Biología Molecular: Grupo Hemo y Talasemias

Introducción al tema general

• El cuerpo está principalmente compuesto por agua, luego las proteínas.
• Los elementos primarios en el cuerpo son C, H, O, N.
• Los elementos secundarios en el cuerpo son P, S, Cl, Na, Mg, Fe, K.
• Hay una serie de oligoelementos que son esenciales en cantidades más pequeñas.

Moléculas biogenéticas

• Las moléculas orgánicas en el cuerpo son glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
• Las moléculas inorgánicas son agua, gases (oxígeno y dióxido de carbono), aniones y cationes.
• Los monómeros se unen para formar polímeros cada vez mayores.
• Los lípidos no tienen monómeros sino que son heterogéneos.

Interacciones moleculares

• Cuanta más energía tenga el enlace, más fuerte es y estable, y menos energía para romperse
• Los enlaces covalentes son estables y los enlaces no covalentes (enlaces de hidrógeno o carga-carga) son menos energéticos pero permiten flexibilidad.
• Los enlaces no covalentes permiten el cambio en la conformación de las proteínas para cumplir su función.

Interacciones moleculares no covalentes

• Carga-carga
• Dipolo-dipolo
• Dipolo-dipolo inducido
• Van der Waals
• Enlaces de hidrógeno

Puentes de hidrógeno

• Solo O, N y S, aunque en menor medida, se unen al H en este tipo de enlaces.
• Estos elementos actúan como donadores y aceptores de electrones.
• Son enlaces muy importantes para estabilizar las proteínas, especialmente la doble hélice del ADN.

Enlaces Van der Waals

• Si las moléculas están demasiado juntas se produce repulsión, si están muy separadas no hay interacción.
• Solo cuando están a una distancia determinada (radio de Van Der Waals) se produce este enlace.
• Estos enlaces son los más débiles y son los más abundantes por su presencia en todas las moléculas.

El agua como molécula fundamental

• El agua es muy abundante en los seres vivos, siendo parte fundamental de la estructura de los mismos, por lo que el medio acuoso es fundamental.
• Presenta un amplio margen de temperatura en fase líquida y está presente en los tres estados (líquido, sólido y gaseoso) en el planeta.
• Tiene alta constante dieléctrica y actúa como disolvente universal, interaccionando con otras moléculas.
• El agua es un dipolo, esto se debe a que la molécula presenta una hibridación sp³ que forma un tetraedro.
• El agua presenta un ángulo de 104.5º entre los átomos de H unidos al O (entre los dos átomos de H).
• Presenta elevadas calores específicos y de evaporación. Esto sirve como buen aislante y un regulador de la temperatura.
• Tiene alta tensión superficial. Favorece fenómenos como la capilaridad.
• Función reguladora de la temperatura en los seres vivos (sudor).
• Actúa como un líquido casi incomprensible debido a los puentes de hidrógeno
• El hielo es menos denso que el agua líquida por los enlaces de hidrógeno.

Disoluciones acuosas

• Los ácidos/bases fuertes se disocian totalmente en agua, los débiles no.
• El agua actúa como ácido o como base.
• El producto iónico del agua es muy bajo (1.0 x 10-14).
• Las concentraciones de H+ y OH- en el agua pura son iguales (1.0 x 10-7).
• El pH se usa para expresar concentraciones pequeñas de H+
• Ácidos disminuyen el pH y aumentan la concentración de H+.
• Bases aumentan el pH y aumentan la concentración de OH-.

Disociación de ácidos débiles

• La constante de disociación (Ka) indica la fuerza de un ácido débil
• La formula para encontrar Ka es: Ka=[H+] [A-]/[HA]
• El pH de una disolución se mide con la formula: pH = pKa + log [A-]/[HA]
• Ácidos polipróticos: se disocian más de una vez (ej. ácido fosfórico).
• El pKa determina el punto donde una enzima puede tamponarse.

Aminoácidos: comportamiento ácido-base

• Los aminoácidos son ionizables.
• Se comportan como anfóteros a pH neutro porque su radical presenta carga positiva y negativa.
• El P.I. es el pH al que el aa está eléctricamente neutro y se calcula como la media de los pKa más cercanos al punto neutro.
• En situaciones fisiológicas, el punto isoeléctrico es aproximadamente 5,5.

Estructura de los aminoácidos

• Son bifuncionales con un grupo amino y un grupo carboxilo.
• El grupo común al resto de aminoácidos es alfa.
• Su radical o "R" diferencia un aa de otro
• Hay 20 aminoácidos proteinogénicos. Y algunos no proteinogénicos (no se convierten en proteínas)

Estructura, función y propiedades de péptidos

• Son cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.
• La estructura primaria determina las propiedades y la conformación de la proteína.
• El enlace peptídico tiene carácter parcial de doble enlace.
• Imposibilidad de giro en el enlace C-N, generando planos dentro de las cadenas.
• Posibilidad de giro solo en enlaces Ca-grupo a, lo que limita la disposición tridimensional.

Configuración del enlace peptídico

• Configuraciones cis y trans (trans es más común por minimización en impedimentos estéricos).
• Solo la prolina presenta configuración cis ya que su R tiene estructura cíclica.
• La variedad de residuos de aminoácidos determina la estabilidad de los péptidos.

Comportamiento acido-base de los péptidos

• La carga neta depende del pH.
• En pH neutro, la mayoría de los aa están en forma de los iones dipolares, con un grupo amino protonado (-NH3+) y un grupo carboxilo desprotonado (-COO-).
• En pH ácidos, hay una mayor cantidad de cargas positivas.
• En pH básicos, hay mayor cantidad de cargas negativas.

Estructura de las proteínas: estructura primaria y análisis de la secuencia de aminoácidos

• La secuencia de aminoácidos en una proteína se llama estructura primaria.
• La estructura primaria determina la estructura tridimensional de la proteína y su función.
• Para determinar la secuencia se utilizan métodos químicos y enzimáticos para la fragmentación de proteínas.
• Se suele usar enzimas como la tripsina o quimiotripsina, que corta enlaces peptídicos donde hay ciertos aminoácidos.

Estructura de las proteínas: análisis de los extremos amino y carboxilo terminales

• Para determinar la secuencia completa se usan métodos como la degradación de Edman para determinar el extremo N-terminal.
• La carboxipeptidasa se utiliza para determinar el extremo C-terminal.

Estructura de las proteínas: métodos para determinar el número de cadenas

• La ruptura de enlaces disulfuro usando agentes reductores como el 2-mercaptoetanol (ß-mercaptoetanol) separa las cadenas y permite conocer su número.
• Se puede también usar el tratamiento con ácido perfórmico.

Clasificación y organización de proteínas fibrosas

• Proteínas fibrosas: mantienen y determinan la estructura y la organización del organismo
• Proteínas globulares: funciones de transporte e intercambio químico
• Estructuras 1arias, 2arias, 3arias y 4arias.

Proteínas fibrosas: queratinas

• Son proteínas fibrosas ricas en residuos de cisteína.
• La estructura es una hélice α que se enrolla sobre si misma en una doble hélice. La forma está dada por los enlaces disulfuro
• El tipo de enlace y la cantidad de enlaces afectan la rigidez (Ej: cabello).

Proteínas fibrosas: colágeno

• Estructura tridimensional en forma de triple hélice dextrógira.
• Forma fibras con gran resistencia mecánica.
• Contiene gran proporción de glicina, prolina e hidroxiprolina.
• Los residuos de lisina participan en el entrecruzamiento covalente dando estabilidad.
• A mayor edad más enlaces y más resistencia a la tensión, menos elasticidad del tejido.

Proteínas fibrosas: elastina

• Forma una estructura similar a un tejido de tipo elástico, se encuentran en la dermis principalmente.
• Presenta una disposición al azar
• Rica en prolina e hidroxiprolina, lo que facilita la elasticidad y flexibilidad de los elementos estructurales.
• Posee entrecruzamiento covalente entre residuos de lisina generando una red de tipo muelle como estructura supersecundaria.

Características, propiedades y funciones de proteínas globulares

• Son proteínas de forma globular.
• Estructura terciaria compleja, mantenida por diferentes tipos de interacciones.
• Muchas funciones como transportadoras de nutrientes, enzimas, hormonas...
• Las estructuras terciarias son estables, y presentan dominios.
• Los dominios son estructuras funcionales y especificas determinadas por la región de su estructura primaria.

Estructura de las proteínas: análisis y organización

• Se requiere comprender la organización molecular de proteínas.
• La clasificación depende de si la organización es fibrilar o globular.
• La organización cuaternaria describe la interacción entre cadenas polipeptídicas.

Regulación de la actividad enzimática

• Las enzimas son proteínas y se ven alteradas por cambios en el pH y la temperatura
• La regulación enzimática implica cambios en la actividad de enzimas, estos cambios pueden ser a corto o a largo plazo.
• La modificación covalente es un mecanismo común para regular la actividad de las enzimas.
• Los moduladores alostéricos son metabolitos que activan o inhiben enzimas. Estos activan o inhiben las enzimas a través de un cambio conformacional (no tiene que ser por unión a un sitio).
• La retroalimentación negativa es donde el producto final regula la enzima.
• La retroalimentación positiva es donde un sustrato anterior se regula para favorecer la posterior
• Algunos ejemplos de regulación: regulación de la vía del glucagón (activada cuando la glucosa en sangre baja y regulada por insulina)

Isoenzimas

• Las isoenzimas son diferentes formas de una misma enzima que catalizan la misma reacción, pero con diferentes propiedades cinéticas y estructuras.
• Se distinguen por su actividad diferente en diferentes tejidos.
• Muchas patologías se diagnostican por la presencia y la proporción de diferentes isoenzimas, por ejemplo, LDH.

Aplicaciones de la enzimoligía en la medicina

• Las enzimas se usan en análisis clínicos para diagnosticar.
• Se mide la actividad de una enzima en muestras de pacientes
• Algunas enfermedades provocan alteración en el nivel de ciertas enzimas en el plasma, por ejemplo, un infarto agudo de miocardio.
• Los inhibidores enzimáticos se usan en farmacología como terapia.

Conceptos de coenzimas

• Las coenzimas son moléculas orgánicas que permiten la actividad enzimática, la mayoría son vitaminas.
• La mayor parte de coenzimas son vitaminas o precursores
• Se usan para transferencia de grupos químicos

Coenzimas de oxidación-reducción

• Coenzimas como NAD y NADP; FADH2/FAD.
• Intervienen en reacciones que ganan/pierden electrones
• Coenzimas como el ácido lipoico; ácido ascórbico o vitamina C
• Son esenciales para el metabolismo

Inhibición enzimática

• Los inhibidores enzimáticos disminuyen la actividad de las enzimas.
• Hay inhibidores reversibles e irreversibles. La diferencia está en la unión: los reversibles no van a romper la proteína, los irreversibles si.
• Algunos ejemplos de inhibidores: Aspirina, Captopril, algunos fármacos contra VIH, penicilinas.
• Hay tres tipos de inhibidores reversibles: competitivos, no competitivos y acompetitivos.
• Inhibidor competitivo: compite con el sustrato por el sitio activo de la enzima.
• Inhibidor no competitivo: se une a un sitio distinto del sitio activo de la enzima, alterando la conformación y la actividad.
• Inhibidor acompetitivo: se une al complejo enzima-sustrato, inhibiendo la actividad

Aplicaciones en la medicina de los inhibidores enzimáticos

• Muchos medicamentos actúan como inhibidores enzimáticos.
• Las inhibiciones enzimáticas pueden ser reversibles o irreversibles.

Regulación de la actividad enzimática

• Diversas condiciones pueden regular la actividad de una enzima, incluyendo hormonas o la disponibilidad del sustrato.
• Regulación por cantidad de la enzima: síntesis y degradación.
• Mecanismos de modificación de proteínas, esto puede regular la función de manera inmediata.
• Mecanismos de retroalimentación tanto negativa como positiva, siendo esta un caso de regulación común en el interior de las células.
• Los moduladores alostéricos son metabolitos que activan o inhiben las enzimas activando o apagando las enzimas.
• Otros mecanismos, Ej: Proteína-quinasa
• Regulación por modificación covalente

Regulación de la actividad enzimática - Isoenzimas

• Los cambios en las expresiones de isoenzimas pueden depender de las necesidades celulares (como cuando hay un infarto de miocardio).
• El aumento de actividad asociado a ciertas isoenzimas en algunos casos puede ser utilizado para diagnosticar ciertas patologías

T15.Aplicaciones de la enzimoligía a la medicina

• Las actividades enzimáticas se pueden usar para diagnosticar.
• Para determinar presencia de determinadas enfermedades.
• Los diferentes niveles de enzimas pueden ser utilizados como marcadores de la actividad en un tejido.

#Proteínas globulares

• Las proteínas globulares poseen una estructura terciaria definida y normalmente son transportadoras, catalíticas, o de unión.
• Tienen estructuras tridimensionales complejas.
• La conformación 3D está determinada por las interacciones de su estructura primaria.
• Presentan dominios que son regiones definidas estructural y funcionalmente.
• La presencia y cantidad de ciertos dominios es específico de las proteínas

#Aminoácidos

• Los 20 aminoácidos estándar son aquellos que se combinan para formar proteínas.
• Hay una serie de aminoácidos importantes por sus funciones específicos.
• Algunos ejemplos de ellos son: Arginina; Histidina; Lisina; Tirosina; Fenilalanina, Triptófano