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• Fatima Armas

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO CARRERA DE MEDICINA ASIGNATURA: BIOQUÍMICA I UNIDAD I. BIOQUÍMICA Y MEDICINA

INTRODUCCIÓN OBJETIVO DE LA BIOQUÍMICA La Bioquímica es una ciencia que, basada en múltiples observaciones e investigaciones que han avanzado junto con el desarrollo de la humanidad y la medicina, a través de la historia, ha dado lugar a conclusiones que han generado el conocimiento respecto de las bases moleculares que subyacen a los procesos biológicos, tanto en la salud como en la enfermedad. “En concreto, el objetivo fundamental de la Bioquímica consiste actualmente en estudiar la estructura, la organización y las funciones de los seres vivos desde el punto de vista molecular. Según los aspectos tratados, la Bioquímica se puede dividir en tres grandes apartados: a) Bioquímica estructural: estudia la composición, conformación, configuración y estructura de las moléculas de la materia viva, relacionándolas con su función biológica. b) Bioquímica metabólica o metabolismo: estudia las transformaciones, funciones y reacciones químicas que sufren o llevan a cabo las moléculas de la materia viva, así como los mecanismos de regulación de esas transformaciones. c) Biología molecular o genética molecular: estudia la química de los procesos y las estructuras de las moléculas implicadas en el almacenamiento, la transmisión y la expresión de información genética, así como los mecanismos que los regulan”. (Lozano, Teruel, José Antonio, et al. Bioquímica y biología molecular: para ciencias de la salud (3a. ed.), McGraw-Hill España, 2005. ProQuest Ebook Central, http://ebookcentral.proquest.com/lib/unachlibsp/detail.action?docID=3195243. Created from unachlibsp on 2018-04-02 13:50:03.) ORIGEN DE LA VIDA “Hace menos de mil millones de años, tras la formación de la Tierra hace unos 4600 millones de años, comenzaron a aparecer las formas más primitivas de vida, los microorganismos unicelulares. • En la Tierra primitiva tuvo lugar un proceso de evolución química gradual, que condujo progresivamente desde los sencillos gases existentes hasta la generación de vida primordial, en etapas de complejidad creciente, no de forma repentina como defendían los partidarios de la generación espontánea. No es descartable el aporte extraterrestre de moléculas precursoras. • En experiencias de laboratorio, intentando reproducir las condiciones prebióticas, se han obtenido numerosas biomoléculas, algunas de ellas bastantes complejas, así como se han observado diversos modelos de autoorganización en entidades de tipo protocelular. En la evolución prebiótica parece que jugaron importantes papeles los minerales y las rocas, así como las moléculas de ARN para conformar las vías informativas y replicativas. • Los primeros organismos primitivos eran anaerobios y para replicarse tendrían que captar del entorno la materia y energía necesarias. El perfeccionamiento evolutivo de las vías metabólicas condujo hace más de 3000 millones de años a la aparición de los organismos fotosintéticos, capaces de usar H2S como dador de electrones. • En el curso de la evolución biológica, tras unos quinientos millones de años, algunos organismos fotosintéticos dieron un salto evolutivo, al poder realizar la fotólisis del agua. La consecuencia era el enriquecimiento de la atmósfera en oxígeno, oxidante y tóxico. Tras, aproximadamente, otros quinientos millones de años, hace unos dos mil millones de años, se alcanzó la solución evolutiva de los seres aerobios con el desarrollo de cadenas respiratorias consumidoras del oxígeno y productoras de energía. • La endosimbiosis de

mitocondrias y cloroplastos, cuyos precursores fueron células procarióticas, permitió que hace unos 1500 millones de años apareciesen los primeros organismos eucarióticos. • De acuerdo con las ideas de Darwin, la microevolución, es decir, la suma de procesos tales como mutaciones, duplicaciones génicas, transferencia de material genético, etcétera, junto con otros factores, entre los que destaca la selección natural, es la responsable de la macroevolución o cladogénesis. • Las técnicas bioinformáticas y de Biología Molecular de análisis de las secuencias y estructuras de las macromoléculas permiten hacer estudios comparativos entre moléculas homólogas de los diferentes linajes, remontándose a la existencia de ancestros comunes y deduciendo los mecanismos de aparición de las nuevas variantes genéticas. Todo ello, junto a los registros paleontológicos, permite la elaboración de los dendrogramas, o árboles genealógicos evolutivos. • Los conocimientos existentes, aplicados a aspectos concretos de grandes vías metabólicas o de procesos bioquímicos individuales, nos están comenzando a proporcionar una información valiosísima sobre el origen de los variados, sofisticados y precisos mecanismos de regulación y control que encontramos a lo largo de toda la gran variedad de los seres vivos” (Lozano, Teruel, José Antonio, et al. Bioquímica y biología molecular: para ciencias de la salud (3a. ed.), McGraw-Hill España, 2005. ProQuest Ebook Central, http://ebookcentral.proquest.com/lib/unachlibsp/detail.action?docID=3195243. Created from unachlibsp on 2018-04-02 14:11:08.) PROBLEMAS 1) 2) 3) 4) 5)

¿Qué es la Bioquímica y cuál es su objetivo? ¿Qué rama de la Bioquímica corresponde al estudio de las macromoléculas biológicas? ¿Cuál es la importancia del estudio de la Bioquímica en la formación médica? Explique qué es la microevolución y la macroevolución EXPOSICIÓN: Teorías sobre el origen de la vida

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO CARRERA DE MEDICINA ASIGNATURA: BIOQUÍMICA I UNIDAD I. BIOQUÍMICA Y MEDICINA LA CÉLULA COMPOSICIÓN BIOQUÍMICA Y ORGANIZACIÓN SUPRAMACROMOLECULAR COMPOSICIÓN GENERAL DE LA CÉLULA EUCARIÓTICA La célula está constituida de componentes orgánicos e inorgánicos. Componentes inorgánicos.- Son el agua (75-85%) y otros materiales inorgánicos en 1% (sales e iones) Componentes orgánicos.- Son las moléculas biológicas que se distribuyen de la siguiente manera: 10-20% proteínas 2-3% lípidos 1% carbohidratos

COMPOSICIÓN DE LA CÉLULA LÍPIDOS

IONES

PROTEÍNAS

CARBOHIDRATOS

AGUA

MACROMOLÉCULAS BIOLÓGICAS Las macromoléculas están formadas por unidades repetidas denominadas monómeros, enlazadas mediante uniones covalentes. Las macromoléculas constituyen los polímeros.

Los polímeros o macromoléculas biológicas u orgánicas, son los siguientes: Ácidos nucleicos: Los monómeros o precursores son los nucleótidos. El DNA y RNA son ácidos nucleicos. Polisacáridos: Constituidos por monómeros llamados monosacáridos. Ej: el almidón, glucógeno. Proteínas: Son polímeros formados por aminoácidos. La asociación en diferentes formas de 20 aminoácidos da lugar a las proteínas y péptidos. Ej: actina, miosina, hemoglobina, colágeno, albúmina, inmunoglobulina, fibrina. Lípidos: Son ésteres de ácidos grasos con diversos alcoholes. Ej: triglicéridos, esfingomielina, colesterol, glucolípidos, gangliósidos.

GRUPOS FUNCIONALES Son las partes de las macromoléculas que les confieren características funcionales, es decir las propiedades de reacción. Ej: El grupo carboxilo o amino de los aminoácidos, la cadena lateral de los aminoácidos, el grupo prostético de las enzimas, etc. ENLACES O UNIONES COVALENTES Enlaces covalentes.- Son uniones fuertes que se dan entre las unidades que conforman las macromoléculas. Por ejemplo, los enlaces peptídicos que forman la estructura primaria de las proteínas. Enlaces disulfuro.- Son un tipo de unión covalente, que se da entre los grupos –SH de dos residuos de cisteína. Estabilizan la estructura terciaria de las proteínas. ENLACES O UNIONES NO COVALENTES O DÉBILES Uniones iónicas o electrostáticas.- Ocurren por atracción entre grupos ionizados de distinta carga. Es un tipo de unión débil, que interviene en las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas. Puentes de hidrógeno.- Un protón H+ es compartido entre dos átomos próximos, por ejemplo entre las cadena laterales de los residuos de aminoácidos. Son uniones débiles que las encontramos en la estructura secundaria y cuaternaria de las proteínas, y son imprescindibles en la estructura de la molécula de DNA. Interacciones hidrófobas.- Estabilizan la estructura terciaria de las proteínas globulares. El agua repele los grupos no polares o hidrófobos, los cuales tienden a ubicarse hacia el centro de la molécula y se asocian entre sí. Interacciones de Van der Waals.- Se da entre átomos muy cercanos, por fluctuación de cargas, con producción de dipolos. Participa en la estructura secundaria de las proteínas.

ISÓMEROS Son moléculas que poseen la misma fórmula global, pero que difieren en la orientación de los átomos o grupos de átomos. Ejemplo: Isómeros cis-trans de los ácidos grasos, isómeros D o L de los carbohidratos.

ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL Constituyen la estructura terciaria compacta, en tres dimensiones, estabilizada por las uniones débiles de los residuos y cadenas laterales de los péptidos.

ORGANIZACIÓN SUPRAMOLECULAR La organización de las macromoléculas y biomoléculas se da en tres niveles diferentes:

NIVELES DE ORGANIZACIÓN SUPRAMOLECULAR

SUBCELULAR

•CILIOS •MEMBRANAS

EXTRACELULAR

•COLÁGENO •ELASTINA

SUPRACELULAR

•TEJIDOS •MACROSCÓPICA

Las estructuras que resultan de la organización molecular pueden ser unidimensionales, como la miosina y otras estructuras fibrosas; bidimensionales, como las membranas; y tridimensionales, como las proteínas globulares. La organización supramolecular se da gracias a un proceso conocido como autoagregación. Por medio de este mecanismo se forman las estructuras complejas, como ocurre con la interacción de subunidades proteicas, a través de fuerzas químicas y físicas, muchas veces con la participación de enzimas. Ej: complejos enzimáticos. En la biología ocurre la autoagregación dirigida, que es un fenómeno que permite la formación de estructuras complejas, previa la existencia de una molécula que actúe como molde para la organización de las nuevas macromoléculas. Este molde es el DNA.

EJEMPLOS DE ORGANIZACIÓN SUPRAMOLECULAR

Membrana plasmática (interacción de lípidos y proteínas -mosaico fluido

Virus (formados por ácidos nucleicos DNA o RNA- y proteínas)

Colágeno (formado por unidades de tropocolágeno)

Glucógeno (cadenas de unidades de glucosa)

Bibliografía: -

Bioquímica de Harper Biología celular y molecular de Robertis

PROBLEMAS 1) 2) 3) 4)

Describa la composición general de la célula eucariótica Establezca la diferencia entre monómero y polímero ¿Qué son los grupos funcionales y cuál es su importancia? ¿Cuáles son las principales macromoléculas biológicas y por qué reciben esta denominación? 5) Explique los diferentes tipos de enlace y en qué estructuras participan? 6) ¿Qué es la autoagregación y autoagregación dirigida y qué importancia tiene para los seres vivos? 7) Menciones ejemplos de organización supra molecular a diferentes niveles.

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ASIGNATURA DE BIOQÍMICA I UNIDAD No. 6 MACROMOLÉCULAS INFORMACIONALES: ÁCIDOS NUCLEICOS Los ácidos nucleicos son moléculas biológicas formadas por cadenas de polinucleótidos en los cuales radica la base bioquímica de la herencia. PRECURSORES Nucleótidos y nucleósidos: Los nucleótidos son derivados de las bases púricas y pirimídicas. Son nucleósidos fosfatados. Constituyen las bases de los ácidos nucleicos. Los nucleósidos suministran las unidades monoméricas que forman los ácidos nucleicos. Bases nitrogenadas púricas y pirimídicas: Son moléculas heterocíclicas, planas. Cinco bases nitrogenadas participan en la estructura del DNA y RNA. Las purinas son: adenina y guanina. Las pirimidinas son: citosina, timina y uracilo. La timina sólo participa en el DNA, el uracilo se encuentra en el RNA. Los nucleósidos se forman mediante la unión de una purina o pirimidina + un azúcar (mediante un enlace B-N glucosídico). El azúcar más frecuente es la D-ribosa, ó 2 desoxi D-ribosa, en la posición 9 de una purina ó 1 de una pirimidina. NOMENCLATURA BASE

Adenina

NUCLEÓSIDO (Base + ribosa o desoxirribosa) Adenosina

Guanina

Guanosina

Citosina

Citidina

Uracilo

Uridina

Timina

Timidina

NUCLEÓTIDO (Base + azúcar + fosfato) Monofosfato de adenosina (AMP) Monofosfato de guanosina (GMP) Citidina monofosfato (CMP) Uridinmonofosfato (UMP) Monofosfato de timidina (TMP)

El ATP es la adenosina trifosfato

FUNCIONES DE LAS BASES NITROGENADAS 1

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    

Funciones de transferencia de fosfatos Son partes de las coenzimas como FAD, NAD+, NADP+, Co A, etc. Funciones reguladoras, incluso reguladores alostéricos de las enzimas. cAMP tiene funciones importantes de “segundo mensajero” Nucleósidos trifosfatados son precursores de los ácidos nucleicos.

FUNCIONES DE LOS NUCLEÓTIDOS     

Síntesis de proteínas Síntesis de ácidos nucleicos Cascada reguladoras Vías intra y extracelulares Los nucleósidos trifosfatados, proveen 7 Kcal/mol al hidrolizarse

Entre las propiedades de los nucleótidos se señala que éstos absorben la luz ultravioleta, la cual es un potente mutágeno. Los polinucleótidos y dinucleótidos tienen estructura primaria, es decir una secuencia de bases consecutivas. USOS CLÍNICOS DE LAS BASES NITROGENADAS 



Se emplean análogos de purina y pirimidina sintetizados químicamente, en la quimioterapia del SIDA y del cáncer. Causan inhibición de enzimas o incorporación de metabolitos del medicamento en los ácidos nucleicos afectando la transferencia de información. Ej: 6-tioguanina y 6-mercaptopurina, en que los grupos tiol reemplazan a los grupos hidroxilo en la posición 6; 5- ó 6-azauridina, 8-azaguanina; alopurinol (en el tratamiento de la hiperuricemia y la gota); citarabina (arabinosa reemplaza a la ribosa), en la quimioterapia del cáncer y en las infecciones virales. La azatioprina se usa en los trasplantes de órganos, la 5 –yododesoxiuridina en la queratitis herpética.

ESTRUCTURA DEL ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (DNA) El DNA está formado por cadenas de polinucleótidos. Las unidades de monómeros que conforman estas cadenas son los cuatro desoxinucleótidos: desoxiadenilato, desoxiguanilato, desoxicitidilato, timidilato. Los nucleótidos de cada cadena se unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster en una secuencia específica. El modelo de cadena de doble hélice de Watson y Crick, se refiere a dos cadenas de polinucleótidos, enfrentadas entre sí, donde se ubican las bases nitrogenadas hacia el 2

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interior (grupos hidrófobos de las bases), de tal forma que el apareamiento entre ellas se da de esta forma:  

Adenina con Timina (A = T) Guanina con Citosina (G ≡ C)

La unión entre las bases nitrogenadas de cadenas opuestas se estabiliza mediante 2 puentes de hidrógeno entre A y T y 3 puentes de hidrógeno entre G y C). El diámetro de la molécula será de 20 Å. Las dos cadenas de o hebras son complementarias y antiparalelas, es decir que corren en sentido opuesto. Una cadena va del extremo 3’ (-OH o hidroxilo) al extremo 5’ (-P o fosfato), esta es la cadena discontinua o retrógrada. La otra hebra va en sentido 5’ a 3’, siendo la cadena continua o directriz. La información genética se encuentra en la cadena patrón o templete. Esta es la cadena que se transcribe durante la síntesis de RNA. La otra hebra o cadena de codificación, coincide con la cadena del RNA transcrito que va a codificar las cadenas de las proteínas. Cada giro de la molécula helicoidal, mide 3,4 nm y ocurren cada 10 nucleótidos aproximadamente. Los residuos de bases nitrogenadas en cada cadena forman hélices con orientación derecha. Estas hélices dobles constituyen la forma secundaria, que le da un aspecto de escalera en forma de caracol, con los peldaños casi horizontales, que corresponden a los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas complementarias. En la parte exterior de las cadenas se ubican los grupos fosfato de cargas negativas y los azúcares polares que le confieren un carácter polianiónico a la molécula. Las hendiduras entre los giros de las cadenas, que permiten a las proteínas interactuar en forma específica con átomos que quedan expuestos, se denominan surcos mayores y menores. GENERALIDADES SOBRE LA REPLICACIÒN DEL DNA Es la duplicación de la información genética en las moléculas hijas de DNA, lo que ocurre de forma semiconservadora, en la cual la molécula de DNA actúa como molde. Cada hebra de la molécula madre se separa de su complemento durante la replicación, sirviendo de patrón sobre el cual se sintetiza una nueva cadena. De esta forma, las dos moléculas de DNA hijas, contienen cada una de ellas, una cadena proveniente de la molécula madre y una nueva cadena sintetizada durante la replicación. Las dos moléculas hijas se distribuyen en las dos células hijas. Aunque la información genética es idéntica, la molécula de DNA, se ha conservado parcialmente de madre a hija. Las enzimas involucradas en el duplicación del DNA son ADN polimerasa, ADN primasa, ADN helicasa, ADN ligasa y la topoisomerasa. 3

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CONCEPTOS GENERALES SOBRE LA CROMATINA NUCLEAR En las células eucariotas el DNA se organiza formando la cromatina nuclear. La cromatina nuclear está formada por moléculas de DNA muy largas, así como una masa de histonas (proteínas básicas muy pequeñas) en cantidades similares al material genético. Además, existen otras proteínas no histonas que son más grandes y más ácidas que las histonas. Generalmente, constituyen enzimas como las transcriptasas y RNA polimerasas. Las histonas condensan el DNA. Los nucleosomas consisten en DNA envuelto en una colección de moléculas de histonas y tienen un diámetro de 10 nm. La cromatina activa se llama heterocromatina. La eucromatina es la cromatina inactiva. La información contenida en el DNA se organiza en genes que son las unidades fundamentales de la herencia. Las asas de cromatina parecen estar organizadas en asas o dominios, cada una con función genética diferente. En la metafase, el DNA se organiza en cromosomas, con dos cromátides hermanas conectadas por el centrómero) GENERALIDADES GENÉTICA

DE

LA

TRANSCRIPCIÓN

DE

LA

INFORMACIÓN

La transcripción es el traspaso de la información del DNA en el RNA, para la síntesis de proteínas. Actúa como molde para la transcripción una cadena del DNA. La enzima involucrada es la RNA polimerasa. En primera instancia en las células eucariotas se forma el pre-ARNm, el cual debe sufrir una serie de modificaciones y procesamiento para poder actuar. https://es.khanacademy.org/science/biology/gene-expression-centraldogma/transcription-of-dna-into-rna/a/overview-of-transcription DIFERENCIAS ESTRUCTURALES ENTRE EL DNA Y EL RNA DNA El azúcar es una D-desoxirribosa Contiene timina Doble cadena helicoidal El contenido de G es igual a C y el de A es igual a T, porque las bases son complementarias en las dos cadenas

RNA El azúcar es una D-ribosa Contiene uracilo en lugar de timina Una sola cadena, aunque puede doblarse sobre sí mismo El contenido de G no es igual a C necesariamente, ni el de A no es igual al de U, porque posee una sola cadena

Otra diferencia es la labilidad alcalina del RNA, lo que es de gran importancia diagnóstica y clínica, gracias al grupo 2’-hidroxilo. 4

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CONCEPTOS GENERALES SOBRE LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS El RNA mensajero que se sintetiza a partir del molde de DNA, sirve como molde para la síntesis de proteínas. El RNA transfiere la información del DNA hasta los ribosomas, donde radica la “maquinaria” de síntesis de proteínas. TIPOS DE RNA RNA mensajero (mRNA): Tienen estructura heterogénea, son mensajeros que trasladan la información genética hacia los ribosomas, sirviendo de molde, para dar lugar a la molécula de proteína que constituyen el producto final del gen. RNA de transferencia (tRNA ): Son adaptadores para la traducción de la información en la secuencia de nucleótidos de mRNA (codones) en aminoácidos específicos (20 especies de tRNA corresponden a aminoácidos. El tRNA se dobla como hoja de trébol en 4 brazos. RNA ribosomal (rRNA): Son estructurales en los ribosomas. La estructura del ribosoma es de nucleoproteína. En el ribosoma mRNA y tRNA interactúan para formar las cadenas de aminoácidos de las proteínas. El polisoma está constituido por el ribosoma más mRNA. RNA pequeño estable (snRNA, RNA pequeño nuclear): Son ribonucleoproteínas que se encuentran en el núcleo. Son parte de la arquitectura nuclear. Participan en la regulación genética del mRNA. NUCLEASAS Son enzimas que degradan a los ácidos nucleicos. Son desoxirribonucleasas, ribonucleasas, endonucleasas (escinden enlaces fosfodiéster), endonucleasas de restricción (pueden reconocer secuencias específicas de la molécula de DNA), exonucleasas (actúan en la parte terminal de la molécula, corrigiendo errores de apareamiento de bases, edita nucleótidos recién incorporados durante la duplicación). REFERENCIAS - Bioquímica de Harper - Bioquímica de Laguna PREGUNTAS 1. ¿Cuál es la importancia biomédica de los ácidos nucleicos? 2. ¿Cuáles son los 4 desoxinucleótidos del DNA? 3. Describa el modelo de cadena de doble hélice del DNA? 4. ¿Qué son los surcos mayores y menores del DNA y para qué sirven? 5

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5. ¿En qué consiste la replicación del DNA? 6. ¿Cómo se organiza el DNA? 7. ¿Qué es la transcripción de la información genética? 8. ¿Cuáles son las diferencias específicas entre el DNA y el RNA? 9. ¿Cómo se traduce la información genética en cadenas de proteínas? 10. ¿Cuáles son los tipos de RNA y qué función cumplen? 11. ¿Qué son las nucleasas? 12. Tema de exposición: REPLICACIÓN DEL DNA 13. Tema de exposición: SÌNTESIS DE RNA 14. Tema de exposición: SÌNTESIS DE PROTEÍNAS

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ASIGNATURA DE BIOQUÍMICA I UNIDAD No.3 AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS LAS PROTEÍNAS Las proteínas constituyen moléculas biológicas compuestas por cadenas peptídicas. A su vez, están formadas por monómeros denominados aminoácidos.

IMPORTANCIA BIOMÉDICA

Estructurales Cinética y catalítica

Otros como contracción muscular

FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS Señalamiento

Transporte Acarreadores de vitaminas, oxígeno y bióxido de carbono, otros FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS

Por causas genéticas como mutaciones, se originan enfermedades graves como el Síndrome de Ehlers-Danlos, otras patologías son nutricionales como el escorbuto, o de origen infecciosos, por ejemplo enfermedad por priones (proteínas infectantes). “La enfermedad por priones puede ser de causa genética, infecciosa o esporádica. En los seres humanos, se denomina enfermedad de Creutzfeldt-Jakob, en las cabras y ovejas se conoce como Scrapie, y en las vacas se llama encefalopatía espongiforme bovina (‘enfermedad de las vacas locas’). Los cambios neurales consisten en la deposición de proteínas insolubles compuestas de hojas ß y puentes de hidrógeno continuos, que llevan a la destrucción neuronal” (Bioquímica de Harper).

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CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES



“Proteínas fibrosas: las proteínas fibrosas tienen una estructura alargada, formada por largos filamentos de proteínas, de forma cilíndrica. No son solubles en agua. Un ejemplo de proteína fibrosa es el colágeno.



Proteínas globulares: estas proteínas tienen una naturaleza más o menos esférica. Debido a su distribución de aminoácidos (hidrófobo en su interior e hidrófilo en su exterior) que son muy solubles en las soluciones acuosas. La mioglobina es un claro ejemplo de las proteínas globulares.



Proteínas de membrana: son proteínas que se encuentran en asociación con las membranas lipídicas. Esas proteínas de membrana que están embebidas en la bicapa lipídica, poseen grandes aminoácidos hidrófobos que interactúan con el entorno no polar de la bicapa interior. Las proteínas de membrana no son solubles en soluciones acuosas. Un ejemplo de proteína de membrana es la rodopsina. ………….” https://proteinas.org.es/clasificacion-proteinas

Las proteínas se clasifican de acuerdo a su estructura. Las propiedades de las proteínas dependen también de su estructura y de los péptidos que las conforman.

ESTRUCTURA PRIMARIA La estructura primaria de las proteínas consiste en la secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica, junto con sus correspondientes enlaces peptídicos. Características   

La estructura primaria de las proteínas está codificada genéticamente. Cuando existe una alteración en la estructura primaria, de origen genético o nutricional, se generan patologías estructurales que afectan la actividad biológica de las proteínas. La estructura primaria no se destruye por cambios de temperatura o pH. Se conserva cuando la proteína se desnaturaliza.

ESTRUCTURA SECUNDARIA Está en relación con los siguientes conceptos: La Configuración de una molécula, la cual se refiere a la orientación y relación geométrica entre grupos de átomos, lo que da lugar a los isómeros (por ejemplo, isómeros D – L), mediante la modificación de los enlaces de tipo covalente. La Conformación, que es la arquitectura tridimensional de una proteína, se refiere a las relaciones especiales de todos los átomos entre sí. Para la interconversión de los 2

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confórmeros se requiere la ruptura y reformación de enlaces débiles de tipo no covalente. Existen muchas conformaciones, pero pocas tienen importancia biológica. “La estructura secundaria de las proteínas constituye la conformación de los esqueletos polipeptídicos” Entonces, se concluye que la estructura secundaria de las proteínas corresponde a la arquitectura tridimensional y relación espacial de todos los átomos entre sí. Se refiere al plegamiento de las cadenas de péptidos, para dar lugar a diferentes estructuras, estabilizadas por uniones débiles de tipo no covalente, como los puentes de hidrógeno. Enlaces Las diferentes conformaciones es de la estructura secundaria de los péptidos son estabilizados por uniones débiles:   



Puentes de hidrógeno.- Se da entre cadenas laterales polares de residuos aminoacilos. Interacciones electrostáticas (enlaces salinos o iónicos).- Pueden formarse entre los grupos carboxilo, amino o cadenas laterales con cargas opuestas. Interacciones de van der Waals.- Resultan por atracción y repulsión de átomos (dipolos) a corta distancia, con fluctuación de electrones. En este tipo de uniones, existe una distancia en la cual se presenta la máxima fuerza de atracción y mínima fuerza de repulsión, denominada distancia de contacto de van der Waals. Interacciones hidrófobas.- Este tipo de enlace débil ocurre entre las cadenas lateral no polares o hidrófobas de los péptidos y se dan por entropía (“grado de desorden o aleatoriedad del sistema; fracción del calor o energía contenida en la molécula, no disponible para la realización de trabajo”). Ejemplos de este tipo de interacciones se presentan en las proteínas globulares, entre las cadenas laterales no polares, las cuales se ubican en el interior de la proteína; así como en las membranas biológicas, en donde los residuos hidrófobos de los aminoácidos se ubican en la superficie y se unen a las cadenas alquilo de los lípidos, debido al ambiente no polar, dando lugar a las bicapas membranales (Harper).

Tipos de conformaciones de la estructura secundaria: Los enlaces peptídicos de los polipéptidos, por ser átomos coplanares, poseen una rotación restringida. Las rotaciones se dan entre Cα – Co (ángulo psi ψ) y Cα –N (ángulo phi ϕ). Los tipos de estructura secundaria responden al carácter parcial de doble enlace de las uniones peptídicas y del tamaño, forma y característica de las cadenas laterales (R).

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Hélices α

CONFORMACIONES REGULARES

ESTRUCTURA SECUNDARIA

Hojas ß plegadas

Plegamientos o dobleces ß

CONFORMACIONES IRREGULARES

Asas o espirales

HELICES α Las hélices se forman al girar el esqueleto peptídico en la misma proporción sobre cada carbono α. Los residuos aminoacilos que más comúnmente participan en cada vuelta de una hélice α son: Ala, Glu, Leu, Met. Las hélices α se estabilizan mediante puentes de hidrógeno entre el N (donador) y el O (aceptor), con una distancia de 28nm entre átomos. Este tipo de conformaciones pueden estar tanto en la superficie como en el interior de la molécula proteica. Se denomina hélices α anfipáticas cuando se encuentran tanto en ambientes polares como no polares, con la participación de residuos hidrófilos e hidrófobos, en forma alternada cada 3 a 4 aminoácidos (Ej: lipoproteínas plasmáticas, hormonas, venenos, antibióticos, glucoproteínas del VIH, etc).

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http://www.biologia.edu.ar/macromoleculas/figacro/ahelix1.gif

HOJAS ß Las hojas ß plegadas puedes ser paralelas o antiparalelas:

Hojas ß paralelas

Hojas ß antiparalelas

Los grupos amino y carboxilo terminales de la estructura secundaria alineados hacia el mismo lado

Los segmentos amino y carboxilo terminales están alternados

Las cadenas de las hojas ß tienen el mimso sentido

Las cadenas de las hojas ß tienen sentido contrario

Los puentes de hidrógeno no son perpendiculares al esqueleto polipeptídico

Los puentes de hidrógeno son prácticamente perpendiculares a las cadenas polipeptídicas

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https://www.manualmoderno.com/apoyos_electronicos/9786074482911/imagenes/cap_8/34.jpg

DOBLECES ß Los cambios de dirección de la cadena polipeptídica se dan a nivel de las regiones hélice – asa- hélice y a nivel de los dobleces ß. Los dobleces, giros o plegamientos ß constituyen giros de 180º que involucran 4 aminoácidos. Conecta los extremos de dos hojas ß. Existe un puente de hidrógeno que une el primer aminoácido con el cuarto.

https://i2.wp.com/upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/ba/Beta_hairpin.png

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REGIONES EN ASA Aproximadamente el 50% de los péptidos constituyen conformaciones de tipo regiones en asa, lo que evidencia su importancia biológica. Las regiones en asa conectan las hojas ß. Son los sitios de unión de los anticuerpos (sitios antigénicos). Regiones en asa

https://i2.wp.com/upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Calmodulin.png

PARTES DESORDENADAS Existen zonas desordenadas en las cadenas peptídicas, que tienen gran importancia biológica, por ejemplo en las enzimas, donde estas zonas se ordenan una vez que se han unido a los ligandos. PATRONES SUPERSECUNDARIOS (MOTIVOS O PLEGAMIENTOS) Las combinaciones o repeticiones de estas estructuras o patrones secundarios dan lugar las estructuras supersecundarias (repeticiones regulares reconocibles):   

β–α-β Meandros, Horquillas ß (hojas ß conectadas por dobleces ß o asas) Hojas ß no secuenciales llamadas guardas grecas

Los patrones supersecundarios pueden tener funciones específicas o ser parte de unidades funcionales mayores denominadas dominios, que incluso pueden ser diferentes en proteínas distintas (http://sebbm.es/BioROM/contenido/lav_biomo/Mat3d.html)

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http://www.biorom.uma.es/contenido/av_biomo/FigT3/Fig3_17.gif

ESTRUCTURA TERCIARIA.- La estructura terciaria de las proteínas se refiere a las relaciones espaciales entre los elementos de la estructura secundaria. Es el plegamiento tridimensional de las proteínas en el espacio. La estructura terciaria comprende las relaciones entre los dominios estructurales y los residuos en posiciones distantes. Los dominios son unidades compactas relativamente independientes, pero conectadas por el esqueleto peptídico que realizan funciones específicas, ya que constituyen sitios de unión de ligandos. Los aminoácidos hidrófobos se ubican hacia el interior de las moléculas, quedando empaquetados en el interior de la molécula, mientras los aminoácidos hidrófilos se ubican hacia el exterior de la misma, tal como ocurre en las proteínas globulares. Los enlaces que estabilizan la estructura terciaria son:  

En la superficie de la proteína: generalmente enlaces electrostáticos, puentes de hidrógeno, fuerzas de van der Waals entre cadenas laterales, así como enlaces covalentes denominados enlaces disulfuro (entre residuos de cisteína). En el interior de la molécula: interacciones hidrófobas, que estabilizan los residuos con cadenas R no polares, quedando “empaquetados” en el interior de la molécula.

http://revistapesquisa.fapesp.br/wp-content/uploads/2015/11/066-069_Smolbnet_esp501.jpg

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ESTRUCTURA CUATERNARIA.- La unión de varias subunidades o protómeros por medio de fuerzas no covalentes (enlaces electrostáticos y puentes de hidrógeno) se conoce como estructura cuaternaria de las proteínas, dando lugar a moléculas proteicas de gran tamaño.

Dímero (dos subunidades o protómeros)

Heterodímeros Heterotetrámeros (subunidades o protómeros diferentes)

Proteínas con estructura cuaternaria

Proteínas

Homodímeros Homotetrámeros (subunidades o protómeros iguales)

Monoméricas: Una sola subunidad (no tiene estructura cuaternaria) Proteínas oligoméricas: Cadenas polipeptídicas múltiples Complejo proteico: Grupo de dos o más proteínas

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Tetrámero (cuatro subunidades o protómeros)

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MOLÉCULA DE HEMOGLOBINA https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSSmPatcCdaFcpV3VuYiOa7_KSzwLnBQwchyz2cugPU9TtwyOj

PLEGAMIENTO.- Es la adquisición de las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas, a partir de la estructura primaria. Se denomina maduración de las proteínas a todos los cambios postraduccionales (glucosilación, modificación de aminoácidos, etc) que sufren, y que ocurre en el aparato de Golgi o retículo endoplásmico. La síntesis de proteínas es la polimerización de aminoácidos que ocurre en los ribosomas. La conformación nativa de las proteínas constituye la estructura tridimensional de las proteínas, que se adquiere mediante el plegamiento de las mismas. DESNATURALIZACIÓN.- Es la pérdida de las estructuras cuaternaria, terciaria y secundaria de las proteínas y de las funciones o actividad biológica que dependen de dichas estructuras. Ocurre por ruptura de los enlaces débiles y se puede dar por causas físicas como el calor o químicas (presencia de radicales libres H+ y OH- in vivo o la adición de urea in vitro). Al desnaturalizarse, se rompen los enlaces débiles como los puentes de hidrógeno, manteniéndose los enlaces peptídicos y la estructura primaria de las proteínas. RENATURALIZACIÓN.- Consiste en la recuperación de las estructuras perdidas, por medio del proceso de plegamiento de la proteína, a partir de la estructura primaria, codificada genéticamente. Las chaperoninas moleculares, la disulfuro isomerasa proteínica y la prolilo cis-trans isomerasa, aceleran este proceso in vivo, ya que in vitro, este proceso puede tomar varias horas. Las proteínas poseen propiedades dinámicas y fluctuaciones temporales, ocurren movimientos continuos en diferentes tiempos, desde vibraciones localizadas en los

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ángulos y enlaces, movimientos de los dominios y la desnaturalización global de las mismas.

“La forma o estructura de las proteínas determina su función”

EJEMPLO DE MOLÉCULA DE COLÁGENO: Son proteínas fibrosas que tienen funciones estructurales en la piel, tejido conectivo, pelo, etc. Son sus estructuras secundarias y terciarias que le confieren determinadas propiedades mecánicas https://www.saberespractico.com/wpcontent/themes/imagination/Colageno%20(Estructura%20tridimensional).jpg

Referencias Bioquímica de Harper Bioquímica de Laguna PREGUNTAS 1. ¿Qué son las proteínas y cuál es la importancia biomédica de las proteínas? 2. Explique la clasificación de las proteínas 3. ¿Qué es y cuáles son las características de la estructura primaria de las proteínas? 4. ¿Cuáles son los enlaces débiles que estabilizan la estructura proteica? 5. ¿Cuáles son los tipos de estructura secundaria? 6. ¿En qué consisten y por qué son importantes las partes desordenadas de la cadena polipeptídica? 7. ¿Qué son los patrones supersecundarios de las proteínas? 8. ¿Qué es la estructura terciaria de las proteínas? 9. ¿Qué son los dominios y cuál es su importancia? 11

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10. ¿Qué es la estructura cuaternaria de las proteínas? 11. ¿Cuántos tipos de multímeros existen? 12. ¿Cuál es la diferencia entre proteínas monoméricas, oligoméricas y complejos proteicos? 13. ¿Qué es el plegamiento de las proteínas? 14. ¿Qué es la maduración de las proteínas? 15. ¿Qué es la conformación nativa de las proteínas? 16. ¿Cuándo se desnaturalizan las proteínas y cuáles son sus consecuencias? 17. ¿Cómo se renaturalizan las proteínas? 18. Señale tres propiedades de las proteínas.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO CARRERA DE MEDICINA ASIGNATURA: BIOQUÍMICA I UNIDAD I. BIOQUÍMICA Y MEDICINA LA CÉLULA La teoría celular.- La palabra célula proviene del griego kytos y del latín cella, que significa espacio vacío. Este nombre fue introducido por Robert Hooke en 1665. En 1674 Leewenhoek descubrió la existencia de células libres, a diferencia de las células “empotradas” descritas por Hooke. En el siglo XIX, mediante el desarrollo de diversas investigaciones surge la teoría celular, que es una generalización en la biología. Todos los seres vivos están compuestos por células y productos celulares. El funcionamiento de los organismos vivientes, uni o pluricelulares, resulta de las actividades e interacciones de las unidades celulares. NIVELES DE ORGANIZACIÓN EN BIOLOGÍA “La célula es la unidad morfológica y fisiológica en la estructura de los seres vivos, así como el átomo lo es en la estructura química” (De Robertis) Al desarrollarse la microscopia electrónica se ha podido estudiar la ultraestructura celular, así como la agregación y orientación de las moléculas biológicas. Los niveles de organización en biología están en relación con el poder resolutivo de los instrumentos utilizados para su análisis. DIMENSIÓN 0.1 mm y más 100 – 10 μm

RAMA DE LA ESTRUCTURA MORFOLOGÍA Anatomía Òrganos Histología Tejidos

MÈTODO

Ojo y lente simple Varios tipos de microscopio (microscopio óptico, etc) 10 – 0.2 μm (2000 Å) Citología Células Microscopio de Bacterias rayos X 2000 – 10 Å (1 nm) Ultraestructura Componentes Microscopio de luz celulares polarizada Virus Microscopio electrónico Menos de 10 Å (1 Biología Disposición de los Cristalografía de nm) molecular átomos, orientación rayos X Difracción Estructura de las moléculas de rayos X) molecular y Criomicroscopía atómica electrónica

CÉLULA EUCARIOTA Y PROCARIOTA Los organismos o células procariotas comprenden las bacterias, algunas algas azules y los micoplasmas. Se comprende que desde el punto de vista evolutivo, las células procariotas son los precursores de las células eucarióticas. Las células eucariotas pueden constituir organismos multicelulares. Los metazoarios, las células vegetales, las demás algas y los protozoarios son organismos eucariontes. DIFERENCIAS ENTRE LAS CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS CÉLULAS PROCARIOTAS CÉLULAS EUCARIOTAS Diversas formas Generalmente formas fijas de acurdo a las propiedades mecánicas y la asociación con células vecinas, aisladas en medio líquido tienen forma esférica Tamaño entre 1 y 10 μm de diámetro Tamaño muy variado, entre 4 μm3 hasta generalmente. La célula procariótica más 15000 μm3 pequeña es una estructura bacteriana llamada micoplasma, que mide entre 0.25 y 01 μm No poseen membrana nuclear Poseen membrana nuclear ADN se encuentra denudo en el El ADN está combinado con proteínas protoplasma No tiene nucléolos Los nucléolos están presentes División celular por amitosis División celular: mitosis o meiosis No existen endomembranas Poseen endomembranas No tienen mitocondrias. Las enzimas Las mitocondrias están presentes respiratorias y fotosintéticas están adheridas a la membrana plasmática No poseen cloroplastos Existen cloroplastos en las células vegetales Pared celular no celulósica En las células vegetales la pared celular celulósica está presente No se realiza la endocitosis ni exocitosis Se realiza la exocitosis y endocitosis Locomoción por medio de un único Locomoción a través de cilios y flagelos flagelo SEMEJANZAS ENTRE LAS CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS Existencia de una membrana plasmática Utilización de un mismo código genético Presencia de ribosomas, en donde se encuentra la maquinaria para la síntesis de proteínas Las semejanzas existentes entre las células eucarióticas y procarióticas, han permitido que el estudio de las bacterias, en especial la Escherichia coli, sirvan de fundamento para el estudio de las células eucariotas. Además de las células procariotas y eucariotas, es importante reconocer la existencia de los virus, los cuales, si bien no son verdaderas células, comparten algunas propiedades con los seres vivos, como son: la herencia, mutación y autorreproducción. Los virus son parásitos intracelulares obligados, es decir que dependen de la célula huésped.

Bibliografía: -

Bioquímica de Harper Biología celular y molecular de Robertis

PROBLEMAS 1) Analice los niveles de organización en la Biología 2) Establecer las equivalencias de unidades de medidas utilizadas en citología y biología molecular 3) ¿Qué es la célula? 4) Establezca las diferencias y semejanzas entre las células eucariotas y procariotas 5) Anote 5 ejemplos de células eucariotas y procariotas 6) Defina con sus propias palabras lo que es un virus y su diferencia con las células y seres vivos 7) Si no están formados por células ¿cómo hacen copias de sí mismos estas estructuras acelulares? 8) EXPOSICIÓN: Describa brevemente cómo están compuestos los biones acelulares: virus, viriones, priones, viroides, satélites, plásmidos, transposones, virusoides. ¿Qué células pueden infectar?

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO CARRERA DE MEDICINA ASIGNATURA: BIOQUÍMICA I UNIDAD II. EQUILIBRIOS: HÍDRICO, ÁCIDO BÁSICO Y ELECTROLÍTICO

COMPOSICIÓN GENERAL DE LAS CÉLULAS EUCARIÓTICAS Como se había señalado anteriormente, La célula está constituida de componentes orgánicos e inorgánicos. Componentes inorgánicos.- Son el agua (75-85%) y otros materiales inorgánicos en 1% (sales e iones) Componentes orgánicos.- Son las moléculas biológicas que se distribuyen de la siguiente manera: 10-20% proteínas 2-3% lípidos 1% carbohidratos

SALES E IONES Las sales se encuentran disociadas en iones. Los iones son importantes para conservar la presión osmótica, como activadores en las reacciones enzimáticas, en el mantenimiento del equilibrio ácido-base, en la transmisión de los impulsos nervioso y como componentes estructurales. Los principales aniones son: Cl-, PO4H-,PO42+, SO4H-, CO3H-, aminoácidos. Los principales cationes son: Na+, K+, Mg++, Ca++. Los principales iones intracelulares son: K+, Mg++, PO4H-, CO3HLos principales iones extracelulares son: Cl-, Na+ El calcio es un componente importante de la sangre y las células, es un activador de funciones celulares. En el tejido óseo se encuentra unido al fosfato y el carbonto. El fosfato se encuentra libre en la sangre y los compartimientos líquidos del organismo, incluyendo el espacio intracelular. También puede estar unido a diferentes macromoléculas como los fosfolípidos, nucleótidos, fosfoproteínas, azúcares fosforilados. El CO3H- constituye el mayor amortiguador o buffer químico. El PO4H- también es un importante amortiguador.

El hierro forma parte de la estructura de la hemoglobina, ferritina, citocromos y algunas coenzimas. Oligoelementos: Manganeso, cobre, cobalto, yodo, selenio, níquel, molibdeno, zinc. BIBLIOGRAFÍA -

Bioquímica de Harper Bioquímica de Laguna

PREGUNTAS 1. Mencione la importancia general de sales e iones en el organismo 2. Nombre los principales aniones intracelulares 3. Nombre los principales cationes intracelulares 4. Nombre los principales aniones extracelulares 5. Nombre los principales cationes extracelulares 6. Brevemente señale la función del calcio 7. ¿Cuáles son los amortiguadores químicos? 8. Describa la función del fosfato 9. ¿Qué estructuras contienen hierro? 10. Nombre los oligoelementos

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO CARRERA DE MEDICINA ASIGNATURA: BIOQUÍMICA I UNIDAD II. UNIDAD II. EQUILIBRIOS: HÍDRICO, ÁCIDO BÁSICO Y ELECTROLÍTICO EL AGUA La molécula de agua está compuesta por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Forma la mayor parte de la célula eucariota y de los seres vivos, y es el medio en el cual se dan todos sus procesos vitales y reacciones metabólicas, haciendo posible la vida. Es el solvente en el cual se realizan todas las funciones, lo que es factible gracias a las fuerzas de cohesión entre sus moléculas y a las características estructurales que éstas tienen. ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DEL AGUA “El oxígeno se une con el hidrógeno mediante enlaces covalentes formados por dos pares de electrones. La carga neta de una molécula de agua es cero, pero la distribución de electrones en la molécula presenta cierto desequilibrio, debido a la diferente electronegatividad del hidrógeno y del oxígeno, esto hace que la molécula sea eléctricamente asimétrica y se cree un dipolo eléctrico”. (Teijón, Rivera, José María, et al. Bioquímica estructural: conceptos y tests (2a. ed.), Editorial Tébar Flores, 2009. ProQuest Ebook Central, http://ebookcentral.proquest.com/lib/unachlibsp/detail.action?docID=3194252. Created from unachlibsp on 2018-04-11 14:38:15)

“La polaridad del enlace O H tiene una consecuencia importante: los dipolos permanentes de este enlace se atraen entre ellos y la interacción entre el átomo de hidrógeno ligeramente positivo de una molécula de agua y el átomo de oxígeno ligeramente negativo de otra molécula de agua produce una atracción dipolo-dipolo denominada enlace de hidrógeno o puente de hidrógeno”. En el agua líquida las moléculas se encuentran en constante reorganización. (Teijón, Rivera, José María, et al. Bioquímica estructural: conceptos y tests (2a. ed.), Editorial Tébar Flores, 2009. ProQuest Ebook Central, http://ebookcentral.proquest.com/lib/unachlibsp/detail.action?docID=3194252. Created from unachlibsp on 2018-04-11 14:50:32).

El agua es un buen solvente, por ser un dipolo. Las moléculas polares y aquellas que, a pesar de no ser iones, poseen cargas débiles, se disuelven con gran facilidad en el agua (moléculas hidrófilas). Las moléculas apolares (como aquellas que tienen cadenas hidrocarbonadas largas), interaccionan entre sí para repeler a las moléculas de agua, las cuales rodean a los compuestos apolares (moléculas hidrófobas), obligándolos a agruparse. El agua tiene un elevado calor de vaporización, es miscible y su densidad es estable en estado líquido. Disociación del agua.- El agua puede disociarse en sus iones y generar soluciones ácidas o básicas, por lo que el agua se considera una sustancia anfótera:

H2O + H2O Disolución neutra

H3O+ + OHH+ = OH-

Disolución ácida

H+ > OH-

Disolución básica

H+ < OH-

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 



Teijón, Rivera, José María, et al. Bioquímica estructural: conceptos y tests (2a. ed.), Editorial Tébar Flores, 2009. ProQuest Ebook Central, http://ebookcentral.proquest.com/lib/unachlibsp/detail.action?docID=3194252. Created from unachlibsp on 2018-04-11 14:27:32. https://www.asturnatura.com/bioelementos-biomoleculas-inorganicas/agua.html

DISTRIBUCIÓN DEL AGUA El agua representa el 60% del peso corporal. compartimientos líquidos del organismo.

Se encuentra distribuida en diferentes

Líquido extracelular: 20% del peso corporal. Corresponde el 15% al líquido intersticial y el 5% al plasma sanguíneo. Líquido intracelular: 40% del peso corporal (excepto huesos y dientes) El agua del espacio intracelular puede ser de dos tipos: Agua ligada (4-5%) y agua libre (95%). Como se señaló previamente, el agua es un dipolo, lo que permite que se ligue a las proteínas. El agua puede pasar de un compartimiento a otro, gracias a procesos de excreción, absorción y ósmosis. FUNCIONES DEL AGUA: Las funciones del agua son las siguientes:      

Solvente natural de las células Constituye el medio de dispersión de los componentes celulares Permite la actividad metabólica Participa en reacciones enzimáticas Interviene en la eliminación de sustancias Ayuda en la absorción de calor y mantenimiento de la temperatura

HOMEOSTASIA: Es el mantenimiento de la composición adecuada del ambiente interno. Es un sistema de regulación corporal que requiere del balance entre los siguientes aspectos:   

Distribución del agua Mantenimiento del pH y equilibrio ácido-base Concentración adecuada de electrolitos

REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO HÍDRICO.- Ocurre mediante los siguientes procesos:     

Mecanismos hipotalámicos para controlar la sed Hormona antidiurética Excreción de agua por los riñones Pérdida de agua a través de la transpiración y la respiración Ingesta de agua

Existen mecanismos osmóticos y no osmóticos implicados en la distribución y regulación del agua corporal. Ej: Si se presenta un aumento de la osmolaridad del plasma del 2% se producirá sed y liberación de la hormona antidiurética hipofisiaria (ADH), lo cual se traduce en una aumento de la ingesta de agua y una disminución de la excreción de agua por vía renal. En consecuencia se corregirá la alteración de la osmolaridad.

IMPORTANCIA BIOMÉDICA

Las posibles alteraciones del equilibrio hídrico son las siguientes: 



Depleción hídrica.- Es la disminución de la cantidad de agua corporal. Puede ocurrir por: Menor ingestión de agua (por ejemplo, en los casos de coma), incremento en la pérdida de agua (sudoración profusa, pérdida aumentada por vía renal, diabetes, diarrea). Exceso de agua corporal.- Sus causas son: Aumento de la ingestión (administración excesiva de líquidos por vía intravenosa), disminución de la excreción de agua (insuficiencia renal).

REFERENCIAS - Bioquímica de Harper - Bioquímica de Laguna PREGUNTAS 1. Explique la estructura del agua 2. Describa las propiedades del agua 3. ¿Por qué el agua es el solvente natural de las células? 4. ¿Qué son las moléculas hidrófilas e hidrófobas? 5. ¿Cómo se da la disociación del agua y cómo se explica su propiedad anfótera? 6. ¿Cómo se distribuye el agua en el organismo? 7. ¿Cuáles son los mecanismos que permiten el paso de agua de un espacio a otro? 8. Nombre las funcione del agua 9. ¿Qué es la homeostasia y cómo se conserva? 10. Señale los procesos de regulación del equilibrio hídrico. Explique mediante un ejemplo. 11. ¿Cuáles son las alteraciones del equilibrio hídrico?

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO CARRERA DE MEDICINA ASIGNATURA: BIOQUÍMICA I UNIDAD II. EQUILIBRIOS: HÍDRICO, ÁCIDO BÁSICO Y ELECTROLÍTICO EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE La homeostasis es el mantenimiento de la composición del ambiente interno del organismo. Este sistema de regulación contempla los siguientes aspectos: -

Distribución del agua Mantenimiento del pH y equilibrio ácido-base Concentración adecuada de electrolitos

El sistema de regulación ácido-básica o del pH corporal, resguarda al organismo contra cambios del pH, que se deben especialmente a la formación permanente de varios ácidos productos del metabolismo celular. Los mecanismos de regulación de equilibrio ácido-base son de varios tipos, e incluyen la acción de los amortiguadores, el intercambio iónico, mecanismos respiratorios y mecanismos renales. El pH del líquido extracelular debe permanecer de manera muy constante entre 7.35 y 7.45. (Laguna, Piña, 2007). El pH en la sangre es de 7.40, ligeramente inferior en la sangre venosa. Alteraciones de 0.05 son imperceptibles y rápidamente corregibles. Esto nos da el rango mencionado de 7.35 a 7.45.

CONCEPTOS GENERALES Un ácido es una sustancia o compuesto que al disolverse en el agua aumenta la concentración de hidrogeniones, es decir que puede ceder protones y que forma sales al combinarse con las bases. Una base es una sustancia o compuesto que tiene la capacidad de captar hidrogeniones y dar lugar a la formación de sales. Las reacciones de ácidos y bases tienen definidas sus constantes de equilibrio. Se puede determinar si un ácido o base es fuerte o débil a través del valor de la constante de equilibrio; cuanto más fuerte es un ácido más abundante es la donación de protones, así mismo cuanto más fuerte es una base mayor será la absorción de protones. La fortaleza de un ácido o de la base depende de su capacidad para ceder o aceptar protones. Cuanto más fuerte es el ácido más débil es su base conjugada. En general el equilibrio de cualquier base corresponde a: B + H2O

BH+ + OH−

BOH

B + + OH−

Mientras que para un ácido es: AH

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A− + H +

AH + H2O

A − + H3O + (hidronio)

La pKa es la constante de disociación de un ácido, es decir la constante de equilibrio de la reacción anterior. El agua actúa como solvente natural de las células, por lo cual existe un aporte de H+ y OH- que pueden competir con la reacción de acidez o basicidad que se analice. Esto es debido a la reacción de autoionización del agua: H2O(l)

H+(ac)+OH−(ac)

2H2O(l)

H3O +(ac)+OH−(ac)

La constante de equilibrio es: K = [H +] · [OH−] = [H3O +] · [OH−] = 10−14 Por lo tanto en el agua pura (destilada), en que no existe afectación del equilibrio inicial de autoionización, hay: [H +] = [OH−] = 10−7 DEFINICIÓN DE pH, pOH Y pK: El pH es el logaritmo negativo (- logaritmo) decimal de la concentración de hidrogeniones [H +]. El pOH es el logaritmo negativo (- logaritmo) decimal de la concentración de [OH−]. pH = −log10 [H +] pOH = −log10 [OH−] El pK (constante de equilibrio de cualquier reacci´on) es: pK = −log10 (K) Si K = [H +] [OH−] = 10−14 ⇒ pH + pOH = pKw = 14 Entonces, una solución ácida es aquella cuyo pH es menor que 7 y el pOH mayor a 7. Una solución básica es aquella cuyo pH es mayor a 7 y el pOH por debajo de 7. Una solución neutra es aquella cuyo pH es igual a 7. (Fundamentos de Química, Grado en Física) Equilibrio ácido-base Enero–Mayo, 2011 6 / 49) Constates de equilibrio en reacciones de ácidos y bases http://www.qfa.uam.es/labqui/presentaciones/Tema8.pdf REGULACIÓN DEL pH CORPORAL 1.- REGULACIÓN DEL pH POR EL SISTEMA DE AMORTIGUADORES Muchas sustancias degradadas en el organismo como producto del metabolismo celular dan lugar a CO2, el cual constituye el principal producto final del metabolismo intermediario, el cual se combina con el agua y forma ácido carbónico, H2CO3, en grandes cantidades que son de 20 moles al día o más, lo que equivale a 2 L de HCL concentrado. El ácido carbónico puede eliminarse fácilmente en forma de CO2, a través de la respiración, lo que contribuye a mantener pág. 2

el equilibrio ácido-base. Existen otros ácidos fijos, no volátiles, que son producidos en el metabolismo, tales como el ácido úrico, el ácido fosfórico y el ácido β-hidroxibutírico; los H+ provenientes de estos ácidos son neutralizados por el bicarbonato HCO3-, formándose ácido carbónico y degradándose finalmente en CO2 y H2O. Esta reacción causa una disminución de la cantidad de HCO3- disponible. Como consecuencia disminuye la capacidad de amortiguación de la célula; esta capacidad amortiguadora es de 15 mEq por kilogramo de peso corporal. La “reserva alcalina” se refiere a la cantidad de bicarbonato disponible. (Laguna, Piña, 2007). Para comprender el sistema de regulación de pH corporal a través de amortiguadores, es importante señalar que en los líquidos extracelulares el catión dominante es el Na+, el cual se equilibra desde el punto de vista eléctrico con los aniones Cl - y HCO3-. El resto de aniones y cationes no tienen influencia significativa. Como ya se ha mencionado, incluso los H+ y de la misma manera los OH-, son rápidamente neutralizados, en función de la necesidad que existe de mantenerlos a una concentración constante, para mantener el equilibrio ácido-base. (Laguna, Piña, 2007). Los amortiguadores son todas las sustancias capaces de fijar o liberar H+. H Hb = H+ + Hb + H Prot = H+ + Prot H2PO4- = H+ + HPO42H2CO3 = H+ + HCO3CUADRO 1.- SISTEMA DE REGULACIÓN DEL pH A TRAVÉS DE AMORTIGUADORES. (Laguna, Piña, 2007) Entre los amortiguadores del organismo tenemos los siguientes:    

Hemoglobina del glóbulo rojo, que es cuantitativamente uno de los amortiguadores más importantes de la sangre. Proteínas plasmáticas y celulares Fosfatos intra y extracelulares (PO42-) El sistema amortiguador más importante y efectivo del organismo es el integrado por H2CO3/ HCO3- ; esto se da porque en el organismo la cantidad de H2CO3 es casi ilimitada, tomando en cuenta que el mismo proviene de la hidratación del CO2 que se forma como resultado del metabolismo celular. La condición de que uno de los pares de este sistema, el H2CO3 se forme a partir de un gas (CO2), hace más adaptable el sistema amortiguador a diferentes eventos que alteren el pH. En el caso de este sistema de amortiguación, si se agrega hidrogeniones (H+) a la solución se forma más ácido carbónico (ya que el bicarbonato capta hidrogeniones), el cual se degrada en agua y CO2, siendo este último excretado por los pulmones; si se agrega OH-, se disocia el gas carbónico y los H+ se unen al OH-,, formándose agua y bicarbonato. (Laguna, Piña, 2007).

La ecuación de Henderson-Hasselbach para el equilibrio de este sistema es: pH = 6.10 + log (HCO3-) (H2CO3)

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donde: -

-

6.10 corresponde a la constante de disociación pK, que es la tendencia que tienen los ácidos, en este caso el gas carbónico a ionizarse. HCO3- es una base débil, H2CO3 es su ácido conjugado. El ácido carbónico (H2CO3) corresponde a: ácido carbónico + CO2

(Laguna, Piña, 2007). En la clínica se puede medir pH y pCO2, bicarbonato a partir del CO2 total. pH = 6.10 + log (HCO3-) 0.0301pCO2 (DuBose, 2012) donde: -

0.0301 es el coeficiente de solubilidad del CO2 La relación entre el numerador y el denominador es 20.

Los aniones totales de las sales amortiguadoras combinables con H+, son el primer nivel de protección contra una alteración por exceso de acidez. Para calcular la suma de todos los amortiguadores corporales intra y extracelulares y hasta de los huesos, se lo realiza en base al pH de la sangre, el valor de CO2 total de la sangre completa o del plasma, y el hematocrito. (Laguna, Piña, 2007). Como ya se conoce, los hidrogeniones (H+) se originan del metabolismo. Los ácidos se disocian (PO4H-, PO42-, SO4H-, SO42-) y los hidrogeniones son rápidamente neutralizados y excretados por los riñones. Existen ácidos que se acumulan como el ácido pirúvico y el ácido láctico, produciendo alteraciones fisiológicas. Las sales acidificantes como el cloruro de amonio (NH4Cl) o el CaCl2 adicionan HCl al organismo disminuyendo el pH (Laguna, Piña, 2007). Las frutas suministran sales, que dan aniones (bases débiles) que absorben protones y dan como resultado NaHCO3, KHCO3 y CO2. Los pulmones excretan CO2. 2.- REGULACIÓN DEL pH POR EL MECANISMO DE INTERCAMBIO DE IONES Este sistema se ejemplifica claramente por el intercambio de iones entre el glóbulo rojo y el plasma. Cuando aumenta el CO2 en el plasma y se combina con el agua, originando ácido carbónico H2CO3 , aumenta la acidez; la anhidrasa carbónica de los glóbulos rojos cataliza la unión entre el CO2 y el H2O, por lo cual el ácido carbónico se acumula y se disocia en H+ y HCO3-; por su efecto amortiguador las proteínas captan los H+, mientras el HCO3- se difunde hacia el exterior del glóbulo rojo, intercambiándose por una cantidad igual de Cl- que ingresan y mantienen la neutralidad eléctrica. Las moléculas de HCO3- que salen al plasma aumentan la alcalinidad del mismo y contrarrestan la mayor acidez causada por el ascenso de H2CO3, originada a su vez por el alza inicial de la tensión de CO2 en el plasma. En el músculo y los huesos se da un intercambio importante de H+ de los líquidos por los cationes Na+, K+ y Ca2+. En ocasiones, más de la cuarta parte de la acción amortiguadora del

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organismo depende de la liberación de cationes óseos y musculares a cambio del ingreso de H +; en otras circunstancias, a cambio del Na+ que penetra a las células del hueso y los músculos, salen hidrogeniones H+ para combinarse con los abundantes iones de HCO3- extracelulares; el H2CO3 generado se elimina como CO2. En forma opuesta, cuando existe un exceso de H+, éste es introducido a las células a cambio de Na+, el cual sale de ellas y es equilibrado con el HCO3que proviene del H2CO3-. Este mecanismo de intercambio de iones es cuantitativamente significativo, ya que la mitad de la carga de ácido y aproximadamente la cuarta parte de la de bicarbonato, se neutralizan mediante este sistema. (Laguna, Piña, 2007).

3.- MECANISMOS RESPIRATORIOS DE REGULACIÓN DEL pH En la regulación del pH a partir de la respiración, participan factores fisiológicos como son los volúmenes y frecuencia de la respiración, lo que influye en el transporte de oxígeno en la sangre, el efecto amortiguador de la hemoglobina y la excreción de ácido carbónico, en forma de CO2, a través de los pulmones. Siendo estos mecanismos de regulación interdependientes, la regulación respiratoria del pH está ligada al par amortiguador [HCO3-/ H2CO3] en el plasma y eritrocitos. Mientras la concentración de HCO3- es más estable, la concentración de H2CO3 depende de la presión parcial de CO2 (pCO2), originado en el metabolismo celular, y de la cantidad de CO2 que se expulse en los pulmones. El pH y la pCO2 de la sangre afectan la amplitud y frecuencia de la respiración; cuando estas últimas aumentan influyen en la cantidad de CO2 eliminado del plasma en los pulmones. Una mayor concentración de H2CO3 en sangre, refleja un aumento de la pCO2, y una disminución del pH sanguíneo; estos dos elementos estimulan el sistema nervioso central, lo que aumenta la respiración en su frecuencia y volumen, expulsando más cantidad de CO2. Así se eleva el pH, disminuye la PCO2 y al desaparecer el estímulo, disminuye la frecuencia y movimientos respiratorios. El objetivo es mantener el pH en límites permisibles y restablecer la relación [HCO 3-/ H2CO3], que como ya se ha mencionado debe ser 20 a1. Por el contrario, si se eleva el pH plasmático por acúmulo de HCO3-, disminuirán la frecuencia y volumen respiratorio, limitando la expulsión de CO2, lo que conlleva a la elevación de la pCO2 en el plasma y aumenta la concentración de H2CO3. Con esto se corrige el pH original, se mantiene la relación en el sistema, pero sin reducir la concentración de HCO 3-. Este arreglo es temporal y depende de la disponibilidad de CO2 capturado como H2CO3. En conclusión, ambos elementos del par [HCO3-/ H2CO3], se elevan lo que permite conservar la relación de 20 a1, pero sus valores normales se deben restablecer mediante mecanismos renales. (Laguna, Piña, 2007). 4.- MECANISMOS RENALES DE REGULACIÓN DEL pH Los ácidos fijos, es decir los H+ que se producen en el metabolismo son cerca de 100 mEq diarios; el riñón los elimina al mismo tiempo que reabsorbe HCO3-, recobrando la reserva alcalina para preservar la capacidad amortiguadora del organismo. (Laguna, Piña, 2007)

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Es decir que los riñones regulan la concentración de HCO3- plasmático mediante tres acciones: 1) Reabsorción de HCO3- filtrado, 2) formación de ácido valorable y 3) eliminación de NH4 por la orina. Los riñones excretan 4000 mmol de HCO3- diariamente, para recuperarlo, los túbulos renales deben secretar, por tanto, 4000 mmol de H+. El 80 a 90% del HCO3- se resorbe en el túbulo proximal. La nefrona distal resorbe el porcentaje restante, secretando H+ para mantener el pH del organismo. Los hidrogeniones excretados evitan que se produzca una acumulación de H+, así como la reducción del pH (acidosis). En la orina esta cantidad de protones se refleja como ácido valorable (orina ácida) y NH4+ (DuBose, 2012). En estos casos, se excreta fosfato monovalente alcalino (HPO4-), perdiéndose solo un Na+ para mantener el equilibrio eléctrico. Se eliminan así los H+, sin pérdidas excesivas de Na+ extracelular y con disminución muy discreta del HCO3-. (Laguna, Piña, 2007). En el caso contrario, cuando el pH del plasma se desvía hacia la alcalinidad, se elimina menos hidrogeniones a nivel renal y el fosfato se excreta como fosfato ácido divalente (HPO42-), con lo cual se requiere perder dos Na+. Cada hidrogenión retenido a cambio de Na+ eliminado, se une al HCO3-, formándose H2CO3, el cual finalmente se transforma en H2O + CO2; reduciéndose así la reserva alcalina, es decir el HCO3- del plasma. (Laguna, Piña, 2007). TRASTORNOS ACIDOBÁSICOS SIMPLES El pH extracelular debe mantenerse entre 7.35 y 7.45. El pH es el logaritmo negativo de base 10 de la concentración de hidrogeniones (H+). (Murray, 2013). Las alteraciones clínicas más frecuentes son los trastornos acidobásicos simples, que son la acidosis o alcalosis metabólicas y la acidosis o alcalosis respiratorias. En estos casos la compensación no es completa, por lo cual el pH está alterado. Existen situaciones clínicas más complejas que producen trastornos acidobásicos mixtos. (DuBose, 2012) Basados en la ecuación de Henderson-Hasselbach para el equilibrio ácido-base en función del par amortiguador [HCO3-/ H2CO3]: pH = 6.10 + log (HCO3-) (H2CO3) pH = 6.10 + log (HCO3-) 0.0301pCO2 en la cual se determina que la relación entre el numerador y denominador es 20 a 1, en los casos de alteraciones acidobásicas se dan los siguientes casos: Si la pCO2 aumenta, disminuye la relación por debajo de 20 y hay acidosis. Por el contrario, si la pCO2 disminuye, aumenta la relación por encima de 20 y hay alcalosis. En estos casos estamos hablando de acidosis y alcalosis respiratorias, causadas por una alteración en la respiración y trastorno de la excreción de CO2 en los pulmones. (Laguna, Piña, 2007). En la clínica, para diagnosticar una posible alteración del pH nos basamos en la medición del pH de la sangre arterial y el contenido de CO2 en sangre venosa y la presión de CO2 en sangre arterial (p CO2). (Murray, 2013). Las alteraciones del equilibrio ácido-base respiratorias primarias (cambios primarios de la paCO2 dan lugar a respuestas de compensación de tipo metabólico (cambios secundarios de

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HCO3-); asimismo, los trastornos metabólicos primarios ocasionan mecanismos de compensación respiratorias. (DuBose, 2012).

FIGURA 1. CARACTERÍSTICAS DE LAS ALTERACIONES ÁCIDO-BASE Y SUS RESPUESTAS COMPENSADORAS. (Saínz, 2006) REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS  Murray, R., (2013). Bioquímica de Harper Ilustrada 29ª ed, México, DF: Editorial Manual Moderno.  Saínz, B.,(2006).Alteraciones del equiibrio ácido-base, Rev Cubana Cir v.45 n.1 Ciudad de la Habana, versión On-line ISSN 1561-2945. Recuperado de http://scielo.sld.cu/scielo.php?pid=S003474932006000100011&script=sci_arttext&tlng=pt#cargo  DuBose T D. Jr., (2012). Acidosis y alcalosis. Capítulo 47. En D. L. Longo, A. S. Fauci, y otros. Harrison Principios de Medicina interna (p. 363-373). México: Mc Graw Hill, interamericana editores, S.A. de C.V.  Laguna, J., Piña, E., (2007). Bioquímica de Laguna, Sexta Edición. México: Editorial El Manual Moderno, S.A. de C.V.  Fundamentos de Química, Grado en Física. Equilibrio ácido-base Enero–Mayo, 2011 6 / 49) Constates de equilibrio en reacciones de ácidos y bases. Disponible en http://www.qfa.uam.es/labqui/presentaciones/Tema8.pdf

PREGUNTAS ESPECÍFICAS: a) Explicar la importancia biomédica del Sistema de amortiguador H2CO3/ HCO3-

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b) Describir los mecanismos secundarios compensatorios de tipo renal que se generan ante alteraciones del equilibrio ácido-base respiratorias. c) Describir los mecanismos compensatorios de tipo respiratorio o renal que se generan ante alteraciones del equilibrio ácido-base metabólicas.

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ASIGNATURA DE BIOQUÍMICA I UNIDAD No.3 AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS Las proteínas constituyen moléculas biológicas compuestas por cadenas peptídicas. A su vez, están formadas por monómeros denominados aminoácidos. AMINOÁCIDOS Los aminoácidos son los precursores y unidades estructurales de las proteínas, que además determinan su función. Las proteínas están constituidas por 20 L- α – aminoácidos. Los aminoácidos que conforman las proteínas contienen un átomo de Carbono α, al cual todos los grupos funcionales se encuentran unidos. IMPORTANCIA BIOMÉDICA Los 10 aminoácidos esenciales (L-Leucina, L-Isoleucina, L-Fenilalanina, L-Metionina, L-Lisina, L-Treonina, L-Triptófano y L-Valina, L-histidina y L- arginina) que deben ser ingeridos en la dieta, ya que no pueden ser sintetizados en nuestro organismo. La arginina es esencial durante el crecimiento. Los aminoácidos provenientes de las proteínas ingeridas en la dieta son absorbidos desde el intestino hacia la circulación entero hepática, para luego distribuirse a los tejidos para la síntesis de proteínas necesarias para las funciones vitales. La carencia de los aminoácidos esenciales da lugar a la formación inadecuada de las proteínas en las cuales dichos aminoácidos participan, generando estados de desnutrición. Los defectos genéticos que afectan al metabolismo de los aminoácidos son muy graves, por ejemplo la fenilcetonuria o las aminoacidurias. Las funciones de los aminoácidos son de tipo: estructural, hormonal, catalítica, de transmisión de impulsos nerviosos, regulación del crecimiento celular y biosíntesis de purinas y pirimidinas. Algunos antibióticos son polipeptídicos (como la gramicidina) en los cuales se usan D y L- α-aminoácidos. ESTRUCTURA Los aminoácidos están constituidos por un carbono α, un grupo carboxilo, un grupo amino, una cadena lateral ( R ), un hidrógeno. Todos los grupos funcionales que se unen 1

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al C α de los aminoácidos son diferentes, excepto en el aminoácido glicina, en que la cadena lateral es un H. La cadena lateral ( R ) difiere en cada aminoácido.

http://2.bp.blogspot.com/_FZe5zyi_mHA/SZyDFaz6AmI/AAAAAAAAAFk/CNH3YCYL_6c/s400/For mula+general+de+los+amino%C3%A1cidos.png

https://image.slidesharecdn.com/5aayproteinas-131022040746-phpapp02/95/5-aa-y-proteinas-12638.jpg?cb=1422544344

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PROPIEDADES DE LOS AMINOÁCIDOS Existen más de 300 aminoácidos en la naturaleza. Por codificación genética solo se utilizan 20 L- α – aminoácidos: L- α- aminoácidos de las proteínas: Glicina Alanina Valina Leucina Isoleucina Serina Treonina Tirosina Cisteína Metionina

Ácido aspártico Asparagina Ácido glutámico Glutamina Arginina Lisina Histidina Fenilalanina Triptófano Prolina

Los aminoácidos no absorben la luz visible, son incoloros. Absorben la luz ultravioleta (< 240 nm). Los aminoácidos que son aromáticos como el triptófano y la tirosina abosrben la luz de 250-290 nm. El grupo amino y carboxilo son débilmente ácidos (el grupo carboxilo actúa como un ácido más fuerte que el grupo amino). Pueden existir otros grupos funcionales débilmente ácidos como (- OH, - SH), que van a determinar la carga neta del aminoácido según el pH del medio. La carga neta de los aminoácidos es la suma algebraica de las cargas positivas y negativas. Por esta razón, los aminoácidos son anfolitos. El pI (punto isoléctrico) es el pH al cual el aminoácido no posee carga neta. A los aminoácidos que no poseen cargan neta, es decir que la suma algebraica de cargas positivas y negativas es 0, se los denomina zwitteriones. Los zwitteriones poseen igual número de grupos ionizables de cargas opuestas. Todas estas características dependen de la constante de disociación pK de cada aminoácido.

http://gmein.uib.es/moleculas/aaestructurajmol/aa.gif

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Los aminoácidos siempre están ionizados, a cualquier pH. Si el pH desciende, el grupo NH2 se protona antes que el grupo COOH. A pH más alcalino, el grupo COOH pierde el H+ antes que el grupo NH3. Como los aminoácidos son iones, son solubles en solventes polares como el agua o insolubles en solventes no polares como el benceno. Estas propiedades se extienden a las estructuras formadas por aminoácidos. Las reacciones químicas de los aminoácidos están en relación de los grupos funcionales que los estructuran. La reacción química más importante de los aminoácidos es el enlace peptídico, enlace covalente que se da entre el grupo α-amino de un aminoácido y el grupo α-carboxilo de un segundo aminoácido. Al formarse el enlace peptídico se elimina 1 mol de agua entre los grupos funcionales y requiere del ATP para su activación. Los enlaces peptídicos solo pueden ser disueltos mediante procesos de hidrólisis. CLASIFICACIÓN Los aminoácidos se clasifican, de acuerdo a su cadena lateral, en hidrófilos (que son afines al agua) o hidrófobos (no interactúan con el agua). En el cuadro de la nomenclatura se puede observar la clasificación de acuerdo a las cadenas laterales de los aminoácidos. AMINOÁCIDOS HIDRÓFILOS

AMINOÁCIDOS HIDRÓFOBOS

ácido aspártico

alanina

àcido glutámico

fenilalanina

arginina

isoleucina

asparagina

leucina

cisteína

metionina

glicina

prolina

glutamina

tirosina

histidina

triptófano

lisina

valina

serina treonina

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Además existen 10 aminoácidos esenciales y 10 aminoácidos no esenciales. También se conocen ciertos aminoácidos derivados, a consecuencia de las modificaciones “postraduccionales” que pueden sufrir (tales como carboxilación, metilación, hidroxilación, formilación, acetilación, prenilación, fosforilación). Los aminoácidos L se pueden transformar en D. Entre los aminoácidos derivados se encuentran la cistina (dímero de cisteína), hidroxilisina e hidroxiprolina (son parte del colágeno). PÉPTIDOS Los péptidos se forman por la polimerización de los L- α – aminoácidos, mediante enlaces covalentes denominados enlaces peptídicos. Los esqueletos peptídicos constituyen la moldura para la estructura de las proteínas, siendo la secuencia de aminoácidos en la cadena peptídica, la ESTRUCTURA PRIMARIA DE LAS PROTEÍNAS, la cual está codificada genéticamente. IMPORTANCIA BIOMÉDICA     

Algunas hormonas y neurotransmisores son péptidos, por ejemplo, la insulina Existen antibióticos peptídicos, tales como la gramicidina (D-fenilalanina, ornitina) También algunos antitumorales son de naturaleza peptídica, como la bleomicina Edulcorantes como el aspartame son péptidos, así como algunas vacunas, agentes vasoactivos y antioxidantes El glutatión que interviene en el metabolismo de los xenobióticos es un péptido.

ESTRUCTURA Y NOMENCLATURA

ESTRUCTURA DEL ESQUELETO PEPTÍDICO http://biomodel.uah.es/model1j/prot/pept-tripep.gif

El grupo amino del primer aminoácido de un péptido siempre se ubica hacia el extremo izquierdo y el grupo carboxilo del último aminoácido se coloca en el extremo derecho de la cadena peptídica. RESIDUOS.- Los aminoácidos cuyos grupos carboxilos participan en el enlace peptídico se llaman “residuos aminoacilos”. Su nombre cambia para adoptar la terminación “ilo”.

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NOMENCLATURA.- En el péptido, los aminoácidos acogen su nombre como derivados del residuo aminoácido de la terminal carboxilo; el último aminoácido cuyo grupo carboxilo no forma parte del enlace peptídico conserva su nombre original.

NOMENCLATURA DE LOS PÉPTIDOS http://2.bp.blogspot.com/-x5n1KDPMaI/VX8VuhaLs9I/AAAAAAAAAWA/86AcKFHvE7Q/s1600/Presentaci%25C3%25B3n1.jpg

En la nomenclatura se puede usar sólo las tres primeras letras de las abreviaturas de los aminoácidos: Ser- Gly – Tyr- Ala – Leu Cuando no se conocen los residuos aminoacilos en determinada posición del péptido, se usan comas y se encierra entre paréntesis el segmento mencionado: Ej: Glu – Lys- (Ala- Gly- Tir) – His- Ala Como opción adicional, se puede usar la abreviatura de una letra para representar al péptido, sin colocar líneas intermedias: SGYAL PROPIEDADES Los péptidos son polielectrolitos. En el enlace peptídico se pierde una carga + y una carga - , por lo cual carece de carga. Son los grupos terminales y cadenas laterales los que le confieren las características de ser polielectrolitos a los péptidos. Por estar constituidos por aminoácidos, también los péptidos dependen del pK y el pH para adquirir cargas positivas y/o negativas.

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En cuanto al enlace peptídico, además de no poseer carga, tiene un carácter parcial de doble enlace. No existe rotación alrededor de C y N. Por lo cual los átomos C, N. H y O son coplanares. La secuencia de aminoácidos en la cadena peptídica, determina la ESTRUCTURA PRIMARIA DE LAS PROTEÍNAS, la cual está codificada genéticamente. CLASIFICACIÓN Los péptidos, considerados polielectrolitos, se clasifican en: Dipéptido: formado por dos aminoácidos. Oligopéptido: formado por menos de 10 aminoácidos. Polipéptido: formado por más de 10 aminoácidos. Ej: la insulina. Las proteínas contienen más de 100 aminoácidos.

Referencias Bioquímica de Harper Bioquímica de Laguna

Problemas: 1.- ¿Qué son los aminoácidos y cuál es su importancia biomédica y nutricional? 2.- ¿Qué son anfolitos? 3.- ¿Qué son zwitteriones y qué significa punto isoléctrico? 4.- ¿Cómo se estructuran los aminoácidos? 5.- Explique las propiedades de los aminoácidos 6.- ¿Cómo se clasifican los aminoácidos? 7.- ¿Cómo se forman un enlace peptídico? ¿Cómo se disuelve? 8.- ¿Cómo se estructuran los péptidos? 9.- ¿Cuáles son las funciones e importancia biomédica de los péptidos? 10.- Investigue el nombre y estructura de un péptido (máximo 4 aminoácidos) 11.- ¿Qué es y cuáles son las características de la estructura primaria de las proteínas? 12.- Describa las propiedades de los péptidos.

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ASIGNATURA DE BIOQÍMICA I UNIDAD No.5

CARBOHIDRATOS Y LÍPIDOS LÍPIDOS Composición.- Los lípidos constituyen moléculas biológicas cuya estructura en general, constituye ésteres de ácidos grasos con alcoholes. Los lípidos complejos pueden poseer otros grupos adicionales. CLASIFICACIÓN Lípidos simples: Constituyen ésteres de ácidos grasos con diversos alcoholes. A su vez se dividen en grasas (ésteres de ácidos grasos con glicerol, una grasa en estado líquido es un aceite) y ceras (ésteres de ácidos grasos con alcoholes monohídricos de peso molecular alto); los lípidos neutros o apolares son los que no presentan ninguna carga ni una polaridad apreciable, tales como los acilgliceroles (glicéridos), ácidos grasos, esteroles como el colesterol y ésteres de colesterilo, tocoferoles, carotenoides y ceras; (http://biomodel.uah.es/model2/lip/clasif-polar.htm) Los triglicéridos, los cuales son triacilgliceroles, son la grasa de almacenamiento del tejido adiposo. Se componen de tres moléculas de ácidos grasos y una de glicerol. Al catabolizarse se degradan en sus componentes y los ácidos grasos libres pueden dar lugar a energía por medio de la vía de la β-oxidación de los ácidos grasos. Lípidos complejos: Son ésteres de ácidos grasos, que contienen grupos adicionales al alcohol y al ácido graso. Los más comunes son los fosfolípidos (contienen un residuo de ácido fosfórico adicional, constituyentes estructurales de la membrana plasmástica); glucolípidos o glucoesfingolípidos; otros lípidos complejos son los sulfolípidos, los aminolípidos y lipoproteínas como la VLDL, LDL, IDL y HDL. Los lípidos polares o anfipáticos, son los que poseen polaridad o incluso carga eléctrica, tienen características hidrófilas e hidrófobas, como los fosfolípidos, esfingolípidos. Lípidos precursores y derivados: Incluyen los ácidos grasos, glicerol, esteroides, esteroles, aldehídos grasos y cuerpos cetónicos, hidrocarburos, vitaminas liposolubles y hormonas. Los ácidos grasos pueden ser saturados o insaturados. PROPIEDADES Los lípidos, tienen la propiedad de ser insolubles en agua y solubles en solventes no polares, como el éter, el benceno y el cloroformo. 1

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FUNCIONES GENERALES  Como fuente directa y eficiente de energía potencial, cuando se almacenan en el tejido adiposo.  Como aislantes térmicos en el tejido subcutáneo y alrededor de ciertos órganos.  Como aislantes eléctricos en los nervios mielinizados, permitiendo la trasmisión rápida de los impulsos eléctricos.  Como estructurantes de la membrana plasmática  Como medio de transporte en la sangre IMPORTANCIA BIOMÉDICA DEL COLESTEROL El colesterol es un producto propio de la fisiología animal, que cumple con importantes funciones en el organismo. Es el precursor de las hormonas sexuales y esteroides, ácidos biliares y vitamina D. Además forma parte las membranas plasmáticas. El colesterol libre puede existir en los tejidos, además puede formar parte de las lipoproteínas plasmáticas. Puede formar ésteres de colesterilo, al combinarse con ácidos graos de cadena larga. Las LDL (lipoproteínas de baja densidad) capturan el colesterol y los ésteres de colesterilo en los tejidos y las HDL (lipoproteínas de alta densidad) transportan el colesterol hacia el hígado para su expulsión definitiva como sales biliares. Las apolipoproteínas son la parte proteica de las lipoproteínas. Pueden ser activadores enzimáticos (ej, la apo C II o la apo A-I) o como sitios de unión con los receptores (apo A-I, apo B-100, etc). Los cálculos biliares en su mayoría están compuestos de colesterol. Los niveles elevados de colesterol están relacionados con la génesis de aterosclerosis, causando enfermedad coronaria, cerebrovascular y vascular periférica. Los niveles bajos de HDL y elevados de LDL, predisponen a enfermedad coronaria e infarto de miocardio (cuando existe un índice LDL/HDL elevado). Valores normales (perfil lipídico): HDL: > 40 mg/dl LDL: < 100 mg/dl VLDL: < 30 mg/dl Colesterol: < 200 mg/dl Triglicéridos: < 150 mg/dl Apolipoproteína A-1: > 130 mg/dl Apolipoproteína B: < 90 mg/dl

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ENFERMEDADES PRODUCIDAS POR ALTERACIONES DE LÍPIDOS Y CARBOHIDRATOS Aparte de las ya mencionadas en la sección anterior, existen otras patologías relacionadas con trastornos de carbohidratos y lípidos, como la obesidad, que es una de las enfermedades más comunes en la sociedad occidental, causada por excesivo almacenamiento de los excedentes de energía de la dieta. La muerte por inanición ocurre cuando se han gastado todas las reservas energéticas disponibles. El marasmo constituye una forma de malnutrición que se acompaña por un desequilibrio energético. Las dislipedemias, hipercolesterolemia, hipertrigliceridemia y aterosclerosis son alteraciones muy frecuentes de los lípidos. Los ácidos grasos insaturados y poliinsaturados cumplen funciones primordiales en nuestra alimentación y salud. REFERENCIAS Bioquímica de Harper Bioquímica de Laguna

PROBLEMAS ¿Cuál es la clasificación de los lípidos? ¿Qué son los lípidos anfipáticos? ¿Cuáles son las propiedades de los lípidos? Mencione las funciones generales de los lípidos. Describa la importancia biomédica del colesterol. ¿Qué enfermedades se relacionan con anomalías de los lípidos? Tema de exposición: ¿Qué son los ácidos grasos saturados y ácidos grasos insaturados? ¿Cuál es la importancia biomédica de los ácidos grasos saturados y poliinsaturados? 8. Tema de exposición: Eicosanoides, ¿qué son y cuál es su función e importancia biomédica? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

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ASIGNATURA DE BIOQÍMICA I UNIDAD No.4 ENZIMAS CINÉTICA ENZIMÁTICA La cinética enzimática comprende el estudio de la velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas, es decir la velocidad de la actividad de la enzima. Se incluye el análisis de varios factores que participan y regulan dichas reacciones. Existen leyes generales de la catálisis que son aplicadas a las enzimas, pero debemos tomar en cuenta una importante diferencia: las enzimas, por ser de naturaleza proteica, pueden desnaturalizarse y perder su actividad catalítica por cambios de pH o temperaturas extremas. MEDIDA DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA La actividad de la enzima se mide en relación a velocidad de la reacción que cataliza y esta velocidad es proporcional a la cantidad de enzima presente. Además, la actividad enzimática se calcula por el consumo del sustrato o sustratos y la aparición de los productos. Existen factores como el pH del medio, que afectan a las enzimas; dichos factores en ocasiones dependen del producto; por este motivo, en la cinética enzimática se mide la reacción inicial. La unidad (U) más usada se define como la cantidad de enzima que transforma un micromol de sustrato por minuto a 25ºC y en condiciones óptimas (sin limitación del sustrato – condiciones saturantes del sustrato-, cofactores o activadores, pH óptimo, etc). En las circunstancias descritas se mide la Vmáx (velocidad máxima) de la reacción. "Se define la unidad de actividad enzimática (U) como la cantidad de enzima que cataliza la conversión de 1 µmol de sustrato en un minuto. La actividad específica es el número de unidades de enzima por miligramo de proteína (U/mg prot) o por mililitro de disolución (U/ml)."

"Recientemente, el Sistema Internacional de unidades (SI) ha definido la unidad de actividad enzimática como la cantidad de enzima que transforma 1 mol de sustrato por segundo. Esta unidad se llama katal(kat)".

MEDIDAS DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA "Cuando se conoce el peso molecular del enzima puro y el número de centros activos por molécula de enzima, las medidas de actividad enzimática permiten calcular el número de recambio del enzima, o sea, el número de reacciones elementales que realiza el enzima por cada centro activo y por unidad de tiempo".

"Como 1 mol son 106 µmoles y 1 minuto son 60 segundos, resulta que 1 katal equivale a 60 x 106U. Esta unidad es muy grande, de forma que se utilizan frecuentemente los submúltiplos como el microkatal (µkat, 106 kat) o el nanokatal (nkat, 10-9 kat)".

http://www.ehu.eus/biomoleculas/enzimas/enz3.htm#e

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“La Vmax corresponde al valor máximo al que tiende la curva experimental, y la KM corresponde a la concentración de sustrato a la cual la velocidad de la reacción es la mitad de la Vmax”. (Curso de biomoléculas, Universidad del País Vasco, CSIC-UPV/EHU. Disponible en http://www.ehu.eus/biomoleculas/enzimas/enz3.htm#kv)

La velocidad máxima de reacción (Vmax) es la observada en condiciones óptimas de pH, temperatura, presencia de cofactores y coenzimas y utilizando concentraciones saturantes de sustrato. La velocidad se puede medir de acuerdo a la desaparición del sustrato o el aparecimiento del producto. Otros aspectos a medir son la curva de avance de la reacción y la velocidad inicial de la reacción (v0). http://www.ehu.eus/biomoleculas/enzimas/enz3.htm#e

MODELO CINÉTICO DE MICHAELIS-MENTEN Como se había indicado, en la cinética enzimática se mide la velocidad inicial v0 y la concentración inicial del sustrato [S]0. De acuerdo a Michaelis y Menten, la relación entre estos dos parámetros se explican en dos etapas: En la primera etapa se produce el complejo enzima-sustrato y en la segunda, el complejo enzima-sustrato genera la formación del producto, liberando la enzima (enzima libre), ya que esta no se consume durante la reacción. (Curso de biomoléculas, Universidad del País Vasco, CSICUPV/EHU. Disponible en http://www.ehu.eus/biomoleculas/enzimas/enz3.htm#kv)

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http://www.ehu.eus/biomoleculas/enzimas/jpg/dosetapas.gif

El complejo enzima-sustrato actúa como intermediario, y se mantiene constante en pequeñas concentraciones durante la reacción. (Curso de biomoléculas, Universidad del País Vasco, CSIC-UPV/EHU. Disponible en http://www.ehu.eus/biomoleculas/enzimas/enz3.htm#kv)

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD ENZIMÁTICA -

Efecto del tiempo sobre la actividad enzimática

La desaparición del sustrato por acción de la enzima se da en función lineal del tiempo, hasta alcanzar un límite, que está condicionado por la naturaleza misma de la enzima y la disponibilidad de sustrato. -

Efecto de la concentración de la enzima sobre la actividad enzimática

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Sin otras variables además de la concentración de la enzima, a más enzima mayor actividad, en una relación proporcional. Esto se ve limitado por el gasto y la desaparición del sustrato. -

Efecto de la temperatura sobre las reacciones enzimáticas

A más temperatura, aumenta la catálisis. Si la temperatura se eleva exageradamente ocurre la desnaturalización térmica de las proteínas. -

Efecto del pH sobre las reacciones enzimáticas

Existe un pH óptimo para las reacciones catalizadas por enzimas. A mayor o menor pH la actividad decrece. A veces las cifras óptimas para la actividad de una determinada enzima no son las fisiológicas, como es el caso de la pepsina gástrica. -

Relaciones entre la enzima y el sustrato

En una reacción no catalizada por enzimas, la velocidad de la misma aumenta proporcionalmente a la concentración de los sustratos o reaccionantes. Cuando las enzimas catalizan una reacción, esta condición se cumple en un rango pequeño; al llegar a una determinada concentración del sustrato, este ya no puede modificar o acelerar la reacción, porque se forma el complejo enzima-sustrato, el cual limita la capacidad de la enzima. Además la acumulación del producto también ejerce una acción de inhibición, ya que disminuye la actividad de la enzima, sin importar la concentración existente del sustrato. -

Efecto de los productos de la reacción

La presencia de los productos de la reacción disminuye la actividad enzimática. (Esto se estudiarán en la sección referente a los inhibidores)

CINÈTICA ALOSTÉRICA Con enzimas oligoméricas, constituidas por uno o más tipos de monómeros, es posible la cooperatividad funcional y la cinética alostérica. Generalmente, este tipo de enzimas tienen un papel clave en las vías metabólicas. Son enzimas que pueden ser reguladas por moduladores positivos o negativos, que se unen a los sitios alostéricos de las moléculas de las enzimas, los cuales son partes específicas de la cadena polipeptídica diferentes de los sitios activos. La inhibición por retroalimentación o retroalimentación negativa se da cuando el mismo compuesto resultante de la reacción actúa como modulador negativo.

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TIPOS DE INHIBIDORES ENZIMÁTICOS Acción de los inhibidores.- Las sustancias que impiden la acción de las enzimas se conocen como inhibidores. Pueden ser específicos, como los productos de la reacción, o inespecíficos, como los metales pesados (Zn2+, que es un agente desnaturalizante, Pb2+, Ag+, -SH, etc). Inhibición por competencia.- En este caso, la estructura del inhibidor es similar a la del sustrato y compite por ubicare en el sitio activo, formando el complejo enzimainhibidor. Esto dificulta la formación del complejo enzima-sustrato y por ende disminuye la actividad de la enzima. En este tipo de inhibición, se debe tomar en cuenta los siguientes aspectos:    

La enzima no puede modificar al inhibidor El inhibidor no desnaturaliza a la enzima La inhibición puede ser revertida Cuando el inhibidor es el mismo producto de la reacción catalizada por la enzima, éste constituye un inhibidor específico de la actividad enzimática

Inhibición por no competencia.- El inhibidor no es similar al sustrato, ni es el producto de la reacción. Actúa en forma independiente, bloqueando los sitios activos y desnaturalizando a la proteína. La inhibición por no competencia es irreversible. Estos inhibidores puedes ser cationes o aniones que precipitan a las proteínas. REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD DE LAS ENZIMAS Importancia biomédica.- La vida depende del control y coordinación del metabolismo, en respuesta a factores externos o internos. Este equilibrio se denomina homeostasis y ésta a su vez está en relación con la regulación de la actividad enzimática. Ciertos agentes patógenos externos pueden dar lugar a mutaciones genéticas, dando lugar a enfermedades como el cáncer, diabetes, fibrosis quística, enfermedad de Alzheimer. Las enzimas juegan un papel importante en la producción de la salud y la enfermedad. Algunos agentes patógenos externos pueden introducir enzimas que sobrepasan los mecanismos de regulación normales o bloquean ciertos elementos del sistema enzimático. Regulación de la actividad catalítica.- El control activo de la capacidad catalítica se realiza en base al “recambio enzimático”, proceso que incluye la síntesis y degradación de las enzimas.

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Regulación de la cantidad de enzima.- Como se había señalado, depende de la síntesis (Ks) y la degradación (Kdeg). Para lograr la regulación de estos mecanismos, se utilizan vías y grupos de enzimas diferentes. Los inductores son los compuestos o moléculas encargadas de estimular la síntesis de enzimas. Algunas enzimas constitutivas no requieren de inductores; existen inductores que son los mismos sustratos; hay sustratos que no son inductores e inductores que no son sustratos (estos últimos se denominan “inductores gratuitos”). La represión por retroalimentación se da cuando los productos o catabolitos finales de la reacción evitan la síntesis de la enzima. La degradación depende de sustratos, coenzimas e iones metálicos que modifican la conformación de la proteína; también participan en esta regulación, los mecanismos alostéricos (moduladores o ligandos disociables) REFERENCIAS -

Bioquímica de Harper Bioquímica de Laguna Curso de biomoléculas, Universidad del País Vasco, CSIC-UPV/EHU. Disponible en http://www.ehu.eus/biomoleculas/enzimas/enz3.htm#kv

PREGUNTAS 1. 2. 3. 4.

¿Qué entiende usted por cinética enzimática? ¿Cómo se mide la actividad enzimática? ¿Què es la velocidad máxima de reacción (Vmax)?

¿Cuáles son las diferencias entre las reacciones catalizadas por enzimas y las no catalizadas por enzimas? 5. Explique el modelo cinético de Michaelis-Menten 6. ¿Cuáles son los factores que afectan o modifican la actividad enzimática? Señalar cuáles son los limitantes en cada caso. 7. ¿En qué consiste la regulación alostérica de las enzimas? 8. ¿Cuáles son las diferencias entre la inhibición por competencia y por no competencia? 9. ¿Qué papel juega el recambio enzimático en la regulación de la actividad enzimática y la homeostasis? 10. Tema de exposición: ¿Qué agentes externos modifican la actividad de las enzimas? ¿Cuáles son las consecuencias sobre el estado de salud o enfermedad? Anote ejemplos y explique.

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ASIGNATURA DE BIOQÍMICA I UNIDAD No.4 ENZIMAS Las enzimas son moléculas proteicas que tienen funciones de catalizadores biológicos, que aceleran la velocidad de una reacción sin consumirse durante la misma. Hacen posible la vida tal como la conocemos. (Laguna). Todos los procesos biológicos, tales como la fotosíntesis, excitación, irritabilidad, división celular, nutrición, metabolismo, interno, vida de relación, locomoción, reproducción, etc. son catalizados por enzimas. PROPIEDADES GENERALES DE LAS ENZIMAS (Laguna).         

Todas las reacciones químicas de las células son catalizadas por enzimas. Existen varios miles de enzimas, para varios miles de reacciones químicas. Las enzimas se encargan de actividades vitales: síntesis, degradación, oxidación. Las enzimas son específicas, sólo catalizan un tipo de reacción o una reacción determinada (actúan sobre sustancias que tienen una configuración precisa, Ej: C α con orientación L, no actúa sobre la estructura D, son estereoespecíficas. La actividad de las enzimas puede ser regulada de acuerdo a las necesidades biológicas. Las enzimas aumentan millones de veces la velocidad de la reacción, siempre que estas reacciones puedan darse espontáneamente, es decir que sean termodinámicamente posibles. Las enzimas no desvían la reacción, sólo acortan el tiempo de reacción. Disminuyen la energía de activación necesaria para determinada reacción química. Durante las reacciones químicas catalizadas por enzimas se desprende energía. Se diferencian de los catalizadores químicos en que las enzimas actúan en condiciones muy estables, a temperaturas por debajo de 70 grados C, a un pH alrededor de 7 y a una presión de una atmósfera.

NOMENCLATURA El nombre sistemático de una enzima corresponde al nombre del o los sustratos que intervienen en la reacción química que cataliza, seguido del nombre de dicha reacción y se añade el sufijo “asa”. Ejemplo: fosfotransferasa, aminotransferasa, descarboxilasas, esterasas, lipasas. Entre paréntesis puede ir la información adicional que sea necesaria. De acuerdo al “sistema de nomenclatura de la Unión Internacional de Bioquímica” a cada enzima se le da un número formado por cuatro dígitos y separados por puntos. Estos números van precedidos por las letras EC.

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EJEMPLO DE NOMENCLATURA DE UNA ENZIMA: E.C. 2.7.1.1. D hexosa 6-fosfotransferasa (Nombre común: hexocinasa)

E.C.

•Clasificación de enzimas

2.

•Tipo de reacción (Ej. transferasa)

7.

•Subclase (Ej. fosfotransferasa)

1.

•Sub-subclase (el tipo de grupo qu recibe el grupo transferido)

1.

•Enzima específica

CLASIFICACIÓN.- Existen seis clases principales de enzimas (Laguna): 1. Oxidorreductas: Catalizan la transferencia de electrones o hidrógenos, en reacciones de oxidorreducción o redox. Ej: Deshidrogenasas, reductasas, oxidasas, peroxidasas, hidroxilasas y oxigenasas. 2. Transferasas: Catalizan la transferencia de grupos que contienen carbono, nitrógeno, fosfato o azufre. Ej: aciltransferasas, fosfotransferasas, glicotransferasas, fosforribosiltransferasas, pirofosfotransferasas y metiltransferasas. 3. Hidrolasas: Catalizan la ruptura de un determinado enlace introduciendo una molécula de agua. Ej: esterasas, amidasas, peptidasas, fosfatasas y glucosidasas. 4. Liasas: Catalizan la ruptura de enlaces de Carbono con carbono, oxígeno, nitrógeno o azufre, para formar un doble enlace generalmente. Ej. Aldolasas, descarboxilasas y desaminasas. 5. Isomerasas: Catalizan la interconversión de isómeros ópticos o de posición. Ej. Isomerasas, racemasas, epimerasas y mutasas. 6. Ligasas: Catalizan la formación de un nuevo enlace como C-O, C-S y C-N; requiere la utilización de la energía de la hidrólisis del ATP u otro donador de energía. Ej: sintetasas, carboxilasas, etc. EL SISTEMA ENZIMÁTICO.- El sistema enzimático comprende las sustancias que participan en la reacción que es catalizada por enzimas, generalmente en un medio acuoso. Sustrato (s): Constituyen la molécula o moléculas sobre las cuales actúa la enzima. El número máximo de sustratos para una determinada enzima es de 3. La transformación

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del sustrato o sustratos está condicionada por la acción de la enzima. El sustrato se consume durante la reacción enzimática. Producto: Es la molécula resultante de la acción de la enzima sobre el o los sustratos. Puede haber varios productos que resulten de una sola reacción y una sola enzima. Holoenzima: Resulta de la unión de la apoenzima y la coenzima Apoenzima: Es de naturaleza proteica, peso molecular elevado, no dializable y termolábil. Es la enzima propiamente dicha. Coenzima: Es el componente del sistema enzimático que tiene peso molecular bajo, dializable, no proteica. Está unida débilmente a la apoenzima, pudiendo separarse fácilmente de ella. Ejemplo: NAD+ (nicotinamida adenin dinucleótido), NADP+ (nicotinamida adenin dinucleótido fosfato), FMN (mononucleótido de riboflavina), FAD (dinucleótido de flavina y adenina), CoA (Coenzima A), etc. Grupo prostético: De características similares a la coenzima, pero está ligado muy íntimamente a la apoenzima. Los grupos prostéticos y las coenzimas cumplen un papel de gran relevancia en la reacción enzimática, ya que ceden y reciben de manera alternada parte de los productos que resultan de la misma. Los grupos prostéticos y las coenzimas se diferencian de los sustratos en que no se consumen durante la reacación. Cosustrato: Son similares a las coenzimas, de las cuales se diferencian en que sí se consumen durante la actividad enzimática, además no posee una vitamina en su estructura. Se requieren en grandes cantidades. Son el ATP (adenosín trifosfato), UDPG (uridín difosfato de glucosa), y otros. Los cosustratos necesitan la captación de energía para recuperar los grupos perdidos en la reacción. Proenzima (zimógeno): Son los precursores de las enzimas, que carecen de actividad catalítica. Para activarse deben eliminar un péptido de su molécula. Ej: el pepsinógeno gástrico, precursor de la pepsina. Isoenzima: Formas moleculares de las enzimas, generadas en diferentes tejidos y que catalizan una misma reacción. Están formadas por aminoácidos diferentes, tienen propiedades físicas diferentes y velocidades de reacción diferentes. Ej. Deshidrogenasa láctica (H-M). Activadores: Los activadores habitualmente son iones como Mg2+, Mn2+, Ca2+, K+, Na+). Aceleran la actividad de la enzima y la velocidad de la reacción y a veces son indispensables para iniciarla. Para actuar en la reacción, generalmente se unen a los sustratos o la coenzima, pero también se pueden unir a la apoenzima. 3

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Inhibidores: Disminuyen la velocidad de la reacción, uniéndose en sitios específicos de la enzima. Moduladores: Actúan sobre las proteínas oligoméricas o multiméricas, con características de cooperatividad funcional. Pueden ser positivos si estimulan la reacción o negativos si la detienene. Algunos sistemas enzimáticos son muy simples (apoenzima + sustrato + producto). Otros son muy complejos (apoenzima + coenzima + cosustrato + activadores + sustratos + productos). ACTIVIDAD ENZIMÁTICA.Especificidad enzimática: La mayoría de las enzimas tienen un alto grado de especificidad sobre el sustrato y el tipo y subclase de reacción catalizada. Pueden diferenciar isómeros L-D o cis-trans. Algunas enzimas hidrolíticas son menos específicas, porque reconocen el tipo de enlace. Otras actúan con una coenzima específica. Otras generan productos específicos. Ej: LDH, enzima que actúa sobre el piruvato y produce D-lactato (no L-lactato). Las denominadas enzimas promiscuas, son aquellas que producen metabolitos secundarios al actuar sobre varios sustratos. Centro o sitio activo: Es el lugar donde el sustrato se liga a la enzima (de éste dependerá la especificidad). Desde el punto de vista estructural, una parte del centro activo es la cadena polipeptídica y la otra es el grupo prostético o la coenzima. Los sitios activos de las enzimas son grupos de varios aminoácidos, de 2nm, a veces distantes, por lo cual es necesario el arreglo tridimensional de la molécula de la enzima. Complejo enzima-sustrato.- Corresponde a la unión de la enzima con el sustrato. Sitio alostérico: Son los lugares sobre las cuales actúan los moduladores (1 ó más). Provocan un cambio en la conformación estructural de la enzima que afecta el sitio activo, influyendo en la velocidad de la actividad de la enzima. Cambios conformacionales de las enzimas: “La enzima es un molde tridimensional en negativo de los sustratos o reaccionantes que son un molde positivo” (Laguna), como el modelo de “la llave y la cerradura”. Al unirse la enzima con el sustrato, el arreglo tridimensional de la enzima se modifica, causando un cambio en la conformación de la molécula. “Estos movimientos dinámicos de la enzima pueden abarcar desde residuos individuales de aminoácidos hasta un dominio proteico entero. Ocurren en diferentes escalas se tiempo (desde femtosegundos [milbillonésima parte de un segundo, 1fs= 1x 10 -15 s] hasta segundos)” (Laguna).

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Daniel Koshland ha modificado el modelo de “la llave y la cerradura”, tomando en cuenta el cambio estructural que se produce en las enzimas; este modelo se denomina “encaje inducido”. (Laguna). Estereoespecificidad: Adhesión geométrica del sitio activo de la enzima con los sustratos. La unión solo se puede dar en una posición. Además, a parte de la estructura o forma, también influyen en la especificidad la carga eléctrica y las propiedades hidrofílicas o hidrofóbicas de los aminoácidos que conforman la enzima. IMPORTANCIA BIOMÉDICA DE LAS ENZIMAS.- El estado de salud depende de que todas las reacciones y funciones se den de manera ordenada, lo que permite conservar la homeostasis. En ciertas enfermedades, como ejemplo, la cirrosis hepática, determinadas enzimas están alteradas, afectando su actividad; lo que ocasiona una falla en la síntesis de la urea, lo que trae como consecuencia la acumulación de amoniaco tóxico y el coma hepático. Cualquier alteración en la función de una enzima puede dar lugar a una enfermedad genética o a un error del metabolismo. Aunque existan miles de enzimas en el organismo, la falla de una de ellas puede dar lugar a una patología letal. ANÁLISIS DE ENZIMAS PARA EL DIAGNÓSTICO DE ENZIMOLOGÍA CLÍNICA

ENFERMEDADES:

Existen enzimas en el plasma sanguíneo, algunas de ellas son enzimas séricas funcionales, mientras otras son enzimas séricas no funcionales, las cuales pasan al suero porque existe destrucción celular. Si la destrucción de las células aumenta más de lo normal por causas patológicas o traumáticas, los valores de las enzimas no funcionales en el suero aumentan. Esto permite la detección de enfermedades y ha dado lugar a la enzimología clínica. ENZIMA SÉRICA

Aminotransferasas  Aspartato aminotransferasa o transaminasa glutámico oxalacética (AST o SGOT)  Alanina aminotransferasa o transaminasa glutámico pirúvica (ALT O SGPT)

UTILIZACIÓN DIAGNÓSTICA PRINCIPAL Hepatitis

VALORES SÉRICOS NORMALES SGOT: 5-40 U/L

SGPT: 7-56 U/L Pancreatitis aguda < 53 U/L Pancreatitis aguda o Adultos: 13 - 60 U/l crónica (37º C) Trastornos CK TOTAL: musculares e infarto Mujeres: 39 - 238 de miocardio U/L (0,66 - 4,0 µkat/L) Varones: 51 - 294 U/L (0,87 - 5,0 µkat/L)

Amilasa Lipasa Creatina cinasa (CC) (CPK) (CK)

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Deshidrogenasa láctica (isozimas) (LDH)     

Infarto de miocardio Anemia hemolítica

La LDH1 del corazón, músculos, y hematíes La LDH2 del sistema retículo endotelial y leucocitos La LDH3 de los pulmones La LDH4 de los riñones, placenta y páncreas. La LDH5 del hígado y músculo

CK –MB: 10-50 UI/L a 30ºC 115 221 U/L (0,51 - 0,73 ukat/L)

(https://www.tuotromedico.com/temas/isoenzimas_ldh.htm)

γ-glutamil transpeptidasa (γ-glutamil-transferasa, γ-GT, GGT, GGTP)

Varias enfermedades 9 - 58 U/L (0,15 hepáticas 0,99 µkat/L)

Fosfatasa ácida prostática

Carcinoma próstata

de Total: 0 - 5,5 U/L (0,90 nkat/L)

soft-PACP: 0 – 3,5 UI/L Varios trastornos 33 - 96 U/L (0,56 óseos, enfermedades - 1,63 kat/L) hepáticas obstructivas

Fosfatasa alcalina

REFERENCIAS: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

Bioquímica de Laguna. Bioquímica de Harper. www.wiener-lab.com.ar www.esgentside.com chemocare.com labtestsonline.es www.red-gdl.com www.hepato.com www.google.com.ec www.geosalud.com

http://www.valoresnormales.com/ https://www.tuotromedico.com/temas/isoenzimas_ldh.htm http://www.labinlab.com/pruebas-de-laboratorio/fosfatasa-acida-fraccion-prostatica

PREGUNTAS: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

¿Qué son las enzimas y cuáles son las propiedades generales de las enzimas? ¿En qué consiste la nomenclatura sistemática de las enzimas? ¿Cómo se clasifican actualmente las enzimas? ¿Qué es el sistema enzimático? ¿Qué papel desempeñan cada uno de los componentes del sistema enzimático? ¿Cuál es la importancia de las vitaminas en la actividad enzimática? ¿En qué se diferencian las coenzimas, grupos prostéticos y cosustratos? ¿Qué significado tiene la estereoespecificidad?

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9. ¿Qué son el centro activo, el sitio alostérico y el complejo enzima-sustrato de las enzimas? 10. ¿Por qué se dan cambios conformacionales en las enzimas? 11. ¿Cómo se relacionan los modelos de “la llave y la cerradura” y “el encaje inducido” con la estereoespecificidad de la enzima? 12. ¿Cómo actúan las enzimas en el estado de salud o enfermedad? Explique la importancia biomédica de las enzimas? 13. ¿Qué tipo de moléculas se miden y cuál es la utilidad de la enzimología clínica? 14. ¿Cuál es la utilización diagnóstica principal de las enzimas séricas?

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ASIGNATURA DE BIOQÍMICA I UNIDAD No.5

CARBOHIDRATOS Y LÍPIDOS CARBOHIDRATOS Los carbohidratos son biomoléculas cuya fórmula empírica es Cn (H2O)n. En algunos casos poseen N y S. Se encuentran en todos los seres vivientes. Los animales obtienen los carbohidratos de los vegetales, los cuales pueden sintetizar glucosa y los almacenan como almidón o forman celulosa. Los hidratos de carbono están compuestos de C, H, O y en algunos casos contienen N y S. CLASIFICACIÓN DE LOS CARBOHIDRATOS Monosacáridos: Son los precursores de los carbohidratos, por tal motivo no pueden hidrolizarse en carbohidratos más simples. De acuerdo al número de carbonos se dividen en:   



Triosas: glicerosa y dihidroxiacetona. Tetrosas: eritrosa y eritrulosa. Pentosas: D-ribosa (elementos estructurales del DNA y RNA y de los cosustratos y coenzimas, por ejemplo: ATP, NAD, NADP, flavoproteínas. Fosfatos de ribosa); D-ribulosa (intermediario en la vía de los fosfatos de pentosa); D-arabinosa y D-xilosa (constituyentes de las glucoproteínas); también tienen importancia biológica la D-lixosa (lixoflavina del músculo cardiaco humano) y L-xilulosa (intermediario en la vía del ácido urónico). Hexosas: D-glucosa (carbohidrato o azúcar del cuerpo), D-fructosa (se puede transformar en glucosa en el hígado), D-galactosa (se puede transformar en glucosa en el hígado, componente de la leche, sintentizada por las glándulas mamarias y es constituyente de glucolípidos y glucoproteínas).

Además, si poseen el grupo aldehído se denominan aldosas y si poseen el grupo cetona cetosas. Los ácidos siálicos forman parte de las glucoproteínas y los gangliósidos Disacáridos: Los disacáridos se hidrolizan en dos moléculas de monosacáridos.   

Maltosa: Al hidrolizarse forma dos moléculas de glucosa. Sucrosa o sacarosa: Se dividen en una molécula de glucosa y una de fructosa. Lactosa: Se compone de una molécula de galactosa y una de glucosa.

Oligosacáridos: Compuestos por 2 a 10 monosacáridos. Ej: maltotriosa. Polisacáridos: Se hidrolizan en más de 10 moléculas de monosacáridos. Ejemplos: los almidones (polisacárido de origen vegetal), maltodextrinas, glucógeno (carbohidrato de reserva del hígado), celulosa (de origen vegetal). 1

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VARIANTES ISOMÉRICAS DE LOS CARBOHIDRATOS ESTEREREOISÓMEROS Isomerismo D y L: Depende de la posción de H y OH del carbono 5 de la glucosa. Es el isomerismo óptico, es decir la rotación de la luz a la derecha (dextrorrotación) o hacia la izquierda (levorrotación). Anómeros α y β: Depende del H y OH en el C1. Si el grupo OH está abajo será α. El C1 se denomina carbono anomérico. Epímeros: Ocurren por variaciones de los H y OH en los carbonos 2,3 y 4. Isomerismo aldosa – cetosa: Se basa en el carbono 1 (grupo aldehído potencial) y carbono 2 (ceto potencial). GLUCÓSIDOS Los glucósidos se forman por la condensación entre los grupos hidroxilo del carbono anomérico y otro compuesto de diferente naturaleza, monosacárido o no. Este enlace se denomina glucosídico. Cuando el segundo grupo es una amida, se dan los enlaces N-glucosídico, por ejemplo entre adenina y ribosa. La unión entre una amida y un carbohidrato origina los aminoazúcares (Ej: hexosaminas), componentes de las glucoproteínas, gangliósidos, glucosaminoglucanos. La eritromicina es un antibiótico que posee aminoazúcares. Los nucleósidos, nucleótidos y ATP se forman por la unión entre las bases nitrogenadas y la ribosa. FUNCIONES GENERALES DE LOS CARBOHIDRATOS  



Como proveedores de energía: La glucosa es el carbohidrato más abundante y constituye el combustible de primera mano para todas las actividades de la célula. Como reserva: Los carbohidratos actúan como una importante reserva energética. En los vegetales los carbohidratos de reserva son los almidones y en los animales es el glucógeno. Cuando las necesidades de energía en el organismo lo determinen, los almidones y glucógeno pueden convertirse en glucosa para ser utilizada por las células. La sacarosa también constituye un carbohidrato de reserva para las plantas, que es un alimento importante para los humanos. Estructural: La celulosa es un carbohidrato de funciones estructurales que confiere a los vegetales su característica leñosa y fibrosa. En las bacterias los carbohidratos integran los peptidoglucanos. En los animales, la quitina y el ácido hialurónico son componentes del tejido de sostén. 2

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

Como precursores de lípidos, proteínas, ácido ascórbico e inositol.

IMPORTANCIA BIOMÉDICA DE LA GLUCOSA Y CARBOHIDRATOS La glucosa es el carbohidrato de mayor importancia desde el punto de vista fisiológico y biomédico. Otros carbohidratos se convierten en glucosa en el hígado y ésta es el azúcar que se encuentra como tal en la sangre. A partir de la glucosa se forman otros carbohidratos como el glucógeno de almacenamiento, la ribosa para la síntesis de ácidos nucleicos, galactosa para la leche, lípidos complejos, glucoproteínas y proteoglucanos. Existen diversas enfermedades relacionadas con alteraciones de los carbohidratos o su metabolismo, tales como la enfermedad por almacenamiento de glucógeno, intolerancia a la lactosa, intolerancia a la fructosa, intolerancia a la sacarosa, galactosemia, diabetes mellitus, etc). POLISACÁRIDOS DE ORIGEN ANIMAL Y VEGETAL Las funciones de los polisacáridos son de almacenamiento y estructurales. Almidón.- El almidón tiene funciones de almacenamiento en los vegetales. Produce glucosa al degradarse, como glucano o glucosano (es decir polisacáridos que están formados por D-glucosa). Se lo pueden encontrar en cereales, papas, legumbres y otros vegetales. Contiene amilopectina en un 80-85% y amilosa en un 15-20%. Glucógeno.- Es la molécula de almacenamiento de origen animal. Su estructura consiste en la unión de muchas cadenas ramificadas formadas por glucosa. Inulina.- Es fructosano porque se puede degradar a fructosa. Es de origen vegetal y se encuentra en los tubérculos. Se ha utilizado en estudios de filtración glomerular. Dextrinas.- Provienen de la degradación del almidón. Celulosa.- Es el principal polisacárido estructurante de los vegetales. El ser humano no tiene la capacidad de hidrolizar la celulosa, por lo cual tiene mucha importancia digestiva al proporcionar volumen como fibra alimenticia. Los rumiantes poseen microorganismos que pueden atacar a la celulosa. En forma limitada, esto puede ocurrir también en el colon humano por la presencia de bacterias. Quitina.-. Constituye el exoesqueleto de crustáceos e insectos. Glucosaminoglucanos (mucopolisacáridos).- Contienen ácido urónico y aminoazúcares. Cuando se unen a una molécula de proteína se denominan proteoglucanos, los mismos que tienen funciones estructurales en (huesos, tejido conectivo). Algunos ejemplos son el ácido hialurónico, sulfato de condroitina. Otro ejemplo de glucosaminoglucano es la heparina. 3

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Glucoproteínas (mucoproteínas).- Conforman las cubiertas celulares o glucocálix. REFERENCIAS Bioquímica de Harper Bioquímica de Laguna

PREGUNTAS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

¿Cómo se clasifican los carbohidratos? ¿Cuáles son las funciones generales de los carbohidratos? ¿Cómo se estructuran los carbohidratos? ¿Cuál es la importancia biomédica y fisiológica de la glucosa? Describa las alternativas de isomerización de la glucosa. ¿Qué es el enlace glucosídico? ¿Qué son los aminoazúcares y cuál es su importancia? Describa los polisacáridos de origen animal y vegetal. Temas de exposición: ¿Qué enfermedades se relacionan con anomalías de los carbohidratos y su metabolismo? (Enfermedades por depósito de glucógeno, intolerancia a la lactosa, galactosemia, intolerancia a la fructosa) Describa una de ellas.

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