones primarias, difíciles de interpretar. La concentración de hidrogeniones se puede calcular a partir del componente metabólico (bicarbonato) y el componente respiratorio (PO2) de la siguiente manera: [H+] = 24 x pCO2 / [HCO3-] Clasificación ↑pCO2

↑ [H+]

Acidosis respiratoria

↓pCO2

↓ [H+]

Alcalosis respiratoria

↓ [HCO3-]

↑ [H+]

Acidosis Metabólica

↑[HCO3-]

↓ [H+]

Alcalosis Metabólica

ACIDOSIS METABOLICA: ↑ [H+] ↓ [HCO3-]

↓pH

Hipocapnia secundaria por hiperventilación por acidemia Causas: Producción aumentada / excreción disminuida de ácidos orgánicos no volátiles /disminución de la excreción de HCO3El bicarbonato se puede perder durante una diarrea (el contenido intestinal es alcalino) o por la orina (alteración de la reabsorción del bicarbonato a nivel del túbulo contorneado proximal) También puede disminuir la cantidad de bicarbonato por un aporte aumentado exógeno de ácidos (cloruro de arginina) o por aumento de acido láctico por una hipoxemia por paro cardiaco. Compensación fisiológica Respiratoria. Aumento de frecuencia respiratoria. Si la causa no es renal el riñón elimina H+ como NH4+ o por el sistema de fosfatos, y retiene HCO3-. ALCALOSIS METABOLICA

↓ [H+]

↑ BIC ↑pH

Ganancia de bases HCO3- por el aumento de su ingreso o la disminución de su excreción. Pérdida de ácidos fijos.

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Análisis Clínico II

Causas: •

Vómitos

•

Tratamientos antiácidos.(Hidróxido de aluminio)

•

Terapias prolongadas con diuréticos (furosemidas)

•

Cetosis por ayuno

•

Transfusión masiva de sangre (Envenenamiento por citratos)

Compensación fisiológica Respiratoria fisiológica (Hipoventilación) El riñón disminuye la formación de amonio y la reabsorción de HCO3-. ACIDOSIS RESPIRATORIA: ↑ [H+] ↑ pCO2 arterial ↓pH Hipercapnia primaria. Causas: La acidosis respiratoria se define como el trastorno ácido base generado por una elevación de la tensión o presión parcial del dióxido de carbono (PCO2). La causa siempre es una disminución de la ventilación alveolar por enfermedad pulmonar o por depresión respiratoria. Su forma aguda se presenta con elevación de la PCO2 y bicarbonato normal, por cuanto la compensación renal (metabólica) es lenta. Pero en su forma crónica coexiste la PCO2 elevada con una concentración alta de bicarbonato, ésta como expresión de la compensación renal. •

Depresión del centro respiratorio por drogas

•

Trauma centro respiratorio Infarto

•

Hemorragia o tumor

•

Trauma cervical

•

Paro cardíaco o hipoxia cerebral

•

Relajante neuromusculares

•

Toxinas organofosforados

•

EPOC (enfermedad pulmonar obstructiva crónica)

•

Traumatismo torácico

•

Inadecuada ventilación mecánica

•

Obstrucción vía aérea

Compensación fisiológica: Amortiguación del exceso de CO2 por glóbulo rojo. Compensación lenta por riñón: Reabsorción de HCO3- y excreción de H+ como NH4+ ALCALOSIS RESPIRATORIA ↓ [H+]

↓ pCO2

↑pH

Hipocapnia por hiperventilación con depleción de ácido carbónico

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Causas: •

Alteraciones en el centro respiratorio por injuria

•

Ansiedad-estrés

•

Intoxicación con salicilatos

•

Neumonía

•

Asma

•

Enfisema

•

Ventilación pulmonar asistida más insuficiencia pulmonar progresiva (distres respiratorio) Alteración más común en internación de pacientes críticos.

Compensación fisiológica Amortiguación por glóbulo rojo, proteínas plasmáticas. Compensación renal en fase crónica: Disminución reabsorción de HCO3- y disminución de excreción de H+ (CLNH4) Intervalo de referencia Sangre arterial

Sangre venosa

pH

7,35 -7,45

7,33-7,43

pCO2 mm Hg

35 -44

38-50

pO2 mm Hg

85 - 97

--

HCO3- mEq/l

22 - 26

23-28

EB mEq/l

0,0 ±2

0.0 ±2

METODOLOGIA La determinación de la gasometría en el laboratorio clínico se emplea para el estudio de alteraciones respiratorias, del equilibrio A-B y para establecer el estado de ventilación y oxigenación del paciente generalmente crítico. El análisis de los gases sanguíneos involucra la medición directa que el equipo hace del pH, PO2 y PCO2. A partir de estas mediciones se puede calcular de manera matemática otros parámetros como el bicarbonato, el exceso y déficit de base, la saturación de oxígeno, el contenido total de oxígeno. La muestra debe ser de sangre arterial tomada en anaerobiosis en jeringas heparinizadas y selladas con obturadores, para ser trasportadas al laboratorio para su procesamiento a la brevedad. Los analizadores de gases sanguíneos usan tres tipos de electrodos para determinar el pH, PCO2 y PO2 en la sangre. Debido a que los cambios en la temperatura afectan las mediciones, los electrodos y la cámara reservorio de la muestra están localizadas dentro de un ambiente controlado a temperatura constante de 37 ºC (temperatura corporal). Antes de la introducción de las muestras sanguíneas, los electrodos son calibrados con concentraciones conocidas de buffers estándar y de soluciones calibradoras. Una vez realizada la calibración, la muestra sanguínea es inyectada o aspirada dentro de la recámara de muestras para su medición.

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Análisis Clínico II

Al terminar el análisis, algunos equipos expulsan la muestra hacia un contenedor y limpian el sistema con soluciones acuosas, otros utilizan un cartucho desechable que se retira para ser desechado al terminar el proceso. 1, ELECTRODO DE pH (Ver Técnicas electroquímicas) 2, ELECTRODO DE pCO2 (Ver Técnicas electroquímicas) 3. AMPEROMETRIA (Ver Técnicas electroquímicas) Los analizadores de gases sanguíneos pueden también corregir resultados de acuerdo a la temperatura que tenía el paciente cuando se tomó la muestra. La fracción inspirada de oxígeno (FiO2) deben ser ingresados como dato extra en las mediciones de los instrumentos. Errores frecuentes Procesamiento inadecuado de la muestra: •

La entrada de aire en la muestra, bien en la jeringa de extracción ó en la cámara de medida del instrumento.

•

Demora en la realización del análisis. Esto determina el consumo de O2 por parte de las células sanguíneas y consiguiente formación de CO2.

Alteraciones en los electrodos: •

Se pueden contaminar con las proteínas de la muestra. Para evitarlo, se debe pasar una solución desproteinizante con frecuencia.

•

El envejecimiento de la membrana del electrodo de CO2, que se hace entonces permeable a los hidrogeniones. Se debe cambiar periódicamente la membrana.

Contaminación de los tampones: Se debe vigilarlos, comprobándolos periódicamente y cambiarlos. ¿Cómo iniciar el análisis de gases arteriales? 1. Verificar si el análisis es consistente con los datos que se obtienen: Existe una interrelación entre la concentración de hidrogeniones (H+) y la concentración plasmática de su amortiguador (HCO3-). Esta interrelación se expresa en la siguiente fórmula (Ecuación de Hendersson) (H+) =24 × PCO2 / (HCO3-) Para comprobar si el informe de gases arteriales aporta resultados coherentes y veraces, hay que calcular la concentración de hidrogeniones de acuerdo al valor de PCO2 y de HCO3- informados y comprobar si corresponden al pH registrado. Comparar el valor obtenido por la fórmula de hidrogeniones y comparar con el pH medido.

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Telma Brich

Para obtener el valor de la PCO2 debe ser en 40 Eq/l. Estos valores son conanálisis.

7,4 por la ecuación de HH, mm Hg y el COH3- 24 m siderados patrones para el

METABOLISMO DE GLUCIDOS

Analizar el pH: si es menor a 7,4 podemos considerar que estamos frente a una acidemia, si es mayor de 7,4 se habla de alcalemia. Si el pH es menor de 7,4 y el pCO2 mayor de 40 mm Hg los datos indican que estamos frente a una acidosis respiratoria. Si el CO3H- es menos a 24 mEql/l es una acidosis metabólica. Cuando el pH es mayor de 7,4 y pCO2 es menor a 40 mm Hg es una alcalosis respiratoria, y si el CO3H-es mayor de 24 mEql/l es una alcalosis metabólica. •

Alcalosis respiratoria: si PCO2 sustancialmente es 24 mEq/l

•

Acidosis respiratorio: si PCO2 es >40 mm Hg

•

Acidosis metabólica si bicarbonato es Tinte de quinonimina + H2O La glucosa se oxida por acción de la glucosa oxidasa para dar ácido glucónico y peróxido de hidrógeno. El peróxido de hidrógeno reacciona en presencia de peroxidasa con HBA y con 4-aminoantipiridina (4-AAP) para dar lugar a un tinte de quinonimina rojo. La intensidad del color formado es proporcional a la concentración de glucosa y se puede medir espectrofotométricamente entre 460 y 560 nm. Es una reacción enzimática de punto final. Intervalo de referencia (Asociación Argentina de Diabetes) 75- 110 mg/dl Aspectos preanalíticos La muestra de sangre se debe extraer por la mañana luego del descanso nocturno.(ausencia de ingesta calórica por lo menos 8 hs).Hay evidencia que el promedio de glucosas plasmáticas en ayuno por la mañana es más alto que a la tarde, por tanto muchos casos se pueden perder si se atienden por la tarde.

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Análisis Clínico II

En muestras de sangre entera la concentración de glucosa tiende a disminuir con el tiempo debido a la glucólisis. La tasa de glucólisis es entre u 5 y 7% por hora y varía con la concentración inicial de glucosa, temperatura, recuento de leucocitos. La glucólisis puede ser atenuada con fluoruro de sodio (2,5 mg de fluoruro / ml de sangre) HEMOGLOBINA GLICOSILADA El término “hemoglobina glicosilada” es un término genérico que se refiere colectivamente a una serie de compuestos estables formados entre la molécula de hemoglobina y la glucosa. Se forma por la unión de la hemoglobina con la glucosa en un proceso no enzimático irreversible. El incremento de la glicosilación no enzimática de las proteínas es proporcional al nivel de glucosa en sangre y al ciclo de vida de las proteínas glicosiladas. La hemoglobina es una de las proteínas de la sangre que pueden glicosilarse en proporción a la concentración de glucosa en plasma, dependiendo solamente de la concentración de glucosa y del tiempo de exposición celular a la misma. Dado que la vida de los glóbulos rojos es de, aproximadamente 120 días, permite evaluar el grado de control glucémico de un período previo largo, reflejando el estado de la glucemia de 6-8 semanas precedentes. No es útil para el diagnóstico de la diabetes. Se utiliza para hacer el seguimiento de los enfermos diabéticos porque permite conocer los niveles de glucemia de los 2 meses anteriores al momento de la prueba. Se mide la fracción de Hb A1c y los niveles de referencia son: 4,5-5,9 % respecto a la Hemoglobina total. La hemoglobina adulta humana usualmente consiste de HbA (97% del total), HbA2 (2,5%), HbF (0,5%). El análisis cromatográfico de la HbA identifica distintas hemoglobinas menores llamadas HbA1a, HbA1b, HbA1c que colectivamente se denominan HbA1, glicohemoglobinas o hemoglobinas glicadas. La hemoglobina glicosilada A1c es el componente mayoritario (80%) de la hemoglobina A1. La HbA1c es el resultado de la condensación de la glucosa con la valina N-terminal de la cadena ß de la hemoglobina. Un 30% de la hemoglobina glicosilada está determinada por las glucemias post prandiales. Utilidad clínica de la determinación analítica Monitoreo de la terapia en pacientes diabéticos, considerándose como límites de control aceptable hasta un 7%. Entre el 7 y 9% se considera un deficiente control de la diabetes y superior a 9% muy deficiente. Cifras inferiores a 6,5% en pacientes diabéticos, hacen pensar en un buen control de la enfermedad. Pacientes diabéticos muy descompensados manifiestan valores superiores a 12% de hemoglobinaA1c. Se debe realizar la determinación de HbA1c cada 6 meses en pacientes con DM tipo 2 con un buen control metabólico, cada 2-3 meses en pacientes con un mal control y cada 3 meses en pacientes con DM Tipo 1. No es recomendado como test de screening o diagnóstico de diabetes, debido a que una concentración de hemoglobina glicosilada dentro del rango de referencia no excluye el diagnóstico de diabetes cuando la hiperglucemia es de reciente comienzo o de corta duración. Riesgo aumentado para diabetes: 5.7 – 6.4 % Alto riesgo para diabetes HbA1c 6.0 – 6.4 % Métodos para la determinación de HbA1c •

HPLC (Método de referencia)

•

Cromatografía de intercambio iónico

•

Cromatografía de afinidad

•

Inmunoturbidimetría (la más usada) 241

Telma Brich

Inmunoturbidimetria Principio del método: Es una técnica turbidimétrica espectrofotométrica para la cuantificación de hemoglobina glicosilada en sangre total. La concentración de HbA1c se expresa como el porcentaje de concentración de hemoglobina HbA1c sobre la hemoglobina total (THb) de la muestra. La HbA1c se mide utilizando un método de inhibición de la aglutinación de partículas de látex. Las partículas de látex recubiertas con anticuerpo monoclonal anti-HbA1c compiten con la HbA1c de la muestra cuando se mezclan con un reactivo constituido por partículas de polímero sensibilizadas con haptenos de HbA1c. La presencia de HbA1c en la muestra inhibe la aglutinación de las partículas de látex. El grado de aglutinación de las partículas es indirectamente proporcional a la concentración de HbA1c de la muestra y puede cuantificarse por comparación con un calibrador de concentración de conocida. FRUCTOSAMINA Todas las proteínas del plasma son susceptibles de glicarse (se unen a glucosa) por un mecanismo enzimático de forma similar a la Hb glicosilada, por ello, la determinación de la fructosamina se usa para el seguimiento del paciente diabético, que necesita una corrección de la medicación antes de transcurridos los dos meses o aquellos que por alguna patología hematológica la vida media del hematíe se encuentra disminuida. La vida media de las proteínas plasmáticas es de 17-30 días, por lo tanto, nos da información de la tasa de glucemia de 2 ó 3 semanas anteriores a la prueba. Métodología El método se basa en la propiedad del grupo cetoamino de las proteínas glicosiladas de reducir la sal de tetrazolio (NBT) en medio alcalino, a formazán, el cual se mide fotométricamente a 530 nm. La velocidad de formación del formazán es directamente proporcional a la concentración de fructosamina presente en la muestra OTRAS DETERMINACIONES INSULINA Estudios recientes han demostrado que la determinación de Insulina no mejora la predicción de riego de desarrollar DM2 que las mediciones clínicas tradicionales de glucemia en ayunas y Prueba de tolerancia a la glucosa. Los valores de referencia entre diferentes laboratorios son muy dispares debido a la diferente estandarización de los métodos utilizados. La variabilidad biológica es muy alta. Se determina mediante Inmunoensayo: MEIA- ECLIA. PEPTIDO C Se utiliza para saber si una hiperinsulinemia es de origen exógeno o endógeno ya que los preparados comerciales de insulina no llevan péptido C. Se utiliza para la evaluación de la reserva insulínica, diagnóstico diferencial de hipoglucemias (Facticia, insulinomas), cuando el paciente presenta anticuerpos anti insulina. Determinación por Inmunoensayo.: MEIA-ECLIA ANTICUERPOS MARCADORES DE PROCESO AUTOINMUNE Utilidad clínica de la determinación: Soporte diagnóstico de DM I y LADA (Debut dudoso de diabetes en adulto) o ICA o IAA o GADA

242

Análisis Clínico II

o IA2/ICA512A o Znt8A Se determinan por ensayos Inmunológicos. DETECCION DE DM EN PACIENTES ASINTOMÁTICOS Se debe realizar el control glucémico en: •

Personas menores 45 años cada 3 años.

•

Personas mayores de 45 años 1 vez por año

•

Individuos obesos

•

Individuos con familiar en primer grado diabético

•

Mujeres con antecedentes de DMG y/o hijos con más de 4 Kg al nacer.

•

Individuos con niveles de triglicéridos >250 mg/dl y /o colesterol HDL< 35 mg/dl.

Criterios para el diagnóstico de diabetes por Asociación Argentina de Diabetes (AAD) Se considera diabético al paciente con: •

Síntomas clásicos de diabetes y glucemia al azar ≥200 mg/dl.

•

Glucemia plasmática en ayunas≥126 mg/dl (ayuno 8 hs)

•

En Prueba de Tolerancia oral a la glucosa: glucemia 2 hs post sobrecarga ≥ 200 mg/dl.

PRUEBA DE TOLERANCIA ORAL A LA GLUCOSA (PTGO) Esta prueba está destinada al DIAGNÓSTICO de diabetes y tolerancia alterada a la glucosa. Vale aclarar que Curva de tolerancia oral a la glucosa implica tres o más determinaciones y queda a criterio del médico solicitante y debe aclararlo en el pedido. Frente a la solicitud de PTOG se realizará una determinación de glucosa en una muestra basal y otra determinación a las 2 hs de haber ingerido una solución de glucosa. Criterios preanaliticos Preparación del paciente Realizar actividad física habitual. Realizar una dieta libre, considerando que 3 días previos a la prueba deberá ingerir un mínimo de 150 g de Glúcidos por día. No deberá consumir las siguientes drogas: corticoides, beta adrenérgicos, no comenzar con terapia anticonceptiva oral. Evitar 12 hs antes:  Gastrocinéticos  Antidepresivos  Benzodiacepinas  Anticolinérgicos.

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Telma Brich

No debe estar cursando síndrome febril, enfermedades infecciosas, traumatismo agudo. Debe tener ayuno de 8 a 12 hs. La última comida no debe ser luego de las 00:00 hs. Puede Ingerir agua. Extracción de sangre por punción venosa. Previo a la administración de glucosa determinar la glucemia basal. Si el valor obtenido es mayor a 126 mg/dl no se debe continuar con la prueba. Administrar:  Adultos: 75 g de glucosa anhidra en 375 ml de agua.  Niños hasta 12 años: 1,75 g de glucosa anhidra por kg de peso ( no debe superar los 75 g) Debe tomarse la solución acuosa en no más de 5 minutos y la extracción es a los 120 minutos a partir del comienzo de la ingesta. Factores que interfieren durante la prueba:  Horario de realización  Cantidad de glucosa ingerida (El paciente no ingiere toda la solución)  Postura  Cigarrillos  Actividad  Nauseas  Vómitos Frente a náuseas o vómitos se debe interrumpir la prueba. Evaluación de los resultados NORMAL GLUCEMIA PLASMATICA EN AYUNAS (mg/dl)

a 5. Análisis de lipoproteínas y apolipoproteínas Determinación de lipoproteínas: Electroforesis de lípidos Es un método electroforético que permite identificar por separación en un campo eléctrico las distintas facciones de lipoproteínas. La tinción se realiza con Sudán black y se realiza una fotodensitometria del trazado. • Las HDL se sitúan en la zona de las a-globulinas • Las LDL en la zona de las b-globulinas • Las VLDL se mueven con las globulinas α2 localizándose en la zona pre-β • Los quilomicrones permanecen en el punto de siembra • Una banda ancha que abarca preβ y β indica acúmulo de IDL o quilomicrones remanentes. Es un método semicuantitativo que debe interpretarse junto con los datos de colesterol y triglicéridos.

Electroforesis de lipoproteínas (izquierda). Densitometría (derecha) Determinación de apolipoproteínas.Métodos inmunológicos: Se puede utilizar Inmunoensayos como el RIA, el EIA, Inmunodifusión radial, la Inmunonefelometría, etc. para la determinación de Apo B, APO AI, C.

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ARTERIOESCLEROSIS Es el resultado de la respuesta inflamatoria del endotelio vascular producido por una disfunción endotelial provocado por diferentes factores. • Hipercolesterolemia IDL, baja concentración de HDL, aumento de fibrinógeno y Lpa • Hipertensión. • Sedentarismo • Historia familiar de enfermedad coronaria • Diabetes • Tabaquismo Estudios epidemiológicos prospectivos han demostrado una fuerte correlación entre la concentración de lípidos y la enfermedad cardiovascular. Secuencia de formación de la placa ateromatosa. Un aumento de cLDL se considera potencialmente aterogénico. La hipertensión arterial (aumento de la presión hidrostática) colabora en la infiltración de LDL en la pared endotelial. El tabaquismo produce aumento de la oxidación de LDL y la inflamación de la pared arterial. La concentración elevada de glucosa produce glicosilación de LDL, las LDL nativas son reconocidas por los receptores y metabolizadas pero las modificadas por glicosilación son captadas por macrófagos que se transforman en células espumosas. El colesterol extracelular y las células espumosas se acumulan en el espacio subendotelial. La oxidación de las LDL atrae monocitos al endotelio que se transforman en macrófagos. Los macrófagos captan LDL oxidada y se transforman en más células espumosas, que liberan componentes celulares con propiedades de apoptosis. (Destrucción celular) La liberación de citoquinas conduce a la proliferación de las células musculares lisas. Se promueve la agregación plaquetaria y liberación de tromboxano que favorece la trombosis. Se forma una placa inestable con alta probabilidad de ruptura que puede conducir a un evento trombótico: angina de pecho o infarto de miocardio. (IAM) Importancia del “transporte reverso del CHDL” en el proceso ateroesclerótico: El transporte reverso del colesterol es la ruta metabólica por medio de la cual el colesterol excedente de los tejidos periféricos es conducido hacia el hígado para ser catabolizado. Mediante su participación en este proceso, las lipoproteínas de alta densidad (HDL) y sus subespecies constituyen las fracciones antiaterogénicas por excelencia. Las HDL se sintetizan y secretan desde el hígado y el intestino como partículas nacientes o HDL discoidales, formadas predominantemente por apolipoproteína (apo) A-I y fosfolípidos. Estas partículas nacientes atraviesan el endotelio vascular de los tejidos periféricos, desde los cuales remueven el exceso de colesterol libre celular por acción del transportador de membrana ABCA. Las mutaciones en el gen que codifica este transportador causa la acumulación intracelular de colesterol y el progreso de la ateroesclerosis (Enfermedad de Tangier) 258

Análisis Clínico II

El colesterol libre captado por las HDL es esterificado con ácidos grasos por la enzima plasmática LCAT (lecithin cholesterol acyltransferase) formando ésteres de colesterol, que son movilizados hacia el interior de la partícula, determinando la formación de HDL esféricas maduras . El cHDL puede ser removido de la circulación a través de diferentes procesos metabólicos. Un primer mecanismo involucra la transferencia de los ésteres de colesterol desde las HDL hacia las lipoproteínas no HDL (VLDL y LDL) por acción de la enzima de transferencia de ésteres de colesterol (cholesteryl ester transfer protein, CETP). Como segundo mecanismo catabólico, las HDL son fuente directa de colesterol para las células del organismo a través de la endocitosis y la degradación intracelular mediada por receptores de LDL de la superficie celular. El tercer mecanismo de catabolismo de las HDL es la captación celular selectiva del colesterol HDL, sin internalización ni degradación de la partícula lipoproteica .Este proceso ocurre en el hígado y es mediado por el receptor SR-BI. Varios estudios han demostrado la importancia de SR-BI en el metabolismo de HDL y que la expresión de este receptor en el hígado controla los niveles plasmáticos del cHDL. El colesterol movilizado por las HDL desde los tejidos periféricos hacia el hígado por las vías metabólicas descritas, constituye el fenómeno denominado “transporte reverso de colesterol”. El cHDL captado en el hígado puede ser utilizado para secreción biliar, tanto como colesterol libre o transformado en sales biliares.

BIOQUIMICA DE LAS PROTEINAS METABOLISMO Y BALANCE NITROGENADO Casi todas las proteínas plasmáticas se sintetizan en el hígado a excepción de las inmunoglobulinas y las hormonas proteicas. El término balance nitrogenado se usa para reflejar el equilibrio entre las fases anabólicas y catabólicas del estado dinámico del metabolismo proteico. Las proteínas de la dieta representan la principal fuente de ingreso de nitrógeno y la mayoría de los productos de excreción del nitrógeno provienen del catabolismo proteico. Por lo tanto el metabolismo proteico se puede analizar desde el punto de vista del balance entre la ingesta y excreción nitrogenada. La síntesis proteica se produce a partir de los aminoácidos de la ingesta, de los originados de la destrucción proteica o de los formados por aminación de restos carbonados provenientes del metabolismo de glúcidos y lípidos. Hay estrecha relación entre metabolismo de glúcidos, proteínas y lípidos, ya que en el catabolismo de proteínas los fragmentos de hidratos de carbono producidos por deaminación de aminoácidos da lugar a la formación de lípidos y glúcidos.

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Las proteínas del organismo continuamente sufren procesos de fraccionamiento y resíntesis a partir de aminoácidos libres. Los productos de excreción del metabolismo de las proteínas es amoníaco. El ciclo de la ornitina se realiza a nivel hepático para eliminar amoníaco en forma de urea. Desde el punto de vista de la economía del organismo las 3 categorías más importantes proteicas son: proteínas de los tejidos, plasmáticas y la hemoglobina. Dentro de la dinámica del metabolismo proteico existe una prioridad en lo que se refiere a síntesis y liberación de proteínas. Las proteínas plasmáticas no suelen evidenciar una disminución significativa hasta que se haya producido una depleción hística (adelgazamiento) Un balance nitrogenado negativo (perdidas mayores que ingresos) se ven en dietas con baja ingesta proteica (ayuno prolongado, síndrome de malabsorción, desnutrición), perdidas de proteínas (proteinuria en síndrome nefrótico, quemaduras, plasmaférisis), o catabolismo acelerado (infecciones, fiebre, hipertiroidismo)

PROTEÍNAS PLASMATICAS Las proteínas pueden clasificarse simplemente como: proteínas tisulares y proteínas hemáticas. Las proteínas plasmáticas interaccionan con todos los tejidos y están relacionadas con el metabolismo proteico del hígado, la enfermedad hepática está frecuentemente asociada con alteraciones de las proteínas plasmáticas. Las proteínas tienen propiedades anfóteras según su grupo terminal o cadena lateral y según el tipo de aminoácido. Esta propiedad de actuar como ácido o como base es la responsable de su capacidad buffer. A un pH que es ácido respecto a su punto isoeléctrico (PIE) un aminoácido tiene carga positiva, mientras que a un pH básico a su PIE tiene carga negativa. A un pH igual a su PIE (pI) se encuentra en forma de molécula de doble carga positiva y negativa. El valor numérico de pI es característico de cada proteína.

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Análisis Clínico II

Propiedades fisicoquímicas: Fundamento para su identificación. •

Las proteínas pueden separarse desde el punto de vista físico por tamaño: se pueden separar en grandes y pequeñas por métodos de diálisis o filtración en gel.

•

Otra propiedad aprovechable es la solubilidad, dada por la afinidad que tienen por diferentes solventes. Si se modifica las propiedades del solvente (pH, fuerza iónica) se produce la insolubilidad de éstas produciéndose precipitación.

•

El plasma es ligeramente alcalino, de manera que estas proteínas se encuentran cargadas negativamente (forma aniónica) y esta propiedad se aprovecha para la separación electroforética.

METODOLOGIA DETERMINACIÓN DE PROTEINAS TOTALES: Método de referencia:

Método de “Biuret”: Es un método poco baja concentración de proteínas como orimás empleado en la determinación de prointeracción de un reactivo alcalino de coenlaces peptídicos, se produce color azul entre el ion Cu ++ y dos enlaces peptídicos

sensible no adecuado para muestras con nas o Líquido cefalorraquídeo. Es el método teínas totales. La reacción se basa en la bre con una sustancia que contiene 2 o más violeta debido al complejo que se forma adyacentes.

Estructura química formada entre los en-

laces peptídicos y el Cu++

DETERMINACIÓN DE ALBÚMINA Constituye más de la mitad del total de las proteínas plasmáticas, por eso los cambios en la concentración de Albúmina son muy significativos. Principio del método Albúmina + BCG → Complejo BCG-albúmina BCG: 3’,3”,5’, 5”-tetrabromo-mcresolsulfoneftaleína, sal sódica (verde de bromocresol) A pH ácido, la albúmina se fija al BCG produciendo desarrollo de color que se mide espectrofotométricamente a 630 nm. El incremento en la absorbancia es directamente proporcional a la concentración de albúmina de la muestra. Los valores de referencia de Albúmina son aproximadamente 3,5 – 5,2 g/dl

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DETERMINACION DE PROTEINAS EN LIQUIDO CEFALO RAQUIDEO La mayor parte de las proteínas son de bajo peso molecular, principalmente la Albúmina que constituye del 55 al 75% de todas las proteínas del LCR. La determinación de proteínas en LCR se realiza para conocer la integridad de la barrera hematoencefálica. Los métodos para su determinación son los mismos métodos turbidimétricos utilizados en el análisis de la orina. ELECTROFORESIS DE PROTEINAS El principio de la electroforesis se basa en que las partículas cargadas (en este caso proteínas) migran en un campo eléctrico, hacia uno u otro electrodo dependiendo de: •

Carga de la partícula: Se trabaja con un buffer a pH: 8,6 al cual todas las proteínas se encuentran con carga negativa.

•

Tamaño: Mayor peso molecular, menor velocidad de corrida.

•

Fuerza del campo eléctrico: mayor voltaje, mayor velocidad de corrida.

•

Medio soporte: Acetato de celulosa- Agarosa- Gel de poliacrilamida.

Las partículas cargadas negativamente (aniones) se dirigen al cátodo y las cargadas positivamente (cationes) se dirigen al ánodo. Si se hace variar el pH de la solución amortiguadora donde están disueltas, las proteínas van a migrar según su carga a distancias diferentes produciéndose la separación en fracciones. La albúmina por ser la molécula más pequeña y tener mayor número de grupos aniónicos migra con mayor rapidez seguida del resto de las globulinas. El gráfico que se obtiene se denomina proteinograma.

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Análisis Clínico II

Las fracciones que se obtienen del fraccionamiento electroforético de proteínas son:

a) Albúmina b) Alfa 1 globulinas c) Alfa 2 globulinas d) Beta globulinas e) Gamma globulinas La correcta interpretación del patrón electroforético depende del conocimiento de las proteínas que componen cada una de las fracciones. ¿Cuál es el propósito de realizar una electroforesis de proteínas? •

Para detectar anomalías en las proteínas séricas Cuantitativas: aumento o disminución de algunas fracciones Cualitativas: la presencia de fracciones anormales

•

Confirmar un diagnóstico en asociación con otros parámetros: la inflamación, la hepatitis, la cirrosis o el perfil de nefrótico.

•

Detectar la presencia de una inmunoglobulina monoclonal, cuando se sospecha de un mieloma compatible con la clínica.

•

Permiten una detección precoz del mieloma asintomático.

Fracciones proteicas Albúmina: Constituye el 55% de las proteínas plasmáticas y es la principal proteína producida por el hígado. Su principal función es la de mantener la presión osmótica del plasma, transporte de sustancias y es fuente endógena de aminoácidos. El aumento de la concentración sérica en general es un aumento relativo ya que se produce por disminución de solvente (agua): deshidratación.

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Los trastornos más frecuentes corresponden a la disminución y van acompañados clínicamente con edema. Causas de hipoalbuminemia:

Enfermedad Hepática

Causa Diminución de la síntesis por hepatopatía intrínseca, alcoholismo, desnutrición. Aumento de las pérdidas por degradación, aumento de la presión oncótica, desnutrición. Malabsorción, obstrucción hepática Daño de tejidos extenso, exudación intensa.

Renal Enfermedad gastrointestinal Quemaduras

Alfa- globulinas: Constituyen aproximadamente el 14% de las proteínas plasmáticas. α1 – Globulinas: Proteínas que componen la fracción:

•

α 1 Antitripsina: Es una proteína reactante de fase aguda. Aumenta en enfermedades inflamatorias y disminuye en la deficiencia congénita (enfisema + insuficiencia hepática.)

•

α 1 Glicoproteína: reactante de fase aguda

•

α 1 Lipoproteína: Transporte de lípidos, vitaminas liposolubles y hormonas.

•

Proteína transportadora de tiroxina.

•

α 1 Fetoproteína: Diagnóstico de defecto en tubo neural. Marcador tumoral de células embrionarias en testículo, cáncer hepático. α2 – Globulinas: Constituyen entre el 6-10% de las proteínas totales.

•

α 2 Lipoproteinas: transporte de lípidos.

•

α 2 Macroglobulina: Inhibidora de tripsina y plasmina.

•

α 2 Haptoglobina: Reactante de fase aguda. Transporte de hemoglobina libre en plasma.

•

Ceruloplasmina: transporte de cobre.

•

Colinesterasa: hidrólisis de acetilcolina.





b - Globulinas: Constituyen aproximadamente el 13% de las proteínas totales. •

Β lipoproteínas. Transporte de lípidos.

•

Transferrina: transporte de hierro en plasma.

•

Fibronógeno: coagulación.

•

Plasminógeno: lisis de fibrina.

•

Complemento: procesos inmunes. ɣ globulinas: Constituyen aproximadamente el 11% de las proteínas totales.

Es la zona de migración de las inmunoglobulinas, es decir, anticuerpos: IgA, IgG, IgM, IgE, IgD. (Estas 2 últimas en muy baja concentración)

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Análisis Clínico II

Una curva con forma de distribución normal, sin deformaciones, revela un perfil policlonal. Si aparecen picos hablamos de gammapatía monoclonal, lo que está relacionado con gammapatía malignas como mieloma múltiple y enfermedad de Waldenström, asociadas a LLC, linfomas o benignas en pacientes ancianos. Alteraciones cuantitativas: • •

Hipogammaglobulinemia: Síndrome nefrótico, Mieloma con proteinuria de Bence Jones, leucemias crónicas. También existen las agammaglobulinemias. Hipergammaglobulinemias policlonales: Inflamaciones crónicas, procesos infecciosos, ciertas enfermedades autoinmunes.

Gammapatía a células B Las gammapatías monoclonales constituyen un grupo de patologías caracterizadas por la proliferación benigna o maligna de un clon de células plasmáticas que producen una proteína homogénea denominada componente monoclonal. Se las denominan con diferentes términos: Componente Monoclonal, Proteína M, Componente M, Gammapatía Monoclonal y/o Paraproteína.

INTERPRETACIÓN DE UN PROTEINOGRAMA ¿Es un método cualitativo o cuantitativo? La inspección visual de un proteinograma (P.E.) realizado por una persona entrenada, permite efectuar una evaluación semi-cuantitativa de las diversas fracciones proteicas. La fotodensitométria de un P.E., mide la absorción de un colorante a cada una de las fracciones obtenidas de la separación. Esta valoración está referida al dato de las proteínas totales, razón por la cual la densitometría nos expresa un valor relativo, no absoluto. Un parámetro importante para complementar el estudio es la cuantificación de las fracciones proteicas específicas. Por ejemplo, para obtener un resultado cuantitativo específicamente de las Inmunoglobulinas se debería dosar por un método inmunoquímico cada una de ellas: Inmunoglobulina G (Ig G), Inmunoglobulina A (Ig A) e Inmunoglobulina M (Ig M). Si se realizara en forma simultánea en una misma muestra un P.E., y una cuantificación de las tres inmunoglobulinas, la sumatoria de los tres valores sería diferente al valor densitómetro para la zona gamma globulina. Esto sucede porque son métodos con especificidades y sensibilidades diferentes.

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Las fracciones proteicas corresponden a grupos de proteínas, salvo la Albúmina, pudiendo haber variación porcentual de sus componentes. Para confirmar los resultados del proteinograma y conocer puntualmente la concentración de una proteína específica se cuenta con la herramienta de los análisis inmunoquímicos específicos como: •

Nefelometría

•

Inmunoturbidimetria

•

Inmunoelectroforesis

•

Inmunoensayos (Inmunodifusión radial, RIA, IRMA, Inmunocromatografía, etc.)

Sin embargo, en muchos casos el patrón electroforético global es más informativo que las concentraciones numéricas de las fracciones individuales. El patrón de respuesta aguda o inmediata puede observarse en la inflamación como en las quemaduras, neoplasias malignas, traumatismos, hay una ligera diminución de la albumina y aumento notable de α1 yα2 globulinas. El patrón de respuesta retardada puede verse en las infecciones crónicas. Reducción de la fracción albumina y aumento de las gamma globulinas. El patrón stress consiste en una disminución de la albúmina, aumento de las α globulinas y un ligero aumento policlonal, es un patrón observado en pacientes hospitalizados post cirugía. En cirrosis hepática la elevación característica policlonal con formación de puente βɣ está asociado a disminución de albúmina y aumento de α2 globulina. El patrón síndrome nefrótico y enteropatía con pérdida de proteínas consiste en la disminución de la albúmina y ɣ globulina e incremento de α2 globulina.

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Análisis Clínico II

Diferentes patrones electroforéticos realizados en gel de agarosa (Sebia) INMUNOFIJACION Esta técnica permite la identificación de componentes monoclonales u oligoclonales en muestras de sangre u orina. Se realiza cuando en el perfil electroforético aparecen fracciones atípicas principalmente en la zona de las β y ɣ globulinas sospechosas de gammapatías monoclonales. Es una combinación de una primera etapa de separación electroforética de proteínas en gel de agarosa seguida de una inmovilización de las mismas al enfrentarse a un antisuero específico formando un complejo insoluble que precipita en el gel y se revela por coloración. 1. Separación electroforética en gel de agarosa. 2. Inmunoprecipitación de las proteínas separadas: los carriles de migración electroforética son recubiertos con antisueros específicos para las inmunoglobulinas y cadenas livianas y pesadas, los cuales difunden dentro del gel y precipitan los antígenos correspondientes cuando están presentes. 3. Las proteínas solubles no fijadas son eliminadas del gel mediante lavado. El precipitado Ag-AC queda fijado en la matriz del gel. 4. Se realiza una tinción para poder visualizar las bandas. Inmunofijación de proteínas en gel de agarosa con antisueros monoclonales para la identificación de componentes monoclonales Proteinuria de Bence Jones (Cadenas livianas monoclonales en orina) Las células plasmáticas producen una sola clase de cadena pesada y un solo tipo de cadena liviana por molécula. Se sintetiza alrededor de un 40% más de cadenas livianas que de las pesadas para permitir una buena conformación de la molécula de inmunoglobulina intacta. Las células plasmáticas producen el doble de cadenas kappa que de cadenas lambda. Las cadenas livianas libres tienen una vida media en suero de pocas horas por su rápida eliminación renal. Normalmente las cadenas livianas se filtran por el riñón, dependiendo la velocidad, del tamaño molecular. Para investigar proteinuria de Bence Jones (cadenas livianas monoclonales en orina), es necesario realizar un uroproteinograma y observar la presencia o no de una banda homogénea. Para verificar que corresponden a cadenas livianas se debe realizar una inmunofijación de la muestra de orina.

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Inmunofijación en orina para la identificación de cadenas livianas en orina ELECTROFORESIS DE PROTEINAS EN LIQUIDO CEFALO RAQUIDEO (LCR) El LCR tiene una concentración de proteínas mucho menor que el suero, entre 20 y 40 mg/dl. En la electroforesis de LCR se presentan las mismas bandas que se pueden observar en una electroforesis de suero, pero en concentraciones menores (más tenues) y aparece una fracción que es la pre-Albúmina. El interés clínico de esta prueba de laboratorio es la detección de bandas oliclonales, que se presentan como pequeñas bandas en forma escalonada, presentes en pacientes con esclerosis múltiple. Solo aparecen en suero ya que es una patología del SNC:

UROPROTEINOGRAMA. Electroforesis de proteínas urinarias El proteinograma de orina no presenta ninguna banda o simplemente una muy discreta banda de albúmina, tras concentración de la muestra. Análisis de diferentes patologías renales con pérdida de proteínas: •

Proteinuria glomerular selectiva (Síndrome nefrótico): Aparece principalmente albúmina (>80%) y transferrina, escasas globulinas alfa-1-beta, alfa-2 y gamma.

•

Proteinuria glomerular no selectiva: el patrón electroforético se parece al del suero sanguíneo. La encontramos en lesiones más importantes como la glomerulonefritis grave.

•

Proteinuria tubular: es una proteinuria que aparece en tubulopatías congénitas y en la insuficiencia renal aguda. La electroforesis nos indicará principalmente, globulinas alfa, beta y gamma; la albúmina banda muy tenue.

•

Proteinuria glomerular tubular mixta: es una proteinuria disglobulinúrica en la que predomina una paraproteína anormal con una banda muy definida en la zona de la beta-gamma, que corresponde a la proteína de Bence-Jones.

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Análisis Clínico II

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Enzimas BIOQUIMICA DE LAS ENZIMAS Estructura Las enzimas son Catalizadores Biológicos. Tienen como función aumentar la velocidad de las reacciones químicas, disminuyendo la energía de activación de las moléculas favoreciendo que mayor cantidad de moléculas puedan interaccionar entre sí en una reacción química específica. Se puede definir una enzima como: HOLOENZIMA = APOENZIMA + COENZIMA Especificidad enzimática El centro catalítico presenta un cierto reparto de cargas o grupos funcionales, que son los que determinan que el sustrato se fije en él; tiene, por tanto, una configuración espacial que es característica y privativa de cada enzima. La acción de las enzimas es específica en el sentido de que cada enzima sólo actúa sobre un determinado sustrato y sólo efectúa sobre el mismo un tipo de transformación. Las enzimas son específicas en relación a la selección del sustrato. Esta especificidad es variable de unas enzimas a otras y puede darse a tres niveles diferentes: •

Absoluta: cuando la enzima es específica de un único sustrato.

•

De grupo: cuando la enzima actúa sólo sobre un grupo funcional o un enlace químico determinado, de uno o varios sustratos.

•

Estereoquímica: cuando la enzima es capaz de diferenciar entre isómeros, actuando sólo sobre una de las posibles configuraciones.

Cinética enzimática La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por las enzimas. Las enzimas catalizan la conversión reversible del sustrato (S), en un producto de reacción (P), pasando por la formación de un complejo intermedio transitorio enzima-sustrato (E-S). Esto se puede esquematizar de la siguiente manera:

E+S

↔

ES → E + P

Existen diferentes modelos para explicar la especificidad enzima – sustrato: algunos autores consideran (Fisher) un modelo rígido tipo “llave –cerradura”, otros consideran un ajuste flexible entre ambos, o la teoría más moderna en la cual se considera que tanto enzima como sustrato sufren cambios conformacionales durante la etapa de transición. 269

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De todas maneras la condición esencial es que una vez transcurrida la reacción la enzima recupera su estado conformacional original. La medida de la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas se realiza siempre en las condiciones óptimas de pH, temperatura, presencia de cofactores, y se utilizan concentraciones saturantes de sustrato. La velocidad de la reacción enzimática puede determinarse midiendo la aparición de los productos o la desaparición de los sustratos. Inicialmente, la enzima transforma el sustrato en un producto siguiendo un comportamiento lineal. A medida que avanza la reacción, se va agotando la cantidad de sustrato y va disminuyendo la cantidad de producto que se genera por unidad de tiempo (disminuye la velocidad de la reacción), lo que se manifiesta en forma de curva asintótica .

Las reacciones catalizadas por enzimas son saturables, es decir, la velocidad de catálisis no muestra un comportamiento lineal en un gráfico al aumentar la concentración de sustrato. Si la velocidad inicial de la reacción se mide a una determinada concentración de sustrato [S]), la velocidad de la reacción (Vi) aumenta linealmente con el aumento de la [S]. Sin embargo, cuando se aumenta mucho la [S], la enzima se satura y alcanza su velocidad máxima (Vmax), que no sobrepasará en ningún caso (todos los sitios activos se encuentran ocupados) La ecuación de Michaelis-Menten se usa para relacionar la velocidad de reacción (Vi) y la concentración de sustrato [S], presente. Km: grado de afinidad o estabilidad Enzima-Sustrato Vi = V max x [S] Km +[S] Km: es la concentración de sustrato para la cual la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima. Es característico de cada enzima. Si [S] es mucho mayor que Km, trabajamos a concentración de sustrato saturable y la variable en la ecuación es la concentración de enzima, que es lo que queremos determinar en una reacción cinética ∆ [P] /∆ TIEMPO= K [ENZIMA]

………………..K= K2 [E] / Km

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Análisis Clínico II

Determinación de velocidades de reacción en el laboratorio El modo de medir una reacción cinética depende si es rápida o lenta. Se considera rápida si transcurre el 50 % en aproximadamente en 10 segundos. Los métodos analíticos requieren un equipo para una mezcla rápida de reactivos y registro rápido de datos. El procedimiento más cómodo es medir el progreso de una reacción en forma continua por espectrofotometría. En un “tiempo fijo” se mide una variable medible de la concentración de producto formado (absorbancia). Lo que es proporcional a la concentración inicial de la enzima es la diferencia entre las 2 concentraciones medidas en 2 tiempos. Se utiliza una curva de calibración realizada con diferentes soluciones de concentración conocida de enzima en función de la velocidad de reacción. Moduladores de la actividad enzimática Las enzimas pueden ser inhibidas o activadas. La inhibición puede ser reversible o irreversible. Generalmente la inhibición es reversible y la cinética de la inhibición puede tener diferentes patrones: competitiva, no competitiva. Los inhibidores competitivos compiten con el sustrato por el sitio catalítico de la enzima, su efecto en la cinética es aumentar el valor de Km. (disminuir la afinidad de la enzima por el sustrato) Los inhibidores no competitivos se unen a un sitio de la enzima diferente del sitio catalítico, o eliminan un cofactor necesario para la enzima. Su efecto cinético es disminuir la Vmax, porque reducen la capacidad de la enzima para transformar el sustrato en producto.

ENZIMOLOGÍA DIAGNÓSTICA Clasificación de las enzimas de acuerdo a su distribución tisular Las enzimas que se encuentran en el plasma pueden dividirse para su estudio en dos grupos: enzimas funcionales y enzimas no funcionales. Enzimas funcionales o plasmoespecíficas Son las enzimas que desarrollan su actividad en el plasma. Estas enzimas son sintetizadas en determinados tejidos y vertidas a la sangre, que es su lugar de acción, donde se encuentran su sustrato y su coenzima. Son ejemplos las enzimas del complejo protrombínico, la lipoproteinlipasa, plasminógeno y pseudocolinesterasa. Este grupo de enzimas son sintetizadas fundamentalmente por el hepatocito y son muy activas en el plasma. En este grupo de enzimas el interés clínico tiene foco en valores disminuidos, ya que una disminución de su actividad indicaría una alteración en la síntesis, y como la mayoría son producidas en el hígado esto nos estaría indicando una alteración de la funcionalidad hepática.

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Enzimas no funcionales No tienen una función conocida en el plasma, y su concentración plasmática es considerablemente menor que en los tejidos. Sin embargo, normalmente existen niveles circulantes detectables de la mayoría de las enzimas no funcionales debido a la renovación celular natural o producido por pequeños traumatismos espontáneos. Su presencia en plasma en niveles más altos de lo normal sugiere un aumento en la velocidad de destrucción celular y tisular. La determinación de estos niveles de enzimas en plasma provee información valiosa respecto al órgano de origen. Estas enzimas pueden dividirse en dos grupos: Enzimas de secreción o exocitoenzimas Son enzimas secretadas por glándulas o tejidos muy especializados, su lugar de acción está alejado del lugar donde ejercen su acción, es el caso de las enzimas digestivas segregadas por el páncreas y que actúan en el duodeno. Clínicamente, estas enzimas en sangre están en baja actividad. Aumentarían sus niveles plasmáticos en la patología aguda como es la pancreatitis. Enzimas celulares o endocitoenzimas: Son todas las enzimas que tienen su lugar de acción dentro de la misma célula que las sintetiza, no tienen acción en plasma. Se dividen es 2 grupos: •

Ubicuas: Son todas las que intervienen en el metabolismo celular general como por ejemplo LDH, ALT o Alanina-aminotransferasa, AST o Aspartato-aminotransferasa.

•

Organoespecíficas: Enzimas específicas órganos o tejidos que actúan en procesos metabólicos específicos de ciertos tejidos. Por ejemplo la GLDH (Glutamato deshidrogenasa), y SDH (Sorbitol deshidrogenasa).

Para la valoración enzimática hay que tener en consideración: •

Distribución de las enzimas en los diferentes órganos y tejidos para poder realizar la interpretación clínica adecuada.

•

Localización de las enzimas dentro de la célula, para poder entender qué tipo de daño sufrió la misma. Por ejemplo si encontramos un aumento de enzimas citoplasmáticas indica que la alteración no es tan severa, pero si además aumentan las enzimas mitocondriales significa que existen en ese tejido focos necróticos que e

•

Conocer el tiempo de vida media de esa enzima, para poder interpretar los tiempos de desaparición de su actividad enzimática en plasma. Por ejemplo si estamos frente al aumento plasmático de una enzima de vida media larga, llevará más tiempo la normalización de sus valores desde el momento de su entrada al plasma. En cambio, si están aumentado los valores de cierta enzima y su vida media es corta, esta se normaliza más rápidamente.

MAPA ENZIMÁTICO TISULAR Es la descripción de un órgano en función de la concentración relativa de sus enzimas celulares. La medida de los diversos mapas enzimáticos plamáticos constituye el intento de lograr la especificidad bioquímica de los diferentes órganos. Cuanto mayor sea la cantidad de enzimas que se determinen, más completo será el mapa y mejor podrá definirse el cuadro patológico. Aunque desde el punto de vista biológico son muchas las enzimas objeto de atención, el interés clínico se centra en el estudio de aquellas cuyas variaciones que son patognomónicas, es decir, indicadoras de enfermedad. Es importante determinar batería con más de una enzima en el suero, por el hecho de no existir enzimas que sean simultáneamente órgano específicas y lo suficientemente sensibles.

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Análisis Clínico II

DETERMINACION DE NIVELES SÉRICOS DE ENZIMAS Las determinaciones enzimáticas en el laboratorio se basan en demostrar” in vitro” la actividad catalítica que una enzima tiene “in vivo”, por lo tanto, el sistema en estudio mide su funcionalidad. Unidades de medición Los laboratorios clínicos expresan la actividad enzimática en UI/ L. Las UI/ L se definen como la cantidad de enzima que cataliza la conversión de 1mol de sustrato o coenzima por minuto en las condiciones de la prueba. Factores que afectan la velocidad de la reacción: • Sustrato • Inhibidores • Activadores • Temperatura • pH • Fuerza iónica • Concentración de proteínas • Interferentes Temperatura: La gran mayoría de las enzimas se desnaturalizan e inactivan alrededor de los 50º C. Puede ocurrir que enzimas de un mismo organismo tengan diferentes temperaturas óptimas. PH: Las variaciones de pH del medio ocasionan cambios en la actividad enzimática puesto que se modifican las cargas superficiales alterándose su configuración espacial. El pH óptimo de actuación también es diferente para las distintas enzimas de un organismo; para algunas puede ser ácido (pepsina) y para otras alcalino (lipasas). Para que una reacción enzimática sea válida, la concentración de la enzima debe ser el único factor limitante, es decir que el resultado refleje la cantidad de enzima y no se vea afectado por otras sustancias o circunstancias. Debe tenerse en cuenta la posible interferencia por muestras obtenidas con anticoagulantes (resultados falsamente elevados o disminuidos) por hemólisis de la muestra (se eleva falsamente la LDH por ejemplo), por opalescencia o característica lechosa del suero (produce lecturas variables de absorción de luz). Desarrollo de la reacción enzimática La medición de la actividad enzimática representa una de las siguientes circunstancias: •

Aumento de la concentración de uno de los productos.

•

Descenso de la concentración del sustrato.

•

Cambio en la concentración de la coenzima.

Ejemplos: La LDH (Enzima láctico deshidrogenasa) cataliza la reducción de piruvato a lactato y la simultanea oxidación de NADH a NAD+. (Nicotinamida adenina dinucleótido: abreviado NAD+ en su forma oxidada y NADH en su forma reducida) LDH Piruvato + NADH + H+ →→ →Lactato + NAD+ El NADH absorbe en el rango de la luz ultravioleta (340 nm), propiedad utilizada para la determinación enzimática. La mezcla de reacción aporta piruvato y NADH, como sustratos, en un medio de pH adecuado

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La reacción se inicia por el agregado de muestra en estudio que contiene la LDH que se pretende cuantificar. Utilizando un espectrofotómetro se mide la disminución de absorbancia a 340 nm, indicador del consumo de NADH. La velocidad de desaparición del cofactor es proporcional a la cantidad de enzima LDH presente en la muestra.

Espectro de absorción de NAD+ y NADH Si los sustratos o productos carecen de una propiedad espectral de medición, se utiliza el acople de la reacción que cataliza la enzima de interés a una segunda reacción cuyos sustratos o productos pueden determinarse por espectrofotometría. Ejemplo: Las transaminasas son enzimas que catalizan la transferencia el grupo amino de un aminoácido a un cetoácido. Existe una gran variedad de transaminasas de las cuales dos son usadas frecuentemente como indicadores de daño hepático: la glutámico pirúvico transaminasa (GPT) y la glutámico oxalacético transaminasa (GOT) GPT Alanina + α-cetoglutarato →→→ Piruvato + glutamato (Reacción enzimática “in vivo”) GPT (Fosfato de piridoxal) Alanina + α-cetoglutarato

→ →

Piruvato + glutamato

LDH Piruvato + NADH + H

→→

Lactato + NAD+

(Reacción enzimática” in vitro”)

En la reacción “in vitro” ni los sustratos ni los productos absorben luz en el rango UV o visible, por lo cual la determinación de las transaminasas se realiza a través de una reacción acoplada que utiliza como sustrato un producto de la reacción anterior. La velocidad de desaparición de NADH, por oxidación a NAD+, será proporcional a la actividad de GPT presente en la muestra. Marcadores bioquímicos Los biomarcadores o marcadores bioquímicos son sustancias que se encuentran en el suero y que indican el daño de un órgano o tejido específico. Dentro de esta definición podemos incluir las enzimas. La mayoría de las enzimas se encuentran dentro de las células, donde son necesarias para el metabolismo. Los niveles plasmáticos normalmente son inferiores al 1% de los niveles celulares y reflejan la tasa de liberación de la enzima debido al proceso de recambio celular. Por esta razón el aumento del nivel plasmático de muchas enzimas se pueden considerar como marcadores de daño celular.

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Análisis Clínico II

Isoenzimas Las Isoenzimas son variantes de una misma molécula de enzima con características físico-químicas diferentes (distinto pH, distinto Km, diferente acción de inhibidores y activadores) e inmunológicas diferentes, o localización diferente; realizan el mismo tipo de reacción y actúan sobre el mismo sustrato pero en condiciones distintas. Se encuentran distribuidas en diferente proporción en diferentes tejidos y su actividad se ajusta al metabolismo de cada uno de ellos. Esta característica hace que su determinación se aproveche para identificar el tejido dañado que liberó la enzima al plasma. Ejemplo Lactato Deshidrogenasa LDH: está ampliamente distribuida por todos los tejidos pero es más abundantes en corazón, músculo esquelético, riñón e hígado. Está constituida por cuatro subunidades, que pueden ser de dos tipos: subunidad H, específica del corazón y subunidad M del músculo. Estas subunidades se combinan de 5 formas diferentes dando lugar a 5 isoenzimas: LDH 1(4H), LDH 2 (3H/1M), LDH 3 (2H/2M), LDH 4 (3h/1H) y LDH 5 (4M). La LDH existente en el miocardio contiene más isoenzimas LDH 1 y LDH 2, y en el hígado y músculo esquelético mayor proporción de LDH 4 y LDH 5. El biomarcador ideal reúne las siguientes características: •

Está ausente o con valores estables, en ausencia de daño.

•

Aumenta su concentración en forma proporcional con el grado de daño.

•

Es específico de un órgano o tejido.

Interpretación clínica En procesos inflamatorios aparecen en plasma en primer término enzimas de bajo e intermedio peso molecular (entre 40.000 a 140.000 Da). El nivel de enzimas en el suero que se observa en una lesión es generalmente proporcional a la magnitud de membrana celular afectada. Cuando hay daño celular mínimos, primero se vuelca al torrente sanguíneo las enzimas citoplasmáticas y en caso de daño extenso o más intenso, lo hacen las enzimas localizadas en las membranas de las organelas (glutámico deshidrogenasa (GLDH) mitocondrial). Factores que alteran la permeabilidad de la membrana celular •

Baja concentración de oxígeno tisular (hipoxia)

•

Agentes químicos (iodoacetato, cianuro, tetracloruro de carbono)

•

Agentes físicos (pH, temperatura osmolaridad)

•

Algunos virus.

Para los fines diagnostico, una elevación de las enzimas celulares en el plasma es equiparable a una lesión celular. Es importante tener en cuenta que las enzimas cuyos niveles aumentan en suero raramente derivan de una necrosis celular sino que lo hacen por un grado sucesivo de liberación debido a que la biosíntesis enzimática se conserva mientras la célula vive. En los casos extremos de necrosis, después de un breve lapso, las actividades en el suero disminuyen por falta de nuevos aportes debido a una biosíntesis proteica nula. Aspectos pre analíticos Muestra: •

No utilizar muestras que hayan sido congeladas y descongeladas varias veces para evitar desnaturalizar irreversiblemente la proteína constituyente de la enzima.

•

Separar rápidamente el coágulo del suero porque hay ciertas enzimas como la LDH y la Fosfatasa Ácida que se encuentran en los hematíes y plaquetas que pueden liberarse al medio. 275

Telma Brich

•

No trabajar con muestras hemolizadas porque en estas aumentan los componentes intraeritrocitarios como el LDH y AST.

•

Evitar el estasis venoso prolongado durante la extracción porque esta produce hipoxia y aumento de permeabilidad en las células sanguíneas.

•

Evitar en envejecimiento de las muestras.

Reactivos e instrumental •

Revisar siempre la fecha de caducidad de los reactivos, sobre todo la solución de sustrato y comprobar que se han recibido y almacenado en las condiciones adecuadas de temperatura. Registrar la fecha en que se comienza a utilizar los reactivos.

•

El instrumento de medición debe cumplir 2 requisitos: debe ser un espectrofotómetro que mida de forma correcta a la longitud de onda del ensayo. Además tiene que tener un buen sistema de regulación de temperatura.

ENZIMAS CARDÍACAS El corazón al igual que el músculo esquelético, presentan altas concentraciones de enzimas y proteínas implicadas en la generación de energía y la contracción muscular. Enzimas como la Creatin Kinasa o CK, la AST y la Lactato deshidrogenasa o LDH están presentes en concentraciones altas, tanto en el músculo esquelético como en el cardíaco, pero existen diferencias en sus cantidades relativas de sus patrones de isoenzimas. Marcadores bioquímicos de daño cardíaco Infarto de miocardio: Es la muerte de parte de las células del músculo cardíaco que se produce secundaria a una isquemia (falta de irrigación sanguínea). Los criterios comúnmente aceptados de diagnóstico de infarto agudo de miocardio (IAM), requiere la presencia de dos de los tres siguientes criterios: 1. dolor torácico 2. cambios en el ECG 3. aumento y disminución característica de biomarcadores cardíacos. Aunque la CK y, en menor grado la LDH, son sensibles al daño muscular, sólo sus isoenzimas distinguen el daño cardíaco del de músculo esquelético. Mioglobina La mioglobina es una proteína compuesta por una cadena polipeptídica y un grupo prostético Hemo que está presente en todas las fibras del músculo estriado, y cerca de 2% se encuentra en tejido de masa cardiaca y esquelética. La función principal de la mioglobina es transportar oxígeno de la membrana reservorio de oxígeno en el músculo. Debido a que se trata de una molécula de poco peso molecular «escapa» rápidamente hacia la célula miocárdica demandante (en hipoxia). Esta puede ser detectada 2 horas después de ocurrido el infarto La mioglobina es el primer marcador que se eleva después del daño celular miocárdico. No es una enzima. Marcador precoz. No cardio específica. Metodología: Inmunocromatografía. Troponina 276

Análisis Clínico II

Es un complejo de proteínas estructurales del músculo cardíaco y esquelético. Consiste de tres subunidades: Troponina T, Troponina I y Troponina C. Las troponinas TnT y TnI están presentes en el músculo esquelético y cardíaco. Los niveles séricos de troponinas son habitualmente muy bajos y resultan indetectables. Por lo tanto son altamente sensibles y específicas, siendo capaz de detectar incluso, zonas microscópicas de isquemias. Las Troponinas inician su elevación a las 3 a 7 horas de producido el evento cardíaco y se mantienen por encima de los valores normales de 7 a 14 días, propiedad que se aprovecha para un diagnóstico retrospectivo. Resultados falsos positivos, han sido observados en la Troponina T en pacientes en situación de Insuficiencia aguda, sometidos a diálisis. No es una enzima. Cardioespecífica. Sensible. Elevación precoz. Metodología: Quimioluminiscencia- Inmunocromatografia Creatin kinasa (CK) La creatina quinasa cataliza la producción de fosfocreatina a través de la fosforilación de una molécula de creatina, consumiendo una molécula de ATP en el proceso. La función de la CK en músculo es contribuir al almacenamiento de energía en forma de creatina fosfato usando ATP y creatina como sustratos, durante los períodos de descanso. En la contracción, la creatina fosfato es escindida a creatina y ATP por acción también de la CK. CK Creatina –P + ADP

↔

Creatina + ATP

La CK necesita magnesio como cofactor. Es un dímero de subunidades catalíticas. Las dos subunidades se denominan M, de músculo y B, de cerebro en inglés (brain). Las tres isoenzimas resultantes son: CK- MM, CK-MB y CK-BB. La CK se encuentra distribuida por todo el cuerpo, pero solo se encuentra en cantidades significativas en músculo y cerebro, aunque la CK de cerebro prácticamente nunca cruza la barrera hematoencefálica hacia el torrente sanguíneo. En el músculo esquelético, la CK-MB supone entre el 0 al 6% de la CK total. En un corazón normal, entre el 15 y el 20% de la CK es CK-MB. Por esto, la CK-MB sirve como marcador de daño cardíaco. La CK-BB es la dominante en cerebro y músculo liso. Enzima CK-MB es cardioespecífica. Se mide actividad enzimática. Variables pre analíticas •

El ejercicio es la variable que más influye en los valores de CK, sobre todo el ejercicio intenso.

•

La inactividad grave disminuye los valores de CK, por eso los valores de pacientes hospitalizados están disminuidos.

•

Los niveles de CK aumentan con cualquier tipo de daño muscular, incluyendo inyecciones intramusculares.

•

En el embarazo, puede existir un leve aumento de la CK. La isoenzima CK-BB, puede alcanzar un 10% del total, por su producción placentaria.

•

La CK-MB está presente en cantidades mínimas en individuos normales.

•

La hemólisis puede causar un ligero aumento de los niveles de CK debido a la presencia de la Adenilato kinasa.

•

Puede encontrarse elevada por dosis elevadas o inadecuadas de estatinas, en polidistrofias, miopatías, espasmos musculares.

•

La CK no es estable cuando se mantiene a temperatura ambiente por unas horas. Es estable durante me277

Telma Brich

ses si se congela. Métodología. Determinación analítica CK (suero del paciente) Fosfato de creatina + ADP

→

creatina +ATP



Hexoquinasa ATP + D-glucosa

→

ADP + G6P

G 6 PDH G6P + NADP+

→

D 6 fosfogluconato + NADPH + H+

Fundamento: Reacción enzimática cinética acoplada. La velocidad de formación de NADPH es directamente proporcional a la actividad catalítica de la CK y se determina midiendo el aumento de absorbancia fotométricamente a 340 nm. Isoenzima CK-MB Las tres isoenzimas de la CK se encuentran en el citosol celular o asociada con estructuras miofibrilares. La ventaja de la CK-MB sobre la CK Total reside en su especificidad de órgano. La CK-MB aumenta a las 3 a 6 horas tras el inicio de los síntomas del evento cardiovascular y el máximo se alcanza entre las 12 y 24 horas. La cirugía cardíaca, la miocarditis, cateterización coronaria, anginas de pecho, también elevan a menudo los niveles séricos de la isoenzima MB. Por todo ello, ha sido necesario desarrollar marcadores bioquímicos cardíacos más específicos. Métodos para determinar isoenzimas de CK (CK MB) •

Métodos no inmunológicos:

Electroforesis: Técnica semicuantitativa que conduce generalmente a una sobreestimación de la CPK-MB. Lenta y poco práctica, sobre todo en un Laboratorio de Urgencias. •

Métodos inmunológicos: Inmunoinhibición: CK-MB actividad. Es un método inmunológico indirecto.

Este método permite medir la actividad de la subunidad B de la isoenzima MB, después del bloqueo específico de las subunidades M (de MM y de MB) por un anticuerpo específico. La actividad residual, después de la inmunoinhibición, corresponde a la MITAD de la isoenzima MB. Interferencia por hemolisis. •

Métodos basados en la medición de masa:(No mide actividad)

Técnicas enzimoinmunológicas (CK-MB masa). Éste método es sensible a la interferencia de la adenilatoquinasa, y a diferencia de lo que ocurre con el método de inmunoinhibición permite su realización en una muestra de sangre hemolizada. Proporciona buenos resultados, su determinación está automatizada, es rápida y por tanto, adaptable al Laboratorio de Urgencias, siendo este el método de elección. El desarrollo de anticuerpos monoclonales permite en el laboratorio de urgencias determinar por el método de Inmunocromatografía simultáneamente: Mioglobina- CK masa y Troponina I.

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Análisis Clínico II

Lactato dehidrogenasa (LDH) Es una enzima, localizada en el citoplasma de la célula, que transfiere H+ (deshidrogenasa) y cataliza la oxidación reversible de L-lactato a piruvato. Sus isoenzimas conocidas son: LD1, LD2, LD3, LD4, LD5. Metodología de determinación: Fundamento LDH (suero del paciente) Piruvato + NADH ¯ + H+ ↔ Lactato + NAD+ La velocidad de consumo de NADH se mide fotométricamente y es directamente proporcional a la actividad de la LDH en la muestra. Para la cuantificación de las isoenzimas se pueden utilizar métodos no inmunológicos (electroforesis) y métodos inmunológicos. Mediante éste último se determina directamente la LD1, tras el tratamiento del suero por un anticuerpo dirigido contra la subunidad M de la LDH, que elimina las isoenzimas LD2, LD3, LD4 y LD5 Aspartato amino transferasa (AST)(GOT) Es una enzima de localización mitocondrial y citoplasmática que cataliza la transferencia reversible del grupo amino desde el aspartato al a-cetoglutarato. Metodología de la determinación: Método enzimático cinético. Reacción acoplada. La velocidad de consumo del NADH se mide fotométricamente (a 340 nm) y es directamente proporcional a la actividad de AST en la muestra. El contenido tisular de AST, de mayor a menor concentración tisular: ·

Cardíaco.

·

Hepático.

·

Músculo – esquelético.

·

Riñón.

·

Cerebro.

·

Páncreas.

·

Bazo.

·

Pulmón.

·

Eritrocitos.

Se encuentra elevada en plasma, en diferentes patologías de diferente etiología: enfermedades hepáticas, necrosis miocárdica, necrosis del músculo esquelético, distrofia muscular progresiva y dermatomiositis, pancreatitis aguda, necrosis renal y cerebral, hemólisis, ejercicio físico intenso, después de la administración de opiáceos, salicilatos o eritromicina. Por lo tanto no es buen marcador órgano específico.

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En un evento cardiovascular, se eleva a las 6 a 8 horas después del comienzo de los síntomas, alcanza el pico a las 18 a 24 horas y vuelve a la normalidad a los 4 a 5 días. La AST (GOT) no presenta ventajas sobre la CPK y la LDH: no es específica del miocardio y no aparece en la circulación de forma muy precoz. El ascenso característico de los Biomarcadores se produce en todos los pacientes con IAM clínicamente (ECG con onda Q) demostrado. Los niveles de CPK Total y de CPK-MB no suelen aumentar en la Angina Inestable. Sin embargo, cerca de la tercera parte de los enfermos, que se cree padecen Angina Inestable a juzgar por la ausencia de la elevación de la CPK Total y la CPK-MB, presentan elevaciones de la TnT o TnI. El hallazgo de una elevación de Troponina, incluso ante valores normales de CPK Total y CPK-MB, sugiere un pronóstico desfavorable, por lo que debe considerarse que estos enfermos han sufrido un Infarto de Miocardio y se le debe tratar como tal. Para confirmar el diagnóstico confirmatorio de Necrosis Miocárdica, los Biomarcadores cardíacos deben medirse en el momento del ingreso del paciente, a las 3 horas, a las 6horas y, a las 12 y 24 horas del ingreso sí el diagnóstico sigue siendo dudoso. Cantidad de veces aumentado respecto al normal

Horas desde el inicio del infarto

ENZIMAS PANCREATICAS Ante la sospecha de pancreatitis se realizan, habitualmente análisis de amilasa y, en algunas oportunidades se solicita el análisis de lipasa. Si estas 2 enzimas están elevadas en suero, se confirma el diagnóstico de pancreatitis. La amilasa y la lipasa pueden provenir de otras fuentes distintas del páncreas, entonces empleando los dos análisis se aumenta la certeza del diagnostico. La interpretación de la medida de amilasa plasmática total está puede ser confusa debido a la interferencia por la isoenzima salival que puede producir falsos positivos, y por la presencia en individuos normales de macroamilasas, que dan valores altos de amilasemia. Macroamilasemia: es la elevación persistente de la actividad de la amilasa sérica sin signos clínicos de alteración pancreática. Se atribuye a la presencia de complejos de amilasa unida a inmunoglobulinas, cuyo mayor tamaño impide la eliminación renal. Amilasa

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Análisis Clínico II

Es una enzima hidrolasa que tiene la función de catalizar la reacción de hidrólisis de los enlaces 1-4 del componente α-amilasa al digerir el glucógeno y el almidón para formar azúcares simples. Tiene actividad a pH 7. La amilasa presente en sangre y en orina es predominantemente de origen pancreático y salival (isoenzimas P y S, respectivamente).Contienen al menos un átomo de calcio por molécula, este metal es necesario para su actividad catalítica. Determinación de amilasa total en suero y orina La amilasa es estable en suero y en orina una semana a temperatura ambiente, y refrigerada se mantiene estable por seis meses. Se puede conservar congelada por mucho más tiempo. No se debe medir en muestras de plasma anticoagulado con citrato u oxalato, ya que secuestran el calcio necesario para la actividad de la enzima. Existen numerosos métodos para medir la actividad de amilasa, basados en diferentes principios y en los cuales se utilizan diferentes sustratos. Los métodos utilizados en la actualidad son los métodos enzimáticos: •

Métodos enzimáticos que cuantifican la liberación de p-nitrofenol a partir de maltopentaosido de pnitrofenol y sustratos de hexaosido.

•

Métodos enzimáticos que cuantifican la liberación de 2-cloro-p-nitrofenol a partir del sustrato 2-cloropnitrofenil- α-D-maltotriosido (CNPG3). α-Amilasa (en la muestra)

CNPG3 (2-cloro-p-nitrofenil- α-D-maltotriosido)

→

2-Cloro-p-nitrofenol

La α-amilasa reacciona directamente con el CNPG3 para liberar 2-cloro-p-nitrofenol que es medido fotométricamente a 405 nm. El incremento en absorbancia a 405 nm es proporcional a la cantidad de α-amilasa en la muestra. Independientemente del método elegido debe evitarse la contaminación de la muestra con saliva, debido a que su contenido en amilasa es 700 veces superior al del suero. El fraccionamiento de las isoenzimas de amilasa puede realizarse por métodos de separación como la electroforesis, cromatografía. No es común el dosaje de las isoenzimas en nuestro medio. Interpretación clínica Se observan elevaciones de amilasa sérica y urinaria en una variedad de patologías: Pancreatitis aguda, su elevación en suero se produce dentro de las 6 a 48 hs siguientes al comienzo de la patología. La magnitud de su valor no tiene correlación con la gravedad de la enfermedad. La actividad retorna a valores normales en tres a cinco días, en formas leves de la enfermedad. La amilasa urinaria aumenta en pancreatitis aguda dentro de las primeras horas de la elevación sérica. Se pueden encontrar resultados falsos negativos en orina si la muestra se recoge muy pronto o muy tarde. •

Un 20% de los pacientes con pancreatitis tienen amilasemia normal.

•

Pacientes hiperlipidémicos con pancreatitis pueden tener valores normales de amilasa en suero y orina., los triglicéridos podrían inhibir la actividad de amilasa.

•

La amilasa puede aumentar en pacientes con carcinoma hepático.

•

Se eleva en el 60% de pacientes con cetoacidosis diabética.

•

Puede aumentar en pacientes con colecistitis o úlcera péptica, transplante renal, resección gástrica, hepatitis viral.

•

Amilasa aumentada en líquido ascítico puede ocurrir en: pancreatitis, roturas del conducto pancreático, cáncer de páncreas.

Lipasa Es una glucoproteína producida por el páncreas. Las lipasas son enzimas que hidrolizan ésteres de glicerol a ácidos grasos de cadena larga. Para su actividad catalítica completa necesita colipasa y sales ácidos biliares. La colipasa se produce en el páncreas y está presente en el suero, pero en cantidad insuficiente para activar la

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Telma Brich

lipasa, entonces para medir la actividad de la lipasa in vitro, el reactivo debe tener colipasa. El calcio es necesario para la máxima actividad de la lipasa, pero a altas concentraciones tiene efectos inhibidores. Los metales pesados actúan como inhibidores. Por su pequeño tamaño, la lipasa filtra por el glomérulo, pero se reabsorbe completamente, entonces no se encuentra en orina. Metodología. Determinación analítica La Lipasa pancreática humana cataliza una reacción de dos etapas: •

1-2-diglicerido se hidroliza a 2-monoglycerido y a los ácidos grasos.

•

2-monoglycerido es hidrolizado más a fondo por la lipasa del monoglicérido (MGLP) a glicerol y a los ácidos grasos.

•

El glicerol es cuantificado usando una reacción de GPO-Trinder.

•

Los cambios de la absorbancia se miden a 550nm.

Interpretación clínica Pancreatitis: Es la autolisis del parénquima del páncreas exocrino. Esto determina la liberación a la circulación de las 2 enzimas: la Lipasa Pancreática y la a-Amilasa. Las dos se filtran por el glomérulo renal pero la Lipasa se reabsorbe en el túbulo y la a-Amilasa sí aparece en orina. Para diagnosticar la pancreatitis aguda se determinan Lipasa y a-Amilasa en sangre y a-Amilasa en orina. Estas enzimas aparecen elevadas en el plasma a las 6-8 horas y alcanzan su máxima concentración entre las 20-30 horas, normalizándose entre el 2º-8º día. En la orina, la a-Amilasa aparece elevada a las 5-8 horas después de hacerlo en el plasma y se normaliza varios días después de normalizarse en el plasma. El aumento de lipasa no es específico de pancreatitis aguda, también se encuentra aumentada en pancreatitis crónica, obstrucción del conducto pancreático, enfermedades renales, colecistitis aguda, obstrucción o infarto intestinal, úlcera duodenal, enfermedad hepática, alcoholismo.

ENZIMAS HEPATICAS Función hepática: •

Almacenamiento de glucógeno

•

Síntesis de ácidos grasos (AG) y conversión a cetonas, formación de lipoproteínas, colesterol y fosfolípidos.

•

Síntesis de proteínas plasmáticas, conversión y desaminación de aminoácidos y formación de urea

•

Metabolismo y almacenamiento de vitaminas

•

Síntesis, liberación y degradación factores de coagulación

•

Catabolismo y excreción de hormonas

•

Detoxificación de sustancias endógenas (Bilirrubina), bacterias, subproductos y sustancias exógenas (fármacos)

•

Formación de bilis: secretora y excretora

282

Análisis Clínico II

La solicitud de “hepatograma” implica el análisis bioquímico de diferentes útiles en la evaluación del funcionamiento del hígado. La selección de las determinaciones que componen el hepatograma depende de las necesidades y de las posibilidades de cada laboratorio. Un hepatograma completo está compuesto por las siguientes determinaciones: •

Bilirrubina total y directa. (BT, BD)

•

Transaminasas (AST, ALT)

•

Fosfatasa alcalina (FAL)

•

Gama-glutamil transferasa (GGT)

•

Concentración de protrombina (TP-Quick)

•

Proteínas totales

•

Albúmina

Transaminasas Las transaminasas son enzimas que catalizan la transferencia reversible de un grupo amino entre un aminoácido y un cetoácido. Esta función es esencial para la producción de los aminoácidos necesarios para la síntesis de proteínas en el hígado. •

La aspartato aminotransferasa ( AST = glutámico oxalacético transaminasa = GOT ) se localiza sobre todo en la mitocondria y está presente en otros órganos, además del hígado, como son, en orden de concentración tisular, el miocardio, músculo esquelético, riñones, cerebro, páncreas, pulmón, leucocitos y eritrocitos.Vida media: 48 hs.

•

La alanina aminotransferasa (ALT = glutámico pirúvico transaminasa = GPT) se localiza fundamentalmente a nivel citosólico en el hepatocito, lo que explica su mayor especificidad. Vida media 18 hs

La elevación sérica de transaminasas se correlaciona con el vertido a la sangre del contenido enzimático de los hepatocitos afectados, aunque la elevación enzimática no puede relacionarse proporcionalmente con la gravedad de la lesión. La enfermedad hepática es la causa más importante del aumento de la actividad de la ALT y frecuente del aumento de la actividad de la AST. El P-5’-P es un cofactor necesario tanto para AST como para ALT Variaciones pre analítica •

AST aumenta en ejercicio en hombres, y ALT también pero en menor medida.

•

En individuos sanos, la ALT puede aparecer muy baja falsamente por la unión de su cofactor, P-5’-P, a proteínas plasmáticas.

•

La hemólisis aumenta los niveles de las dos Transaminasas debido a que la actividad de ambas en los eritrocitos es mayor que en el suero normal. El efecto es mayor para AST que para ALT.

Metodología: Determinación analítica Las dos enzimas se miden a través de reacciones acopladas midiéndose el consumo de NADH en la reacción Se mide espectrofotométricamente a una longitud de onda de 340 nm. Existe un método que es recomendado por la Federación Internacional de Química Clínica (IFCQ) pero no todas las pruebas comerciales lo siguen exactamente, lo que da lugar a una estandarización deficiente. GPT L-alanina + 2-oxoglutarato

→

Piruvato + L-glutamato

LDH Piruvato + NADH + H+

→

L-lactato + NAD+

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Telma Brich

GOT L-aspartato + 2-oxoglutarato →

Oxalacetato + L-glutamato MDH

Oxalacetato + NADH + H+

→

L-malato + NAD+

Las muestras para la medida de Transaminasas son estables de 12 a 24 hs, pero por la hemólisis, empiezan a aumentar pasado ese tiempo. La AST es estable en suero, refrigerada, hasta tres semanas, y congelada, indefinidamente. La ALT tiene una estabilidad similar refrigerada, pero congelada sufre descensos importantes al ser congelada. Interpretación clínica •

La causa más importante de aumento de ambas es el daño de los hepatocitos.

•

Cuando hay daño muscular existe mayor aumento de AST que ALT.

•

AST puede aumentar en pacientes con tumores malignos.

•

AST y ALT pueden tener valores engañosamente bajos en fallo renal, lo que podría enmascarar un daño hepático.

Fosfatasa alcalina (FAL) Es una enzima hidrolasa que produce desfosforilación de moléculas como nucleótidos, proteínas. La FAL sérica tiene varios orígenes (hígado, riñón, placenta, intestino, huesos, leucocitos), aunque los tejidos con mayor concentración son el hígado, los huesos y el intestino. Durante el crecimiento, los niveles séricos son altos debido al aumento de la fracción ósea, que produce actividad osteoblástica en el hueso. Lo mismo ocurre durante el embarazo, sobre todo en el tercer trimestre, en el que las elevaciones se deben a fosfatasa alcalina de origen placentario. La FAL tiene tres isoenzimas, una de origen placentario, una intestinal y una que se llama no placentaria/no intestinal. Para establecer el origen del aumento de la fosfatasa alcalina se recurre a la separación electroforética de sus isoenzimas la determinación de las fracciones termoestable (hepática) y termolábil (ósea), sometiendo l la muestra previamente a tratamiento térmico. Los métodos más utilizados de diferenciación de las diferentes isoenzimas son la electroforesis en geles de poliacrilamida y el isoelectroenfoque, que son capaces de resolver múltiples bandas de FAL. La modificación de la proporción de ambas fracciones permite conocer cuál es la responsable de la elevación de los niveles séricos. Sin embargo, en la práctica es suficiente efectuar una valoración indirecta, que consiste en la determinación de otras enzimas que se elevan en caso de colestasis, como la γGT o la 5-nucleotidasa. Rango de referencia Depende de la edad y del sexo: durante la niñez los niveles aumentan gradualmente hasta los diez años, llegando a tener valores tres a cuatro veces mayores que los de adultos a expensas de la FAL ósea, debido a que están en período de crecimiento. El embarazo hace que los niveles se dupliquen o tripliquen a expensas de la isoenzima placentaria. Variación pre analítica Un índice de masa corporal elevado favorece la elevación de la FAL. Los agentes antiepilépticos aumentan la FAL, principalmente la isoenzima hepática. Las transfusiones sanguíneas y la circulación extracorpórea, hacen que disminuya la FAL, probablemente debido a quelación de los cationes necesarios para su acción por el citrato que se incorpora a la bolsa para mantenerla anticoagulada. Metodología: Determinación analítica La fosfatasa alcalina hidroliza el p-NPP para formar el cromógeno amarillo p-nitrofenol de acuerdo a 284

Análisis Clínico II

Fosfatasa alcalina Fosfato de p-nitrofenilo + H2O

→

p-Nitrofenol + HPO4 2– + 2H+

La velocidad de aumento de la absorbancia de la mezcla de reacción debido a la formación del p-nitrofenol, es proporcional a la actividad de la fosfatasa alcalina. Se lee fotométricamente a 415 nm. El zinc es un activador de la enzima. Los quelantes utilizados para evitar la coagulación de la sangre (EDTA, citrato, oxalato), disminuyen de falsamente la actividad de FAL. Interpretación clínica •

Se encuentra aumentada en enfermedades de hígado y hueso.

•

La colestasis produce una elevación mayor que los trastornos hepatocelulares.

•

Un aumento de la actividad del hueso produce aumentos de FAL, como enfermedad de Paget, osteosarcoma, tumores metastáticos en hueso, y enfermedades metabólicas del hueso.

•

Pacientes con diabetes, fallo renal, cirrosis, hospitalización prolongada, pueden tener aumentos de la FAL a expensas de la isoenzima intestinal.

•

Pacientes con tumores malignos pueden tener valores elevados de FAL, isoenzima placentaria, principalmente se observa en tumores de células germinales.

•

Se pueden encontrar niveles bajos de FAL en deficiencia de zinc, que es un cofactor de la enzima.

Evolución de GO, GPT,FAL luego de una lesión del hepatocito. Gammaglutamil transpeptidasa (γ GT) La GGT cataliza la transferencia del grupo γ-glutamilo desde un péptido u otro compuesto a sí misma, a otros péptidos, a aminoácidos o al agua. La enzima está, generalmente, unida a la membrana plasmática de las células en el lado canalicular, del hígado, los túbulos renales proximales, las células epiteliales intestinales y las de próstata.

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Existen varias isoenzimas pero la que contribuye en mucha mayor proporción a la actividad en plasma es la hepática. Rangos de referencia La γGT aumenta en la mayoría de las enfermedades del hígado, por lo que su especificidad es escasa. La γGT es una enzima sumamente sensible, aumenta en menor o mayor grado en todas las hepatobiliopatías, los mayores aumentos se ven en procesos obstructivos. Los aumentos más importantes se observan en procesos tumorales, en la colestasis por proliferación de conductillos biliares, además su síntesis es inducida por el alcohol y también por barbitúricos Tener en cuenta estos 2 factores cuando se solicita su determinación. La γGT es un parámetro muy útil para el control de los pacientes alcohólicos, aunque también pueden traducir la exposición a tóxicos industriales. La interrupción del consumo de alcohol, en ausencia de otras causas de inducción enzimática, es seguida de una reducción inmediata de los valores plasmáticos de γGT. Metodología. Determinación analítica γ GT σ glutamil 3 carboxi 4 nitranilida + glicilglicina nitrobenzoato

→

lσ glutamilglicinglicina + 5 amino 2

Método enzimático cinético colorimétrico, medición fotométrica de la absorbancia. Interpretación clínica Aumentada principalmente para la evaluación del daño hepático •

Hepatitis alcohólica

•

Cirrosis

•

Tumor metastático de hígado

•

Colestasis intrahepática

•

Obstrucción extrahepática

•

Hepatitis crónica

•

Cáncer hepático primario

Correlaciones clínicopatológicas Hepatitis víricas agudas: están aumentadas la ALT (GPT), AST (GOT) y GGT. La que aumenta en mayor cantidad es la ALT. Las transaminasas se normalizan en un plazo de 3-5 semanas. Si la hepatitis cronifica no se normalizan. Si la hepatitis es fulminante las transaminasas descienden de forma brusca debido a la necrosis masiva del hígado que hace que no quede tejido hepático para liberar enzimas. Colestasis: es una obstrucción a nivel biliar que determina un estancamiento o estasis de la bilis en el interior del hígado. Se elevan sobre todo la GGT y la Fosfatasa Alcalina. Etilismo crónico: se eleva GGT en plasma. Cirrosis hepática: hay una elevación moderada de las transaminasas, siendo mayor el aumento de la AST que de la ALT. Si la cirrosis es de origen etílico estará también aumentada la GGT y si es de origen biliar estarán aumentadas las Fosfatasa Alcalina. Neoplasias

Cáncer de Próstata: aumenta la Fosfatasa Ácida total pero no es un marcador precoz de la enfermedad porque aumenta cuando ya hay metástasis



Metástasis hepáticas: aumenta la Fosfatasa Alcalina y la GGT

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Análisis Clínico II

ANEXO: BILIRRUBINA Método: espectrofotometría Espectrofotometría directa 540 y 454 nm Muestra: suero o plasma. Evitar exposición directa a la luz solar, el valor decae un 30 % en una hora. Significado clínico: La bilirrubina es un compuesto pigmentado, producido por degradación de los grupos hemo de la hemoglobina en las células del sistema retículo endotelial (médula ósea, bazo e hígado). Es un producto de desecho. La bilirrubina como tal se une a la albúmina. Este complejo se disocia y la bilirrubina sola, penetra en la célula hepática. Ahí se conjuga (bilirrubina de reacción directa) con ácido glucurónico formando un mono y di glucurónido, por acción de la UDP glucuronil transferasa, o en menor medida con grupos sulfatos, para luego ser excreta a los canalículos biliares por un proceso activo contra un gradiente de concentración. Por medio de la circulación biliar se dirige hacia la luz intestinal. El glucuronato de bilirrubina puede ser excretado en las heces o metabolizado a urobilinógeno por las bacterias. El urobilinógeno es reabsorbido en el intestino delgado a la sangre de la vena porta y así, entra en la circulación enterohepática. Una porción del urobilinógeno es re excretada en la bilis por el hígado, mientras que el resto lo es en la orina. La bilirrubina no conjugada, (libre o indirecta) estando íntimamente ligada a la albúmina, no es filtrada por los glomérulos renales. La bilirrubina conjugada filtra a través de los glomérulos, y aparece en la orina. Utilidad clínica Evaluación de ictericias. La hiperbilirrubinemia es un síntoma y clínicamente causa ictericia, si su valor aumenta > 4 mg/dl en adultos o > 2.5 mg/dl en recién nacidos y niños. Aumento: En ictericias de origen pre hepático como anemias de tipo hemolítico, ictericia fisiológica del recién nacido, incompatibilidad RH y ABO. Ictericias intrahepáticas con daño tóxico, autoinmune o infeccioso del parénquima hepático como las hepatitis virales agudas o crónicas. Tumores primitivos de hígado, metástasis, y causas medicamentosas. Trastornos propios del metabolismo de la bilirrubina (Grigler-Najar, Gilbert) Ictericias pos hepáticas obstructivas debido a la obstrucción mecánica del árbol biliar o por compresión del cáncer de cabeza de páncreas.

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Análisis Clínico II

15 Sistema Endocrino El sistema endocrino se compone anatómicamente por glándulas de secreción interna y representa un conjunto de órganos y tejidos que segregan sustancias que actúan como señales químicas, hormonas, que regulan y controlan las funciones metabólicas del organismo. El sistema endocrino está constituido por una serie de glándulas carentes de ductos con gran irrigación sanguínea y presencia de vacuolas intracelulares donde almacenan las hormonas. Está compuesto por: Hipófisis Glándula tiroides y paratiroides Glándula suprarrenal Gónadas Las glándulas exocrinas como las salivales, las del páncreas tienen como característica la escasa irrigación y poseen un conducto o liberan las sustancias a una cavidad. Aparte de las glándulas endocrinas especializadas para tal fin, existen otros órganos que tiene una función endocrina secundaria, tales como: Hipotálamo, conformado por neuronas y que sintetizan y secretan a las hormonas liberadoras (GnRH, TRH, CRH, GHRH.), o las hormonas inhibidoras (Somatostatina, Dopamina). Corazón que sintetiza y secreta la hormona atrial natriurética. Pulmón que secreta serotonina y endorfina. Riñón que produce eritropoyetina y renina. Hígado que sintetiza el factor de crecimiento similar a insulina (IGF). Tejido adiposo que produce leptina. Sistema endócrino y Sistema Nervioso Central El sistema endocrino mantiene una estrecha relación con el sistema nervioso a través del hipotálamo que, anatómicamente es parte del sistema nervioso central, constituyendo ambos el sistema neuroendocrino. La actividad del sistema endocrino se realiza a través de las hormonas mientras que la del sistema nervioso central es a través de los neurotransmisores. El lugar de acción de un neurotransmisor o de una hormona se denomina órgano blanco o diana. La forma de acción en el órgano blanco es directa en el sistema nervioso en el espacio intersináptico, e indirecta en el sistema endocrino a través de la vía sanguínea. Transmisión química Transmisión Neurocrina Es la que ocurre en el sistema nervioso a través de la liberación de sustancias químicas denominadas neurotransmisores, al espacio intersináptico y que se une a un receptor post-sináptico modificando la actividad metabólica de la célula post-sináptica.

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Transmisión Endocrina. Es la que ocurre en el sistema endocrino a través de la liberación de sustancias químicas denominadas hormonas, que actúan a distancia sobre una célula efectora. Transmisión Neuroendocrina o por sinapsis Es la que ocurre por la liberación de sustancias químicas (neurohormonas) en los terminales nerviosos hacia la circulación, y actúan a distancia sobre una célula efectora. El ejemplo clásico es la secreción de las neurohormonas (hormonas liberadoras e inhibidoras) del hipotálamo a la eminencia media y que a través de la vía sanguínea porta-hipofisiaria se van a trasladar a la hipófisis anterior donde van a actuar. Transmisión paracrina. Es la transmisión que ocurre entre dos células adyacentes, donde una de las células secreta la sustancia (parahormona), que actúa por difusión en la célula vecina modificando su función. En este caso no hay participación de la vía sanguínea. Transmisión autocrina Es cuando una sustancia química actúa sobre la misma célula que la produce para regular su secreción. Fig. 1. Tipos de comunicación celular

HORMONAS Las hormonas son compuestos químicos secretados en mínimas concentraciones al torrente sanguíneo por células específicas (pueden ser glándulas endocrinas clásicas o no), y que actúan en células distantes al lugar de origen, donde se unen a receptores específicos produciendo una respuesta biológica. Existen sustancias que simulan el efecto de una hormona pero no son hormonas como por ejemplo la glucosa, los ácidos grasos no esterificados, y las prostaglandinas. La glucosa actúa sobre el páncreas, en un receptor específico, el efecto es la liberación de insulina, pero no es hormona porque actúa en altas concentraciones (miligramos), en tanto que las hormonas actúan a mínimas concentraciones: picogramos (10-12 g) y nanogramos (10-9 g). La misma situación ocurre para los ácidos grasos no esterificados, cuya liberación produce inhibición de la secreción de hormona del crecimiento por la hipófisis.

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Análisis Clínico II

Muchas de las hormonas secretadas por las células endocrinas son secretadas en forma inactiva (precursoras) y requieren transformarse en otra molécula para tener actividad biológica. Por ejemplo, la tiroxina (T4) secretada por la glándula tiroides requiere perder un iodo y transformarse en tri-iodotironina (T3) para ser biológicamente activa. Las hormonas esteroideas (andrógenos, estrógenos, progesterona, corticoides) y las tiroideas circulan en la sangre tanto unida a una proteína transportadora como en forma libre, siendo ésta la biológicamente activa. Generalmente las determinaciones hormonales se refieren a la concentración total (hormona libre + hormona ligada a la proteína), y no siempre una alteración en los niveles de la hormona total refleja una alteración de la fracción libre, puesto que existen muchas situaciones en que se afecta la concentración de la proteína ligadora sin que necesariamente ocurra una disfunción hormonal. Un ejemplo, es el incremento de la globulina ligadora de tiroxina (TBG) por acción de los estrógenos durante el embarazo; la tiroxina total se incrementa pero no la fracción libre. Clasificación de las hormonas Según su estructura química la hormonas pueden ser aminas, péptidos, proteínas o esteroides. Aminas Hipotalámica: Dopamina Tiroideas: Tri-iodotironina (T3) y Tiroxina (T4) Péptidos Hormonas hipotalámicas: Hormona liberadora de corticotrofina (CRH), Hormona liberadora de hormona del crecimiento (GHRH), Hormona liberadora de gonadotrofinas (GnRH), Hormona liberadora de tirotrofina (TRH), Somatostatina. Hormonas hipofisiarias: Corticotrofina (ACTH), Hormona antidiurética (ADH), Oxitocina. Hormonas pancreáticas: Glucagón, Insulina, Somatostatina. Hormonas reguladoras del calcio: Tirocalcitonina, Paratohormona. (PTH) Hormona del corazón: Hormona atrial natriurética. Proteínas Hormonas hipofisiarias proteicas: Tirotrofina (TSH), Hormona del crecimiento, Prolactina (PRL) Hormonas hipofisiarias glicoproteicas: Hormona luteinizante (LH), Hormona folículo estimulante (FSH), y Tirotrofina (TSH) Hormonas placentarias: Hormona gonadotrofina coriónica (hCG) Esteroideas Hormonas de la corteza adrenal Aldosterona Cortisol y corticosterona Dehidroepiandrosterona Dehidroepiandrosterona sulfato Androstenediona Hormonas ováricas Estrógenos (estrona, estradiol y estriol) Progesterona Hormonas testiculares Testosterona Dihidrotestosterona Estradiol

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RECEPTORES HORMONALES La especificidad de la acción hormonal reside en la presencia de receptores en el órgano blanco para reconocer específicamente su señal. Los receptores son proteínas cuya cantidad o afinidad pueden modificarse de acuerdo a ciertas circunstancias. Estos pueden ser: •

De membrana,

•

Citoplásmicos

•

Nucleares.

Las hormonas que por su tamaño no pueden entrar a la célula o aquellas que no son liposolubles se unen a receptores de membrana. Las proteínas no pueden atravesar la membrana por su tamaño, en tanto que los esteroides que son moléculas pequeñas y liposolubles si la atraviesan. Las hormonas amínicas, peptídicas y las proteicas se unen a receptores de membrana, y las hormonas esteroideas lo hacen a receptores intracelulares. Mecanismo de acción hormonal La respuesta a la acción de una hormona puede generar: •

Función: se refiere al propósito o utilidad de la hormona respecto a la regulación metabólica o a los cambios metabólicos que produce.

•

Mecanismo de acción: es como una hormona interactúa con un receptor específico y todos los eventos intracelulares que desarrolla que conllevarán al efecto biológico.

•

Efecto biológico: es la respuesta medible que produce la hormona sobre un órgano.

Mecanismo de acción para hormonas con receptores de membrana. (Fig. 2) Las hormonas con receptores de membrana actúan produciendo a nivel intracelular sustancias denominadas “segundo mensajeros”. Un segundo mensajero es una sustancia cuya concentración aumenta intracelularmente en respuesta a la hormona primaria (primer mensajero). Su función es la de llevar la señal hormonal al interior de la célula, con la finalidad de traducirla en acción biológica. Los segundos mensajeros actúan fosforilando proteínas que a su vez van a actuar sobre porciones específicas del DNA para inducir o reprimir la síntesis de la proteína que producirá el efecto de respuesta. Entre los segundos mensajeros tenemos: el AMP cíclico, el GMP cíclico, el ión calcio, el ión calcio unido a la calmodulina, etc

Mecanismo de acción para hormonas con receptores intracelulares (Fig 3)

A diferencia de las hormonas peptídicas, que debido a su peso molecular no pueden penetrar a la célula, los esteroides y las hormonas tiroideas, por su bajo peso molecular y por su naturaleza lipofílica atraviesan con facilidad la membrana citoplasmática. Aunque los esteroides y las hormonas tiroideas pueden penetrar a todas las células del organismo, sólo aquellas células que contienen receptores específicos expresarán una respuesta. Los esteroides circulan en el torrente sanguíneo en forma libre o ligada a proteínas séricas, como la globulina ligadora de hormonas sexuales (SHBG), y la albúmina. En las células del órgano blanco, los esteroides ingresan por difusión El esteroide, permanece dentro de la célula por un tiempo largo, por lo que puede mantener una concentración intracelular aumentada, a pesar de que los niveles plasmáticos vayan disminuyendo.

292

Análisis Clínico II

El receptor está ubicado dentro del núcleo, y la unión del esteroide al receptor induce a un cambio conformacional del receptor que mejora su afinidad para secuencias específicas en el DNA. Esto induce a cambios en la expresión genética que se traduce en la síntesis de proteína.

Figura 3

Figura 2

Fuente Internet http://www.uprm.edu/biology/profs/velez/endocrino.htm SISTEMA DE REGULACION HORMONAL-EJES El sistema hormonal se organiza en ejes en los que hay una regulación superior, conformado por el sistema nervioso central (SNC), que a través de una regulación neurocrina actúa sobre el hipotalálamo. El hipotálamo se comunica con la glándula hipófisis que se interrelaciona con las glándulas satélites: •

Eje SNC-hipotálamo-hipófiso-gonadal

•

Eje SNC-hipotálamo-hipófiso-tiroides

•

Eje SNC-hipotálamo-hipófiso-córtico adrenal.

Regulación directa La regulación directa es la que ocurre de una glándula superior a otra inferior. Ej. Glándula A regula directamente la secreción de la glándula B; por ejemplo, la hipófisis que secreta la hormona Tirotrofina (TSH) estimula la secreción de la Tiroxina y Triiodotironina por la Tiroides. Retroalimentación La retroalimentación es la regulación a partir de una glándula del nivel inferior hacia la glándula que la estimula y que está en un nivel superior. Este sistema permite mantener el equilibrio en la secreción hormonal para evitar la sobre-estimulación de la glándula inferior. Por ejemplo, la hipófisis secreta hormona del crecimiento (GH) que actúa sobre el hígado produciendo, el factor de crecimiento similar a insulina o IGF-I, que actúa sobre el órgano blanco que son los huesos. Si no ocurriera retroalimentación, la GH seguiría actuando y se produciría crecimiento desmesurado del hueso (gigantismo). •

Retroalimentación negativa o feed- back negativo.

La retroalimentación es negativa cuando hay un efecto de inhibición de la secreción. Por ejemplo, la hormona luteinizante (LH) estimula en las células testiculares la producción de testosterona, la cual al aumentar su concentración sanguínea inhibe la secreción de LH por la hipófisis.

293

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•

Retroalimentación positiva

La retroalimentación es positiva cuando el mecanismo es de estimulación de la glándula del nivel superior. Este mecanismo es poco frecuente.

HIPOTÁLAMO Es una parte del SNC, ubicado por debajo del tálamo y por encima de la hipófisis, formada por células neuroendocrinas, que actúan en respuesta a estímulos nerviosos, sintetizando y secretar hormonas o factores estimulantes o inhibidoras de la hipófisis. Estas hormonas viajan por vía nerviosa al lóbulo posterior de la hipófisis donde se almacenan hasta su secreción. Se distinguen diferentes tipos de neuronas secretoras (núcleos neuronales) que se relacionan con el mantenimiento de la temperatura corporal, y la conducta, como la alimentación (hambre y saciedad), ingesta de líquidos (sed), memoria, conducta emocional, función simpática y ritmo circadiano. El hipotálamo, en cuanto órgano endocrino, libera factores liberadores o inhibidores a la sangre, pero también produce neurohormonas listas para su secreción. Neurohormonas •

ADH (Hormona antidiurética o Vasopresina)

•

Oxitocina

Factores que regulan la secreción de hormonas hipofisarias. •

GnRH, LHRH o LHRF (Hormona liberadora de gonadotrofinas). Actúa sobre la hipófisis, estimulando la producción y la liberación de la hormona luteinizante (LH) y la hormona foliculoestimulante (FSH).

•

TRH (Hormona liberadora de tirotrofina) Estimula la secreción de prolactina (PRL) y de tirotropina (TSH).

•

CRH o CRF (Hormona liberadora de corticotrofina). Estimula la liberación de adrenocorticotropina (ACTH).

•

calibriGIH (Somatostatina u hormona inhibidora de la liberación de somatotrofina). Como su nombre indica, inhibe la secreción de somatotrofina y de otras hormonas como la insulina, el glucagón.

•

PIF (Factor inhibidor de la liberación de prolactina). Actúa inhibiendo la secreción de prolactina hipofisaria.

HIPOFISIS Lóbulo anterior o adenohipófisis: Producción de las siguientes hormonas: • ACTH: Hormona Corticotropa. Estimula la secreción de glucocorticoides (Cortisol) actuando sobre la corteza suprarrenal. •

TSH: Hormona Tirotropa. Producción de hormonas tiroideas T3 y T4 por estímulo sobre la glándula tiroidea.

•

FSH: Hormona Folículo estimulante. Actúa sobre los tubos seminíferos estimulando la producción de espermatozoides. Madura el folículo, estimula la producción de estrógenos y estimula la proliferación del endometrio, en mujeres. 294

Análisis Clínico II

•

LH: Hormona Lutinizante. Estimula la producción de testosterona en hombres. En mujeres determinan la ovulación, el mantenimiento del cuerpo y la producción de estrógenos y progesterona.

•

GH: Hormona del crecimiento.

•

PROLACTINA: Hormona estimuladora de la secreción de leche.

Hipófisis media Produce dos polipéptidos llamados melanotrofinas u hormonas estimulantes de los melanocitos, que inducen el aumento de la síntesis de melanina de las células de la piel. Lóbulo posterior o neurohipófisis Almacena a las hormonas ADH y oxitocina secretadas por las fibras amielínicas de los núcleos supraópticos y paraventriculares de las neuronas del hipotálamo. ADH o Vasopresina (Hormona Antidiurética): La ADH (hormona antidiurética) o vasopresina, se acumula en la neurohipófisis, regula el balance de agua en el cuerpo actuando sobre los riñones. La disfunción del hipotálamo en la producción de ADH causa diabetes insípida. Oxitocina: Se produce por el hipotálamo y se almacena y libera por la neurohipófisis. Está relacionada con los patrones sexuales y con la conducta maternal. Se libera en grandes cantidades tras la distensión del cuello uterino y la vagina durante el parto, así como en respuesta a la estimulación del pezón por la succión del bebé, facilitando por tanto el parto y la lactancia. Esquema del eje Hipotálamo- Hipófisis Fuente Internet genomasur.com/BCH/BCH_libro Fisiopatología Hipófisis anterior:

Hiperfunción primaria: Se produce por una lesión a nivel de la glándula hipofisaria. Causas:

Hipergonadismo: Por un aumento de la FSH y LH. Síndrome de Cushing: Por un aumento de la ACTH Gigantismo- Acromegalia: Por un aumento de la GH: en los niños, antes del cierre epifisario (epífisis: cartílago del crecimiento) se produce el gigantismo hipofisario en el que hay un aumento de la talla armónico. En el adulto, se da una patología llamada acromegalia, que es un crecimiento excesivo de huesos y vísceras. Galactorrea: Por un exceso de Prolactina: se produce galactorrea (salida de leche) y amenorrea. Hiperfunción secundaria Se producen aumentos de las hormonas hipofisarias, consecuencia de la disminución de las hormonas de las glándulas hipofiso-dependientes.

295

Telma Brich

Hipofunción primaria Enanismo hipofisario: Descenso de la GH: Descenso de la FSH y LH: Hipogonadismo. Panhipopituitarismo: disminución global de todas las hormonas hipofisarias. Hipófisis posterior Diabetes insípida que se produce por una disminución de la ADH Síndrome de Schwantz-Bartter que se produce por un aumento de la secreción de la ADH. Se suele producir por un tumor pulmonar que secreta un polipéptido semejante a la ADH. Prolactina La prolactina es una hormona peptídica segregada por la parte anterior de la hipófisis, la adenohipófisis, que estimula la producción de leche en las glándulas mamarias y la síntesis de progesterona en el cuerpo lúteo. Las hormonas que estimulan su secreción son: los Estrógenos, la Progesterona y la GH. Es uno de los pocos sistemas fisiológicos que poseen retroalimentación positiva, de forma que la presencia de prolactina en el organismo favorece su producción. La prolactina generalmente se mide cuando buscan tumores hipofisarios y la causa de: •

Producción de leche en las mamas que no tiene relación con un parto (galactorrea)

•

Impotencia

•

Infertilidad

•

Períodos menstruales irregulares o amenorrea.

Consideraciones pre analíticas Medicamentos que pueden elevar los niveles de prolactina: •

Antidepresivos

•

Estrógenos

•

Bloqueadores

•

Metildopa

•

Fenotiazinas

•

Reserpina

•

Risperidona

Factores pueden incrementar temporalmente los niveles de prolactina: •

Estrés físico o emocional.

•

Comidas ricas en proteínas

•

Estimulación mamaria intensa

•

Análisis de mamas reciente

•

Ejercicio reciente

296

Análisis Clínico II

Hormona de crecimiento y Somatomedinas La hormona de crecimiento (hGH) es un polipéptido producido por el lóbulo anterior de la hipófisis. Su secreción es estimulado por GH-RF (factor liberador de la hGH) secretado por el hipotálamo. Su secreción es pulsátil y es máxima en la primera fase del sueño. Ejerce acción fisiológica, con un máximo durante la adolescencia, a través de los factores de crecimiento llamados “Somatomedinas” siendo el más importante la Somatomedina C o IGF1. Se producen en todos los tejidos, pero sobre todo en el hígado. Función: Acción Directa: Acción anti insulina. Provoca un aumento de la Glucemia y un aumento de la Lipemia. Acción Indirecta: La realiza a través de las somatomedinas y estimula el crecimiento esquelético, la síntesis de proteínas y la diferenciación celular. Regulación: El hipotálamo segrega el factor liberador de la GH (GR.) que actúa sobre el lóbulo anterior de la hipófisis para que se sintetice y libere GH. Las somatomedinas ejercen un Feed-Back negativo sobre la hipófisis y el hipotálamo. ↑ Glucemia ↑ Síntesis proteica

Eje somatotofico

↑ AGL LIPOLISIS ↑ Crecimiento muscular y esquelético

Fisiopatología Hiperproducción de hGH .Acromegalia: Es causado por tumores hipofisarios, en general benignos, pero cuyo inconveniente es la producción constante y prolongada de hGH produciendo engrosamiento de los huesos de la mandíbula, manos y pies, Diabetes tipo II, debilidad muscular. Cuando estos tumores se presentan durante la infancia, antes del cierre de las epífisis de los huesos largos produce un crecimiento desmedido, situación clínica conocida como gigantismo. Deficiencia de hGH: En niños, las manifestaciones principales de la deficiencia de hGH son la falta de crecimiento y baja estatura, incluyendo en algunas oportunidades malformaciones congénitas. Evaluación bioquímica Determinación de IGF-1 en plasma Las concentraciones plasmáticas de IGF-1 se determinan mediante inmunoanálisis que pueden ser competitivos, o más frecuentemente inmunométricos. El principal problema que presenta la determinación de IGF deriva de su unión a proteínas transportadoras de alta afinidad que interfieren en la unión con los anticuerpos del inmunoanálisis. Se utilizan diferentes métodos de extracción para separar las IGF de sus proteínas transportadoras. La medida de la concentración plasmática de IGF-1 es el marcador bioquímico utilizado en el diagnóstico y la monitorización del tratamiento tanto del déficit de hGH como de la acromegalia. Ante la sospecha de déficit de GH basada en datos clínicos (talla baja y velocidad de crecimiento disminuida en los niños; presencia de adenoma u otra lesión hipofisaria en el adulto), el diagnóstico se realiza fundamentalmente sobre la base de la falta de respuesta de la hGH a las pruebas de estimulación. 297

Telma Brich

El hallazgo de concentraciones de IGF-1 por debajo del rango normal en pacientes con sospecha de déficit de hGH apoya el diagnóstico, si se excluye otras causas conocidas de descenso de las concentraciones de IGF-1 sérico como las hepatopatías, la desnutrición, la diabetes mellitus mal controlada o el hipotiroidismo. Prueba de estímulo para hGH La secreción de hGH por pruebas de estímulo se considera como test de elección para el diagnóstico de insuficiencia de hGH, aunque es conveniente asociarla con los resultados obtenidos de IGF1. El estímulo se realiza administrando al paciente una solución de arginina, insulina o clonidina. En esta prueba de estímulo de hGH se espera encontrar normalmente niveles elevados a los 30 minutos post estímulo. En algunas oportunidades el resultado no es fácil de interpretar debido al rimo pulsátil de secreción hormonal, entonces, la evaluación de la prueba considera como suficiente para diagnóstico que alguno de sus valores incluido el basal se detecten niveles superiores a 7.0 ng/ml. Prueba de supresión con glucosa de la secreción de hGH En individuos normales la concentración de hGH disminuye luego de la ingestión de una solución de glucosa, situación que no se produce frente a una acromegalia. La prueba es semejante a la prueba de tolerancia oral a la glucosa. Se le administra al paciente una solución de glucosa en agua y se le hacen extracciones a los 30’,60´’ y 120´’ para dosar hCG y glucemia. Interpretación: En individuos normales el nivel de hCG descenderá un 50% respecto al nivel basal. Metodología: Se determinan por Inmunoanálisis: Quimioluminiscencia.

GLANDULAS PERIFERICAS TIROIDES La glándula tiroidea está situada en la cara interior del cuello y está integrada por dos lóbulos laterales unidos por un istmo. La unidad funcional son los folículos tiroideos. Cada folículo está formado por una sola capa de células que rodea a una cavidad que contiene una proteína llamada tiroglobulina (TG) Glándula tiroides .Ubicación Fuente Internet genomasur.com/BCH/BCH_libro

298

Análisis Clínico II

El folículo capta el yodo inorgánico y se une a un aminoácido tirosina de la tiroglobulina, dando lugar a la formación de Diyodotironina (DIT) La unión de dos moléculas de DIT da lugar a la T4 o Tiroxina. La unión de una molécula de DIT con una molécula de MIT (monoyodotironina) da lugar a la formación de T3 o Triyodotironina. La glándula tiroides sintetiza una proporción mayor de T4 respecto de T3. El transporte por circulación hacia el tejido blanco se realiza por una proteína hepática llamada TBG. En la célula diana, la T4 se transforma en T3 que es la forma metabólicamente activa. Funciones de las hormonas tiroideas •

Mielinización del SNC

•

Desarrollo fetal

•

Consumo de O2 y producción de calor.

•

Contracción diastólica del corazón

•

Incrementa contenido de 2, 3DPG en eritrocitos

•

Estimula motilidad intestinal

•

Estimula crecimiento esquelético y reabsorción ósea

•

Aumenta la contracción muscular esquelética

•

Estimula la gluconeogenesis y glucogenolisis hepática

•

Aumenta los receptores LDL hepáticos e incrementa la lipolisis.

Regulación eje Hipotálamo- Hipofiso Tiroideo. Retroalimentación. Fisiopatología • • •

La disminución de T3 y T4 por disminución de su producción en la glándula tiroides, producirá sobrestimulación de hipófisis e hipotálamo con aumento de TRH y TSH. (Hipotiroidismo primario) La disminución de T3 y T4 por alteración hipofisaria, será debido una disminución de TSH que estimulará la producción hipotalámica de TRH (Hipotiroidismo secundario). Si aumenta la T3 y T4 por patología tiroidea, la TRH y la TSH estarán inhibidas (Hipertiroidismo) 299

Telma Brich

Hipotiroidismo Causas de hipotiroidismo: •

Falta de yodo

•

Déficit congénito enzimático

•

Consecuencia de tratamiento del hipertiroidismo con yodo radiactivo o cirugía

•

Enfermedad autoinmune :Tiroiditis de Hashimoto

Síntomas Pulso lento, voz ronca, habla lenta, caída de pelo y cejas, parpados caídos, intolerancia al frió, estreñimiento, aumento de peso, cabellos y piel seca, síndrome del túnel carpiano, depresión, demencia. Hipertiroidismo Causas de hipertiroidismo  Enfermedad autoinmune (Graves: se producen Ac anti receptor estimulantes de TSH en la tiroides)  Bocio multinodular toxico o bocio hipertrófico.  Hipertiroidismo secundario por tumor hipofisario. Síntomas Aumento del metabolismo general del organismo, frecuencia cardíaca, hipertensión arterial, sudor, escalofríos y temblor, nerviosismo, pérdida de peso, insomnio, movimiento intestinal, diarrea, debilidad, ojos saltones y enrojecidos (exoftalmia), mirada fija. Estudio bioquímico de la función tiroidea Determinaciones basales: •

Determinación de hormonas tiroideas T3, T4, T4 libre e hipofisaria, TSH.

•

Determinación de Tiroglobulina.Es una hormona intratiroidea, por tanto su determinación tiene significado clínico en un a tiroiditis parar comprobar el grado de daño glandular y en el caso de una tiroidectomía para medir la posible presencia de metástasis.

•

Determinación de Ac anti-tiroideos: Ac anti tiroglobulina y Ac anti Peroxidasa.

•

Determinación de LATS: Ac estimulantes de tiroides.

•

Determinación de TBG o TBII. Proteína transportadora de TG. La determinación de su concentración evidencia un posible error genético en la síntesis de esta proteína transportadora.

•

Determinación de TRAB. Ac anti receptor de TSH.

En el laboratorio clínico se utiliza metodologías que permitan detectar concentraciones muy bajas (en el orden de los nanogramos), por tanto deben ser de gran sensibilidad y especificidad. Habitualmente el dosaje de estas hormonas y anticuerpos se utilizan Inmunoanálisis competitivos y no competitivos como: Quimioluminiscencia (MEIA), Electroquimioluminiscencia, y RIA. Consideraciones pre analíticas: •

Horario de extracción :hasta 10 am (ritmo circadiano)

•

Pacientes internados el valor basal de TSH se encuentra habitualmente aumentado.

•

No tomar levotiroxina antes de la extracción.

•

No realizar diluciones de la muestra (se altera el equilibrio: libre – unida a proteínas de transporte) T4 Libre (0,03%) VS T4 Unida a TBG (99,97%)

300

Análisis Clínico II

Pruebas funcionales: Prueba de estímulo con TRH ® se administra por vía intravenosa una dosis adecuada de TRH sintético. Se hace una toma basal previa y extracciones a los 25 minutos de la administración y se cuantifica TSH. Interpretación: se alcanza un valor máximo a los 25 minutos, interpretándose que un aumento de 5 veces el valor basal de TSH indica buena respuesta hipofisaria. Pesquisa neonatal del Hipotiroidismo congénito El Programa de Pesquisa Neonatal (PPN) fue creado en el año 2000 por el Ministerio de Salud del Gobierno de la Ciudad. La misión principal del Programa es prevenir, mediante el diagnóstico y tratamiento precoz de patologías neonatales inaparentes, el daño irreversible ocasionado por la enfermedad. El hipotiroidismo congénito, la fenilcetonuria, la galactosemia y la deficiencia de biotinidasa son enfermedades que producen retraso mental grave además de otras patologías. •

Prevalencia 1:4000

•

Valor crítico obtenido en el neonato :TSH>20 uUI/ml

Existen sustancias que atraviesan placenta que producen hipotiroidismo congénito transitorio.

•

Iodo

•

Drogas anti tiroideas

•

Beta bloqueantes.

•

Litio.

GLANDULA SUPRARRENAL Las glándulas suprarrenales son dos glándulas situadas en los polos superiores de ambos riñones. Se dividen en dos zonas diferentes tanto anatómica como funcionalmente, que son la Corteza y la Médula Suprarrenal. Corteza suprarrenal

301

Telma Brich

Secreta hormonas esteroideas y se evidencia a su vez tres zonas: •

Zona Glomerular: Producen mineracorticoides como la Aldosterona. Regula el balance hídrico: Produce aumento de la volemia y la retención de Na+ y agua actuando sobre el tejido blanco que es el riñón y favorece la eliminación de potasio.

•

Zona Fasciculada: produce los glucocorticoides como el Cortisol. Tiene un ritmo circadiano con un máximo de concentración a las 8 am., y mínimo a las 8 pm. La secreción de cortisol está regulada por la ACTH. Regula los niveles de glucosa en período de ayuno mediante un proceso de neoglucogénesis a partir de las proteínas, lipólisis. Es antiinflamatorio, inmunosupresor.

•

Zona Reticular: Produce andrógenos: Androsterona y Dehidroepiandrosterona. Intervienen en desencadenar la pubertad.

Médula suprarrenal Segrega las catecolaminas Adrenalina (A) y la Noradrenalina (NA). Se sintetizan a partir de Tiros La degradación de catecolaminas da lugar al ácido vainillimandélico que se elimina por via renal. La Noradrenalina interviene en la contracción de las arterias, mientras que la Adrenalina aumenta la frecuencia cardiaca, aumenta el volumen del latido y dilata los bronquios. Fuente Internet http://iqaquiron.com/portal/cirugia-endocrina Regulación del eje Hipotálamo Hipófiso Adrenal El eje HHA, una parte del sistema neuroendocrino que regula las reacciones al estrés y regula varios procesos del organismo el sistema inmune, las emociones, conducta sexual y el metabolismo.

La secesión de ACTH está regulada por el hipotálamo a través de 2 factores hipotalámicos la CRF o Factor liberador de corticotrofina y la ADH, hormona antidiurética. Esta última potencia la liberación de la ACTH frente al estímulo (stress). La retroalimentación es positiva respecto a la glándula suprarrenal, el feed back negativo es a través de los glucocorticoides (Cortisol). Existe una retroalimentación positiva de citoquinas producidas por células del sistema inmune, estimulando la producción de ACTH y CRF. Fisiopatología Hipofunción Corticosuprarrenal: Primaria: Enfermedad de Adisson .Alteración de la función de la corteza suprarrenal, estaría disminuido Cortisol y Aldosterona, y aumentada ACTH. Se presenta con hiperpigmentación de la piel. Secundaria: Alteración Hipofisaria. Se observa disminución de ACTH, manteniéndose los niveles de Aldosterona y disminuido el Cortisol. No hay hiperpigmentación. Hiperfunción Corticosuprarrenal: Síndrome de Cushing: Cursa con aumento de Cortisol. •

Primario: alteración en la función en la glándula suprarrenal. Habitualmente se debe a tumores funcionales en la corteza suprarrenal. Cursa con ACTH disminuida.

302

Análisis Clínico II

•

Secundario: puede ser debido a dos motivos: Alteraciones de la hipófisis con aumento de ACTH. Tumores pulmonares que producen un polipéptido semejante a la ACTH.

Síndrome Adrenogenital: Hiperplasia suprarrenal •

Congénito. Falla en la síntesis de la enzima 21 hidroxilasa que intervienen en la síntesis de corticoides, cursando con el concomitante aumento de ACTH, e hiperplasia de la corteza suprarrenal y aumento secundario de andrógenos.

•

Adquirido: Producido por un tumor funcionante en la zona reticulada de la corteza

Hiperaldosteronismo: es un aumento de aldosterona debido a: •

Primario: Producido por tumor en la zona glomerular.

•

Secundario: debido a estímulos externos (Ej. Disminución de volemias que estimula la secreción de aldosterona)

Hiperfunción de la Médula Suprarrenal: Se produce por un tumor de la médula suprarrenal llamado feocromocitoma que produce un aumento de las catecolaminas. Estudio bioquímico de la función adrenal •

Determinación de CLU (Cortisol libre urinario): cuando es >200 ug/24 hs hay exceso de cortisol libre. El cortisol libre urinario es un índice de la secreción de cortisol que resulta de la filtración glomerular en 24 hs del cortisol plasmático en la forma libre. Aproximadamente el 1% del cortisol secretado cada día es excretado en la orina en su forma libre. La CBG (Proteína transportadora de corticoides) se satura a una concentración de 25 µg/dl de cortisol, por lo que un aumento en la excreción de cortisol plasmático refleja rápidamente un aumento en el valor del CLU. El incremento en la excreción de cortisol libre urinario es el indicador más sensible de hipercortisolismo endógeno, para una duplicación del cortisol plasmático el CLU aumenta 5 veces o más. El cortisol libre urinario es un reflejo más exacto de la secreción de cortisol que una única muestra sérica. Metodología: Inmunoensayos: RIA- Quimioluminiscencia.

•

Cortisol salival 11 hs: Se correlaciona con valores de cortisol sérico libre. La medición en saliva puede ser una buena alternativa a la medición sérica. Es una prueba muy útil para el diagnóstico de Cushing.

•

Determinación de ACTH: Se realiza para determinar su la híper o hipo secreción es primaria o secundaria. Metodología: por Inmunoanálisis.

•

Determinación de SHBG (Proteína transportadora de andrógenos y estrógenos). Metodología: inmunoanálisis.

•

Determinación de catecolaminas plasmáticas o Ácido Vainillin mandélico urinario. .Esta prueba se solicita frente a la sospecha de feocromocitoma, con síntomas de hipertensión arterial de difícil control, cefaleas, sudoraciones.

•

Determinación de SDHEA: La evaluación de esta hormona, junto con 17 alfa OH progesterona y testosterona evalúa el aumento del nivel de andrógenos causante de hirsutismo o amenorrea. La metodología utilizada son pruebas de inmunoanálisis.

Pruebas funcionales Ritmo de cortisol- ACTH: Se realiza para estudiar posible alteración del ritmo circadiano. No requiere estímulo. Se extraen muestras a las 8 de la mañana y a las 20 hs del mismo día y se determina Cortisol y ACTH. Interpretación: se alcanza el máximo de cortisol a las 8 de la mañana y un mínimo por la noche. Ritmo circadiano del cortisol

303

Telma Brich

Test de inhibición corta (NUGGENT): Esta prueba determina si existe producción en exceso de cortisol de forma autónoma en las glándulas suprarrenales, o si hay una falla en la regulación hormonal. El paciente debe tomar una dosis de 1 mg de dexametasona entre las 11 p. m. y la medianoche. La dexametasona en bajas concentraciones no interfiere en la determinación de cortisol. Se obtiene una muestra de sangre en el laboratorio a la mañana siguiente entre las 8 y las 9 a. m. Se analiza Cortisol y la ACTH. Interpretación: Si la regulación de cortisol es correcta, los niveles de cortisol disminuirán luego de la toma de dexametasona, lo que no pasará si se padece síndrome de Cushing.

GONADAS

Las hormonas sexuales, tanto femeninas como masculinas, son esteroides derivados del colesterol. El principal esteroide testicular es la Testosterona, mientras que los principales esteroides ováricos son el Estradiol y la Progesterona. En el Hipotálamo se produce la Hormona Liberadora de Gonadotrofinas (GnRH), que se libera en forma pulsátil e induce la producción de LH y FSH (gonadotrofinas) por la Adenohipófisis. Ambas ejercen su acción tanto en ovario como en testículo. La secreción de la GnRH y su ritmo son modulados por numerosos neurotransmisores. Las endorfinas, la testosterona, la progesterona y la prolactina, segregada en situaciones de estrés, disminuyen la secreción de GnRH.

304

Análisis Clínico II

Función gonadal masculina. Fisiología. Regulación El testículo posee dos funciones básicas: endocrina (producción de hormonas) y exocrina (producción de espermatozoides). •

La GnRH es segregada en el hipotálamo en cantidades regulares cada 90 a 120 minutos.

•

El hipotálamo controla la función testicular mediante la GnRH al estimular las hormonas hipofisarias LH/ FSH.

•

La LH regula y estimula las biosíntesis de testosterona en las células de Leydig, localizadas en el intersticio testicular.

•

La Testosterona tiene feedback (-) a nivel de Adenohipófisis e Hipotálamo.

•

La FSH estimula la espermatogénesis al actuar sobre las células de Sertoli, localizadas en los túbulos seminíferos.

•

Las células de Sertoli bajo la acción de FSH, produce ABP que concentra Testosterona en el compartimiento tubular para producir la espermatogénesis.

Regulación hormonal. Eje HH Gonadal masculino Efectos biológicos de la testosterona En los tejidos diana donde actúa la testosterona, ésta se reduce de inmediato gracias a la enzima 5 α reductasa, a Dihidrotestosterona (DHT), que es un andrógeno mucho más potente que la Testosterona (T). Ambas hormonas inducen y mantienen caracteres masculinos primarios (relacionados con la reproducción) y secundarios (relacionados con los cambios corporales y de comportamiento). Además, la T es absolutamente necesaria para el proceso de espermatogénesis, aumenta la masa muscular y la síntesis proteica. La DHT tiene acción en casi todos los tejidos uniéndose directamente al receptor nuclear. Aparte de la T y DHT, se producen otros andrógenos. La Androstenediona se produce tanto en testículos como en corteza suprarrenal, y la Dehidroepiandrosterona se sintetiza fundamentalmente en la corteza suprarrenal de ambos sexos. Los andrógenos desempeñan un importante papel en la activación de la función cognitiva; aumentan la masa corporal magra; mantienen la masa ósea (el hipogonadismo es una de las principales causas de la osteoporosis en los hombres); estimulan la eritropoyesis; poseen un claro efecto sobre los lípidos: mejora la concentración de lipoproteínas de alta densidad (HDL); favorece la salud cardiovascular. Función ovárica. Fisiología. Las hormonas sexuales femeninas producidas por el ovario son Estradiol y Progesterona (también pequeñas cantidades de estrona, testosterona, androstenediona, inhibina y relaxina) y su regulación vía Hipotálamo-Hipófisis tiene un ritmo ultradiano (pulsátil) y mensual. Los tejidos diana del Estradiol y Progesterona son endometrio uterino, epitelio vaginal, glándulas mamarias sufren estos cambios cíclicos. Estrógenos El más potente secretado por el ovario es el estradiol 17 β. La estrona se produce en tejidos periféricos y el metabolito que aparece en orina es el estriol. En sangre circula unido a la hormona transportadora de andrógenos y estrógenos: SHBG. Acciones biológicas de los estrógenos: Estimulan el desarrollo de las características sexuales femeninas, distribución de la grasa corporal, desarrollo de genitales, proliferación del endometrio y mucosa vaginal, sobre el sistema vascular activan sustancias vasodilatadoras, reducen los niveles de colesterol LDL y aumentan los de HDL.

305

Telma Brich

Progesterona Es una hormona esteroidea producida fundamentalmente a partir del momento de la ovulación por el cuerpo lúteo. Circula en sangre unida a la proteína transportadora de cortisol: CBG. Acciones biológicas: Posee receptores en mama y útero. Prepara el útero para la anidación del embrión Mantiene el útero en condiciones durante el embarazo Estimula el crecimiento de las glándulas mamarias, pero suprime la secreción de leche. Mantiene la placenta Efectos ligeramente catabólicos Regula la secreción de gonadotrofinas Ayuda a la retención de Na+ en el túbulo contorneado distal, porque se parece estructuralmente a la Aldosterona, por lo que ocupa sus receptores y es por eso que principalmente en la segunda fase del ciclo menstrual puede ocurrir retención de líquido. Acciones en el SNC (conducta) Regulación La GnRH es un decapéptido hipotalámico que regula la producción de LH y FSH, no sólo controla y regula los niveles de estas gonadotrofinas hipofisarias sino que las puede controlar por separado. Ejercen un feed- back negativo sobre las células hipofisarias que las hace insensibles al estímulo de GnRH. Los estrógenos tienen un efecto estimulador sobre la hipófisis para la producción de gonadotrofinas aumentando el contenido hipofisario. El estímulo permanente de GnRH produce un pico de la LH acumulada en la Hipófisis que produce la ovulación. El incremento de los estrógenos en la segunda mitad del ciclo menstrual no produciría un segundo pico ovulatorio porque estaría inhibido por las altas concentraciones de Progesterona producida por el cuerpo lúteo. Esquema de la regulación gonadal femenina

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Análisis Clínico II

Ciclo menstrual. A partir del primer día del ciclo, en el ovario comienzan a madurar varios folículos por estímulo de la FSH. A medida que se desarrollan los folículos, muchos se atrofian debido a señales locales, hormonas paracrinas que ellos mismos secretan, de tal manera que predomina uno sólo, que continua desarrollo. Este folículo tiene gran capacidad sintética de estradiol. La síntesis de estadiol se produce por estímulo de la LH sobre las células de la teca, donde se sintetiza androstenediona a partir de colesterol. La androstenediona se convierte en estradiol en las células de la granulosa por estímulo de la FSH. A mitad del ciclo, el feedback (+) sostenido a nivel de adenohipófisis del estradiol, que produce acumulación de gonadotrofinas, y el estímulo hipotalámico de GnRH produce el pico de gonadotrofinas: LH y FSH produciendo la ovulación. En la ovulación se libera el ovocito y lo que queda de folículo se transforma en cuerpo lúteo. En el cuerpo lúteo, las células de la granulosa proliferan mucho más, se vuelven amarillas (por la gran cantidad de colesterol) y producen Progesterona. El folículo restante comienza producir altos niveles de Progesterona rápidamente, siendo mucho más altos que el de Estradiol, y junto con éste ejercen un feedback (-) en la adenohipófisis y en hipotálamo, inhibiendo la secreción de LH, FSH y GnRH, por lo que éstas bajan rápidamente a su nivel basal. Representación de los eventos que se producen a nivel de hipófisis, ovario y epitelio uterino durante el ciclo menstrual. Como consecuencia de los niveles altos de estradiol, el endometrio se engrosa. Si el óvulo no es fecundado, comienzan a bajar los niveles de gonadotrofinas, el cuerpo lúteo comienza a atrofiarse ya que no posee factores de crecimiento. Cuando muere el cuerpo lúteo, caen los niveles de estradiol y progesterona, sumado los de gonadotropinas, lo que provoca que el endometrio comience a necrosarse y posteriormente se desgarre, produciendo la menstruación. Embarazo Si hay fecundación, se forma un tejido nuevo: la placenta. Ésta secreta Gonadotrofina Coriónica Humana, que reemplaza a las gonadotrofinas adenohipofisiarias, manteniendo así al cuerpo lúteo. Además, a medida que madura, comienza a secretar GnRH, Estradiol y Progesterona. En pocas semanas, la placenta reemplaza por completo al eje Hipotálamo Hipofisiario y a los ovarios. Además, sintetiza Somatotrofina Coriónica, que tiene acción de hormona del crecimiento (para el feto) y de Prolactina (para la madre).

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Telma Brich

Fisiopatología Alteración gonadal primaria: Bioquímicamente se observa un hipogonadismo hipergonadotropo, se observa fisiológicamente, en la mujer post menopáusica. -

Elevación de las hormonas hipofisarias LH y FSH.

-

Disminución de las hormonas gonadales (testosterona o estradiol bajos).

Alteración secundaria: falla hipofisaria Se observa un hipogonadismo hipogonadotropo: -

Hormonas gonadales baja

-

Gonadotrofinas bajas (inadecuadamente altas, en relación a las hormonas gonadales)

Alteración terciaria: falla hipotalámica (la causa más frecuente es el síndrome de Kallman). Se observa un hipogonadismo hipogonadotropo Para diferenciar un fallo secundario de uno terciario se realiza la prueba de estimulación con GnRH sintética. En el fallo hipofisario (Ej. tumor de hipófisis) no se observa respuesta a la GnRH. Síndrome de tallo hipofisario: Se produce por lesiones ocupantes de espacio que compriman e interrumpan la comunicación hipotálamo-hipofisaria. Se comporta como causa hipotalámica. Responde a GnRH. Evaluación bioquímica de la función gonadal en la mujer Determinación de 17β Estradiol: Se utiliza para el estudio de la función ovárica, que está sometida a una regulación cíclica. Según el momento del ciclo tendrá un patrón característico. En presencia de amenorrea, como no se produce ovulación la concentración de Estradiol en todo el ciclo estará disminuido. Determinación de Gonadotrofinas LH y FSH: No es de utilidad clínica salvo para la diferenciación entre un fallo primario y secundario o terciario. Es útil en el diagnóstico del fallo ovárico primario: postmenopausia: el marcador específico es la FSH. Determinación de Progesterona: Es una hormona marcadora de la segunda fase del ciclo, de la ovulación. Es liberada por el cuerpo lúteo. La fecha del ciclo elegida para su determinación es entre los días 22 y 24. Estradiol, gonadotrofinas y Prolactina no tienen utilidad en ciclos menstruales normales de 24-35 días. Su relevancia se manifiesta solo en amenorrea primaria y oligo-amenorrea. La metodología utilizada en el laboratorio clínico son Inmunoensayos competitivos y no competitivos: RIA- ECLIAMEIA. Evaluación bioquímica de la función gonadal en el varón Determinación de testosterona total Determinación de gonadotrofinas Su utilidad radica en diferenciar el falla gonadal primario de las alteraciones situadas a niveles superiores. En el varón la causa más frecuente de alteración primaria es el síndrome de Klinefelter (alteración genética con disminución de la función de las células de Sertoli y de las de Leydig con pérdida total de la espermatogénesis). Analíticamente existe una disminución de la testosterona y un aumento de las gonadotrofinas. Aumenta tanto la FSH como la LH porque falla tanto la espermatogénesis como la síntesis de testosterona. A diferencia de la mujer donde el hipogonadismo afecta sobre todo a la fertilidad, en el varón afecta más a la función sexual. 308

Análisis Clínico II

La metodología utilizada en el laboratorio clínico son Inmunoensayos competitivos y no competitivos: RIA- ECLIAMEIA. PARATIROIDES Las glándulas paratiroides son glándulas muy pequeñas ubicadas en los bordes superior e inferior de la porción externa de los lóbulos tiroideos. Las células principales sintetizan y secretan el polipéptido Paratohormona, PTH, que desempeña una función importante en la remodelación ósea, en la homeostasis del calcio, la excreción renal del fosfato y en la activación de la vitamina D. El cuerpo humano contiene cerca de 1200 g de calcio en las personas adultas y aproximadamente 28 g en los neonatos (recién nacidos a término). Casi todo el calcio del cuerpo (99%) reside en el hueso. El remanente reside en los fluidos del cuerpo y tiene un papel crítico muy importante en un sin número de procesos fisiológicos. En la circulación, el calcio existe en tres formas: 45% del calcio sérico total es la forma biológicamente activa de calcio iónico, 45% está unido a la proteína principalmente albúmina y 10% está unido a complejos aniónicos (fosfato, lactato, citrato). El fósforo abunda en el organismo como anión intracelular y extracelular. Intracelularmente, existe en forma de fosfato orgánico en combinación con lípidos y proteínas y es esencial para la integridad estructural de la membrana celular y componente importante de los ácidos nucleicos y de los nucleótidos de alta energía como ATP. La mayor parte del fosfato extracelular (85%) se localiza en los huesos, donde se combina con el calcio en la hidroxiapatita. El fosfato sérico existe como monofosfato inorgánico o fosfato diácido. En estas formas actúa como principal amortiguador del sistema urinario para facilitar la excreción de H+. Paratiroides: Ubicación anatómica y regulación hormonal Regulación hormonal del nivel de calcio sérico

La liberación de PTH se controla a través de sistemas de retroalimentación muy estrictos debido a los pequeños cambios en las concentraciones plasmáticas de calcio detectadas en los receptores de las células principales paratiroideas.Una disminución aguda en las concentraciones de calcio circulante (hipocalcemia) desencadenan la liberación de PTH en unos cuantos segundos. Los incrementos en las concentraciones plasmáticas de fosfato incrementa la secreción de PTH.

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Telma Brich

En el riñón, la PTH estimula directamente la reabsorción de calcio, disminuye la reabsorción de fosfato, lo que causa un incremento en la excreción de fosfato y estimula la actividad de la enzima que participa en la formación de 1,25(OH)2 D. La remodelación ósea significa la eliminación continua de hueso (resorción ósea) seguida de la síntesis de nueva matriz ósea y la mineralización subsiguiente (formación de hueso). La PTH induce esta actividad osteoblástica. Fisiopatología Hiperparatiroidismo primario La producción excesiva de PTH es en general, consecuencia de hiperplasia, adenoma o carcinoma de la glándula paratiroides. Las manifestaciones incluyen incremento de las concentraciones de PTH, aumento de las concentraciones plasmáticas de calcio (hipercalcemia), aumento de la excreción de calcio en orina (hipercalciuria) con predisposición en la formación de cálculos renales así como disminución de las concentraciones plasmáticas de fosfato por un gran incremento en su excreción urinaria. El incremento de PTH produce aumento de la resorción ósea e incrementa aún más las concentraciones de calcio extracelular. Hiperparatiroidismo secundario. En general secundario a una insuficiencia renal. Síntomas clínicos de hipercalcemia •

Osteoporosis, lo que va a facilitar la existencia de dolores y/o fracturas.

•

Frecuente aparición de cálculos renales.

•

Signos digestivos por atonía del tubo digestivo, como por ejemplo anorexia, vómitos, estreñimiento, úlceras gastroduodenales.

•

Hipotonía muscular.

•

Acortamiento del espacio QT en el electrocardiograma por trastornos de la contractilidad miocárdica.

•

Trastornos psíquicos como apatía y alucinaciones.

•

Astenia.

Hipoparatiroidismo: El hipoparatiroidismo es consecuencia de la alteración en la producción de PTH que puede relacionarse con otros trastornos endocrinos y con neoplasias, o bien, puede ser consecuencia de la ablación quirúrgica de las glándulas paratiroides. Por su importante función en la regulación aguda de las concentraciones plasmáticas de calcio, la manifestación temprana de la ablación quirúrgica de las glándulas paratiroides es la tetania hipocalcémica.

310

Análisis Clínico II

El hipoparatiroidismo es una patología que se caracteriza por una disminución en la secreción de PTH, disminución de la calcemia y aumento de la fosfatemia. Calcitonina La calcitonina es una hormona peptídica producida en las células C o parafoliculares en la glándula tiroides en respuesta a concentraciones plasmáticas superiores a 9 mg/dl. Los dos órganos efectores para los efectos fisiológicos de la calcitonina son el hueso y el riñón. La calcitonina inhibe la resorción ósea e incrementa la excreción urinaria de calcio. La calcitonina no parece ser decisiva para la regulación de la homeostasis del calcio en seres humanos; de hecho, la eliminación total de la tiroides no produce alteraciones importantes en la homeostasis del calcio, sin embargo, la calcitonina se ha utilizado con fines terapéuticos para la prevención de la pérdida ósea y para el tratamiento a corto plazo de la hipercalcemia. Funciones de la Vitamina D La vitamina D pertenece al grupo de vitaminas liposolubles y puede almacenarse en los tejidos. Concentraciones muy altas de vitamina D (intoxicación por vitamina D) puede llevar a problemas de calcificación de los tejidos blandos, depósito de calcio y fosfato en el riñón e incremento de las concentraciones plasmáticas de calcio, dando origen a arritmias cardiacas. La deficiencia de vitamina D es extremadamente común y puede ser consecuencia del consumo dietético inadecuado, mala absorción o de falta de luz solar, lo que ocasiona disminución en la conversión de los precursores inactivos a los sustratos utilizados en la síntesis de 25(OH) D. La deficiencia de vitamina D puede ocasionar deformidades óseas (raquitismo) cuando ocurre en niños y disminución de la masa ósea (osteomalacia) en adultos. La deficiencia de vitamina D se asocia con debilidad, arqueamiento de los huesos que soportan peso, defectos dentales e hipocalcemia. Evaluación bioquímica del metabolismo fosfocálcico Determinación de calcio sérico El calcio con la cresolftaleína en un medio alcalino forma un complejo violeta, cuya intensidad de color es directamente proporcional a la cantidad de calcio existente en la muestra. Se mide fotométricamente. Hipercalcemia: Se encuentran valores elevados de calcio en el hiperparatiroidismo, lesiones osteolíticas, acidosis tubular renal y se encuentra disminuido en el hipoparatiroidismo, raquitismo, insuficiencia renal. Hipocalcemia por reducción del calcio ionizado. (Calcio libre no unido a proteínas) Hipocalcemia por deficiencia en la acción de la PHT. Determinación de fósforo sérico El fósforo se puede determinar según la reacción siguiente: Molibdato amónico + Sulfúrico → Complejo fosfomolibdato. La absorción máxima del complejo se mide fotométricamente a 340 nm. La reabsorción tubular renal de fosfatos es responsable de la hiperfosfatemia observada en el hipoparatiroidismo, hipertiroidismo, hipogonadismo y exceso de hormona de crecimiento. La hipofosfatemia puede resultar de una disminución en la reabsorción intestinal de fosfato o por un aumento en la pérdida urinaria de fosfatos Determinación de calcio iónico. Potenciometria directa. Determinación de PTH. La heterogeneidad de la PTH circulante es consecuencia de la secreción por la paratiroides de la forma intacta (PTH-i) y de fragmentos inactivos y del metabolismo periférico de la forma intacta resultando principalmente en los fragmentos amino terminal (PTH-N terminal), carboxilo terminal (C-terminal) y molécula media (MM). Por ello en el mercado hay disponibles diferentes metodologías de acuerdo al epitope al que está dirigido el anticuerpo monoclonal. Se recomienda el dosaje de PTH intacta, debido a su mayor vida media. Debido a que es una molécula muy lábil y la vida media de las diferentes fracciones oscilan entre 5 minutos y 30 minutos, la muestra de sangre debe ser centrifugada inmediatamente luego de la extracción y procesada o mantenida en freezer a -20°C.

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Utilidad clínica: •

Evaluación de la hipercalcemia. En la diferenciación de hipercalcemia por otras causas como intoxicación con vitamina D, neoplasias y enfermedades crónicas.

•

Seguimiento del tratamiento del hiperparatiroidismo secundario en la insuficiencia renal crónica.

•

Diagnóstico diferencial de hipercalcemias. La concentración de PTH mayor a 60 pg/ml en combinación con hipercalcemias indica la presencia de hiperparatiroidismo primario.

•

Diagnóstico diferencial de hipocalcemias.

•

Evaluación de la función paratiroidea en pacientes con desórdenes del metabolismo óseo y mineral. Metodología: inmunoanálisis: IRMA, CLIA, ECLIA

312

Análisis Clínico II

Liquidos

16 de derrame y lcr

Estudio de líquidos de punción Habitualmente cuando se hace referencia a los líquidos de punción se alude a 2 entidades: los líquidos de derrame o serosos (Peritoneal, pericárdico, pleural) y los trasudativos como el líquido cefalorraquídeo. (LCR). La diferenciación entre exudados y trasudados se realiza por las diferencias físico químicas y por la reacción de Rivalta, postiva para el caso de los exudados. El estudio bioquímico de estos materiales tiene por objeto realizar un aporte al el diagnóstico de enfermedades relacionadas con los mismos, ya sea por afecciones en el órgano primario o patologías adyacentes, y en general se requieren respuestas inmediatas por lo que se procesa habitualmente en el laboratorio de urgencias. Es requisito fundamental el buen entrenamiento, habilidad y conocimiento de los procedimientos con el fin de aprovechar la muestra, que es escasa en muchas oportunidades sin posibilidad de solicitar nueva toma de material, para seleccionar los estudios que tengan mayor significación para el diagnóstico. LÍQUIDO CEFALO RAQUIDEO (LCR) Formación y composición El líquido cefalorraquídeo es producido por las células que revisten los plexos coroideos y por las células ependimales que revisten las superficies ventriculares. En el adulto, el volumen total oscila entre 90 y 150 ml, la mitad intracraneal y la otra mitad intraespinal. En el recién nacido estas cifras oscilan entre 10 y 60 mL. En el adulto cada día se producen aproximadamente unos 500 mL de líquido cefalorraquídeo (20 mL/h), con un recambio aproximado de unas tres veces por día. El líquido cefalorraquídeo es un ultrafiltrado del plasma, se diferencia de los líquidos serosos, en la permeabilidad selectiva de las membranas, se la denomina barrera hematoencefálica.

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Existe un transporte activo entre la sangre, líquido cefalorraquídeo, en ambas direcciones, lo que da lugar a que exista diferencia de concentraciones a ambos lados. Los electrolitos cómo el sodio, magnesio y cloruro están en mayor concentración en el líquido cefalorraquídeo que en el plasma, mientras que el bicarbonato, glucosa y urea están en menor. Existe muy baja concentración de proteínas. El LCR cumple la función de protección del cerebro y amortiguación de cualquier agresión física, recolección de productos de desecho y circulación de nutrientes. Interés clínico •

Detección de infecciones del SNC

•

Procesos vasculares. Hemorragia subaracnoidea

•

Enfermedades desmielinizantes.

•

Tumores cerebroespinales.

•

Diferenciación con líquidos de fístulas nasales u óticas.

Obtención de la muestra El LCR se obtiene por punción lumbar (PL) efectuada en LIII-LIV o por debajo para evitar daño en la columna vertebral y se deja que gotee el líquido. Es una práctica médica. Con presiones normales, pueden extraerse hasta 20 ml de LCR sin ningún peligro. Si la presión inicial es mayor de 200 mm Hg, no deben extraerse más de 2 ml. Se toman tres muestras que se recogen en tubos esterilizados y se marcan secuencialmente: Tubo 1: estudios bioquímicos e inmunológicos Tubo 2: examen microbiológico Tuvo 3: recuento de leucocitos y contaje diferencial. Análisis bioquímico Examen macroscópico El LCR cuando se presenta macroscópicamente sanguinolento puede ser debido a una hemorragia intracraneal pero también debida a una perforación de vasos sanguíneos durante el procedimiento de PL. El examen visual de las muestras pueden indicar si se trata o no de una punción traumática. La sangre de una hemorragia cerebral se distribuye en los tres tubos de muestra uniformemente, mientras que en la punción traumática la cantidad de sangre disuelta va disminuyendo del 1 al 3. El líquido recolectado puede formar coágulos durante la punción por introducción de fibrinógeno en la muestra debido a contaminación con el plasma debido a una punción traumática o por daño de la barrera hematoencefálica. (Meningitis, Síndrome de Froin) Para producir hemólisis de los hematíes deben transcurrir por lo menos 2 hs, lo que provoca un color amarillo a la muestra: xantocromía. Esto indicaría que la sangre ha estado presente más tiempo para ser introducida por la punción traumática. El LCR normalmente es claro cristalino y sin color: Cristal de roca. Las modificaciones de estas características son indicativas de la presencia de ciertas patologías o alteraciones. Importancia clínica del aspecto del LCR

314

Análisis Clínico II

Aspecto

Causa

Significado

Claro cristalino

Opalescente, bio, lechoso

Normal

tur-

Sanguinolento

Leucocitos (Pleocitosis)

Meningitis

Microorganismos

Meningitis

Proteínas

Trastornos que afectan la barrera hematoencefálica Producción de IGG en SNC

Presencia de eritrocitos

Punción traumática Hemorragia

Hemoglobina

Hemorragia antigua Células hemáticas

Bilirrubina

Concentración elevada de bilirrubina sérica. Degradación de eritrocitos

Xantocromico

Coagulado

Caroteno

Concentración sérica elevada

Proteínas (>100 mg/dl)

Trastornos que alteran la barrera hematoencefalica

Melanina

Melanosarcoma meníngeo

Mertiolate

Artefacto

Proteínas

Trastornos que alteran la barrera hematoencefalica Punción traumática

Factores de coagulación Determinaciones

Punción traumática

Hemorragia subaracnoidea

Aspecto tubo 1,2,3

Desigual

Igual

Coágulos

Frecuente

No se observa

Sobrenadante

Incoloro

Xantocrómico

Espectrofotometría entre 370 y 530

Negativo

Pico 415 oxihemoglobina Pico 450460 Bilirrubina

Recuento total de células y examen microscópico El recuento de células debe realizarse dentro de los 30 minutos de la PL para evitar lisis de los elementos (40% de los elementos se destruyen en una muestra a temperatura ambiente en 2 hs.) Las muestras que no se analizan de inmediato deben mantenerse refrigeradas. Muestras que contienen hasta 200 leucocitos/mm3 o 400 hematíes /mm3 pueden presentarse límpidas, así que es importante realizar siempre la observación microscópica de todas las muestras. • Las diluciones para los recuentos celulares totales se realizan con solución fisiológica, y se realiza en forma manual en una cámara de Neubauer. •

Se cuentan los 4 cuadrados grandes de las esquinas y el cuadrado central de cada uno de los lados de la cámara.

•

El número de células multiplicado por el factor de dilución es el número de células por mililitro.

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Telma Brich

Recuento de leucocitos El recuento que se realiza de acuerdo al procedimiento de recuento de leucocitos en cámara. No se utilizan se deben utilizar métodos automatizados debido a la baja sensibilidad y reprodubilidad del método. •

Cuando sea necesario realizar diluciones, se realiza con ácido acético glacial al 3% para lisar los eritrocitos.

•

Las muestras límpidas pueden contarse sin diluir.

•

Para recuento de una muestra límpida que no requiere dilución: Colocar 4 gotas de la muestra en un tubo limpio. Enjuagar una pipeta Pasteur limpia con ácido acético glacial al 3%. Vaciar por completo la pipeta y aspirar las gotas de muestra. Dejar que se asiente 1 minuto. Descartar la primera gota y cargar la cámara. El azul de metileno agregado al diluyente proporciona una mejor forma de visualizar los elementos y distinguir mononucleares de neutrófilos. Se cuentan los 4 cuadrados grandes de las esquinas y el cuadrado central de cada uno de los lados de la cámara. El número de células multiplicado por el factor de dilución es el número de células por mililitro.

CELULAS /mm3 = N° de células contadas x Dilución N° de cuadrados x 0,1 ul Valores esperados: •

Neonatos: Hasta 20-30 células. Predominio mononuclear

•

Niños y adultos: Hasta 0-5 células. Predominio mononuclear.

Una forma de corrección del recuento de leucocitos por una punción traumática es corregir el número de células restando un leucocito por cada 700 hematíes, cálculo aproximado que no siempre refleja la realidad. El recuento diferencial debe realizarse en frotis teñido por la coloración de Wright, para poder diferenciar mononucleares de neutrófilos e identificar posibles células atípicas. Las células que se observan en un líquido normal son linfocitos y monocitos. Los adultos suelen tener una relación 70:30, en niños esta relación se encuentra invertida. La presencia de un número elevado de células (pleocitosis) se considera anormal al igual que la presencia de macrófagos, eosinofilos, plasmocitos o células inmaduras.

316

Análisis Clínico II

El recuento diferencial proporciona información en cuanto el tipo de microorganismo que produce una meningitis. Un recuento elevado de leucocitos con predominio a neutrófilos indicaría una posible infección bacteriana, así mismo un recuento moderadamente elevado de linfocitos y monocitos indicaría meningitis viral, tuberculosa, micótica o de origen parasitario. PLEOCITOSIS Pleocitosis por neutrófilos

Meningitis bacteriana Comienzo de meningitis virales Hemorragia cerebral Meningitis viral

Pleocitosis por linfocitos

Tuberculosis Neurosífilis Meningitis por Listeria Esclerosis múltiple

Pleocitosis por eosinófilos

Rara vez en inflamaciones sistémicas

Pleocitosis por células tumorales

Tumor primario o metastásis Diseminación meníngea de leucemias o linfomas

Determinaciones químicas Proteínas (Proteinorraquia) La concentración de proteínas es muy pequeña, se informa en mg/dl (en plasma el rango está expresada en g/dl). Intervalo de referencia: oscila entre 15 y 45 mg/dl. Se encuentran valores elevados en alteraciones de la barrera hematoencefálica, producción de inmunoglobulinas dentro del SNC, disminución de la depuración de proteínas y degeneración del tejido neural. Los procesos hemorrágicos y las meningitis son los procesos que elevan usualmente las proteínas. No es usual encontrar valores patológicos con recuentos bajos. Las proteínas plasmáticas pueden introducirse artificialmente en el líquido por punción traumática. En la medición de proteínas suele usarse un cálculo de corrección como el que se usa para células. Cuando los valores de hematocrito y proteínas plasmáticas son normales se puede restar 1 mg/dl cada 1200 hematíes contados. Metodología: Método turbidimétrico adaptado en general al instrumental automatizado. Glucosa (Glucorraquia) La glucosa ingresa por transporte activo generándose una concentración entre 60 y 70% del valor plasmático. Se mide simultáneamente por el mismo método para su comparación. Importancia diagnóstica: Existen patrones clásicos asociados a ciertas patologías: Un valor elevado se condice con un aumento plasmático. Los valores bajos apoyan el diagnóstico del posible agente causante de meningitis. Un valor bajo de glucosa acompañado de un recuento elevado de leucocitos con predominio a neutrófilos sería indicativo de una meningitis bacteriana. Si los leucocitos son linfocitos se sospecha una meningitis tuberculosa. Con valores normales de glucorraquia y un número aumentado de linfocitos el diagnóstico probable sea meningitis viral. Lactato Es independiente de la concentración plasmática. Un dato elevado puede ser causado por una meningitis o cualquier otro trastorno que produzca hipoxia dentro del SNC.

317

Telma Brich

La concentración de lactato suele utilizarse para monitorear lesiones encefálicas graves (Infarto cerebral, edema, trauma). Tiene interferencia por hemólisis y es independiente de la concentración plasmática. En las meningitis bacterianas, tuberculosas y micóticas se eleva por sobre 25 mg/dl, índice más indicativo de infección que el descenso de la glucosa. Correlaciones clínicopatológicas Neurosífilis El propósito de realizar la prueba no treponémica de VDRL es detectar casos activos de sífilis dentro del SNC. La prueba treponémica (FTA-abs) en LCR es básicamente 100% sensible para neurosífilis, pero se pueden obtener falsos positivos. Frente a un resultado es negativo, la neurosífilis es muy improbable. En ausencia de contaminación con sangre la prueba VDRL tiene alta especificidad, pero es poco sensible (30 a 70%). Un VDRL reactivo es suficiente para diagnosticar neurosífilis, pero el negativo no la descarta. Meningitis fúngica Es una micosis profunda causada por el Cryptococcus neoformans. En la mayoría de las personas inmunocompetentes la afección pulmonar es la localización más frecuente pero en los individuos inmunocomprometidos, la presentación “meníngoencefalítica” es la más común. Características del examen físico-químico-citológico: •

El recuento celular es generalmente bajo con menos de 50 células/ul con predominio mononuclear.

•

Las proteínas y la glucosa están levemente alteradas.

Examen Directo del LCR con Tinta China: Se observan las típicas levaduras con su gruesa cápsula (de 5-10 micras de diámetro). Antigenorraquia (antígeno polisacárido): •

Permite un diagnostico precoz. Es sensible y especifico.

•

Es importante cuando los exámenes directos con tinta china son negativos.

•

En pacientes HIV negativos, puede ser la única prueba positiva.

Cultivo de LCR: confirma el diagnostico. Meningitis tuberculosa El diagnóstico precoz es sumamente difícil, por lo que debe instaurarse la terapia en los casos de sospecha clínica. Detección de BAAR: Se tiñe un extendido de la muestra con tinción ácida rápida o de Zhiel-Nielsen, ácido-alcohol resistente. La sensibilidad de las tinciones es baja, se puede mejorar con las tinciones fluorescentes de auraminarodamina. La sensibilidad del cultivo es de 75 a 90%, pero el bacilo demora mucho en crecer en la placa mucho. La adenosina deaminasa (ADA) es significativamente mayor en la meningitis tuberculosa que en otros tipos de meningitis y trastornos del SNC.

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Análisis Clínico II

Cuadro que resume las características del LCR en diferentes patologías Patología Meningitis ana

Aspecto

bacteri- Turbio

Células /ul >500

Proteínas

Glucosa

mg/dl

mg /dl

80-500