Importancia Biomédica y Clasificación de Proteínas

Importancia Biomédica de las Proteínas

• Las proteínas, para ser funcionales, deben plegarse correctamente
• La estructura tridimensional de una proteína determina su función
• El plegamiento incorrecto puede causar enfermedades como:
  • Enfermedades neurodegenerativas (Alzheimer, Creutzfeldt-Jakob, tembladera, encefalopatía espongiforme bovina)
  • Trastornos genéticos y nutricionales (Escorbuto por déficit de vitamina C, Síndrome de Menkes por déficit de cobre)
  • Desarrollo de antivirales que inhiben proteínas clave en VIH y Hepatitis C

Clasificación de Proteínas por Solubilidad

• Proteínas solubles se extraen con soluciones acuosas
• Proteínas de membrana necesitan detergentes para su extracción

Clasificación de Proteínas por Forma

• Globulares: Compactas y esféricas. A esta categoría pertenecen muchas enzimas
• Fibrosas: Estructuras alargadas, como el colágeno y la queratina

Clasificación de Proteínas por Composición Química

• Lipoproteínas: Contienen lípidos
• Glucoproteínas: Contienen carbohidratos
• Metaloproteínas: Contienen iones metálicos como la hemoglobina y los citocromos

Niveles de Estructura de las Proteínas

• Existen cuatro niveles estructurales en las proteínas

Estructura Primaria

• Secuencia lineal de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos
• Determina la forma y función de la proteína

Estructura Secundaria

• Plegamiento de segmentos cortos en estructuras organizadas
• Estabilizada por enlaces de hidrógeno
• Estructuras principales:
  • Hélice alfa (α): Estructura helicoidal estabilizada por enlaces de hidrógeno
  • Lámina beta (β): Estructura extendida con enlaces de hidrógeno entre cadenas paralelas o antiparalelas
  • Giros y asas: Conectan estructuras secundarias y actúan como sitios de unión o reconocimiento

Estructura Terciaria

• Conformación tridimensional completa de un polipéptido
• Se conforma por interacciones como
• Interacciones hidrófobas: Los residuos apolares se agrupan en el interior
• Puentes salinos: Interacciones entre cargas opuestas
• Enlaces de hidrógeno: Entre grupos polares
• Enlaces disulfuro (S-S): Entre residuos de cisteína

Estructura Cuaternaria

• Asociación de múltiples subunidades polipeptídicas en una proteína oligomérica
• Ejemplo: Hemoglobina (α2β2), donde cuatro subunidades cooperan para transportar oxígeno

Plegamiento de Proteínas

• Las proteínas deben plegarse de manera correcta para ser funcionales

Factores que Estabilizan el Plegamiento

• Interacciones no covalentes: Interacciones hidrófobas, enlaces de hidrógeno, puentes salinos
• Enlaces disulfuro: Estabilizan la estructura
• Chaperonas moleculares: Ayudan en el plegamiento correcto

Errores en el Plegamiento y Enfermedades

• La acumulación de proteínas mal plegadas puede causar la formación de agregados tóxicos
• Relacionado con Alzheimer, Parkinson y enfermedades priónicas

Métodos para Estudiar la Estructura de las Proteínas

• Cristalografía de Rayos X: Utiliza cristales de proteínas para determinar su estructura tridimensional con alta resolución
• Espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear: Permite estudiar proteínas disueltas y observar su dinámica estructural
• Microscopía Crioelectrónica: Técnica avanzada que usa temperaturas frías para visualizar macromoléculas en su estado original

Metabolismo

• El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en las células para mantener la vida
• Se divide en:
• Anabolismo: Construcción de moléculas grandes y complejas a partir de moléculas más simples (síntesis de proteínas, glucógeno, triglicéridos)
• Catabolismo: Degradación de moléculas grandes en otras más pequeñas para obtener energía (glucólisis, beta-oxidación)
• Anfibolismo: Vías que pueden ser anabólicas o catabólicas según las necesidades celulares (ciclo de Krebs)

Ubicación del Metabolismo

• Ocurre en distintos compartimentos celulares:
  • Citosol: Glucólisis, parte de la gluconeogénesis, vía de la pentosa fosfato
  • Mitocondria: Ciclo de Krebs, beta-oxidación, fosforilación oxidativa
  • Retículo endoplasmático: Síntesis de lípidos, metabolismo de fármacos
  • Peroxisomas: Oxidación de ácidos grasos de cadena muy larga

Metabolismo de Carbohidratos

Los carbohidratos proporcionan energía, principalmente en forma de glucosa

Principales Vías Metabólicas

• Glucólisis:
  • Se lleva a cabo en el citosol
  • Convierte glucosa en piruvato, generando ATP y NADH
  • En condiciones aeróbicas, el piruvato entra a la mitocondria y se convierte en Acetil-CoA
  • En condiciones anaeróbicas, se convierte en lactato
• Gluconeogénesis:
  • Ocurre en el hígado y riñón
  • Convierte precursores no glucídicos (lactato, aminoácidos, glicerol) en glucosa
  • Se activa en ayuno prolongado
• Glucogenogénesis y glucogenólisis:
• Glucogenogénesis es el almacenamiento de glucosa en forma de glucógeno en hígado y músculo
• Glucogenólisis es la degradación del glucógeno para liberar glucosa en situaciones de ayuno
• Vía de las pentosas fosfato:
• Produce NADPH y ribosa-5-fosfato, importantes para la síntesis de ácidos nucleicos y lípidos

Metabolismo de los Lípidos

• Los lípidos son una fuente de energía eficaz que se almacena en el tejido adiposo en forma de triglicéridos

Procesos Principales en el metabolismo lipídico

• Beta-oxidación de ácidos grasos:Tiene lugar en la mitocondria y convierte los ácidos grasos en Acetil-CoA para su oxidación en el ciclo de Krebs
• Síntesis de los ácidos grasos y triglicéridos: tiene lugar en el citosol y Acetil-CoA se transforma en ácidos grasos, que se utilizarán para el almacenamiento de energía
• Síntesis del colesterol: se da a partir del Acetil-CoA y es un precursor para hormonas esteroideas, vitamina D y sales biliares
• Formación de cuerpos cetónicos: Acetil-CoA se convierte en cuerpos cetónicos (acetoacetato y β-hidroxibutirato) en el hígado
• Los cuerpos cetónicos se usan como fuente de energía en ayuno prolongado

Metabolismo de los Aminoácidos y proteínas

• Los aminoácidos provienen de la dieta o del catabolismo de proteínas del cuerpo

Procesos Principales

• Transaminación: Permite la conversión de un aminoácido en otro mediante la transferencia de un grupo amino
• Desaminación oxidativa: Ocurre en el hígado y libera amoníaco, que se elimina en la urea
• Destino de los esqueletos de carbono:
  • Gluconeogénesis: Algunos aminoácidos se convierten en glucosa
  • Cetogénesis: Otros forman Acetil-CoA y pueden convertirse en cuerpos cetónicos

Regulación del Metabolismo

• Este regulado por hormonas dependiendo de la disponibilidad de sustratos

Hormonas Reguladoras Principales

• Insulina: Favorece el almacenamiento de energía (glucogenogénesis, síntesis de lípidos y proteínas)
• Glucagón: Moviliza reservas de energía en ayuno (glucogenólisis, gluconeogénesis, lipólisis)
• Adrenalina y cortisol: Activan el catabolismo en situaciones de estrés o ayuno prolongado

Estados Metabólicos

• Estado pospandrial (después de comer)
  • La glucosa de los alimentos se usa para obtener energía o se almacena en forma de glucógeno y triglicéridos
  • Predomina la acción de la insulina
• Estado de ayuno
  • Disminuyen los niveles de glucosa en sangre
  • Activa la glucogenólisis y luego la gluconeogénesis para mantener la glucemia
  • Aumenta la lipólisis y se usan cuerpos cetónicos como fuente de energía
• Estado de inanición (ayuno prolongado)
  • Los aminoácidos de las proteínas musculares se utilizan para la gluconeogénesis
  • Gran aumento de cuerpos cetónicos en sangre

Relación entre los órganos en el metabolismo

• Hígado: Regula la glucosa en sangre, síntesis y degradación de lípidos y proteínas
• Tejido adiposo: Almacena triglicéridos y libera ácidos grasos en ayuno
• Músculo: Utiliza glucosa y ácidos grasos para obtener energía
• Cerebro: Depende de la glucosa y utiliza cuerpos cetónicos en ayuno prolongado
• Eritrocitos: Su única fuente de energía es la glucólisis anaeróbica

Producción y Consumo de Energía

• La producción de ATP se da principalmente en la mitocondria a través de la fosforilación oxidativa
• Los combustibles metabólicos se oxidan generando CO₂ y H₂O

Cambios Metabólicos en Diferentes Situaciones

• Ejercicio: Primero utiliza glucógeno muscular y luego ácidos grasos
• Estrés: Aumenta la producción de glucosa y la lipólisis por acción del cortisol y adrenalina

Bioenergética

• La bioenergética estudia la transferencia y el uso de energía en los sistemas biológicos
• Es fundamental debido a:
  • Los sistemas biológicos son isotérmicos
  • Reservas de energía en el cuerpo pueden agotarse en 12 a 18 horas de ayuno
  • Un déficit de energía causa inanición y marasmo
  • Las hormonas tiroideas regulan la velocidad metabólica
  • El exceso de almacenamiento de energía conduce a obesidad

Principios de la Termodinámica en Bioenergética

• Se basa en dos leyes principales de la termodinámica:
  • Primera Ley: La energía total del sistema y su entorno permanece constante. No se crea ni se destruye, solo se transforma
  • Segunda Ley: La entropía total del sistema debe aumentar para que un proceso ocurra espontáneamente. La entropía (ΔS) mide el grado de desorden

Conceptos Clave: Energía Libre de Gibbs

• Energía libre (ΔG): Determina si una reacción es espontánea o no
  • ΔG negativo: Es exergónica, libera energía
  • ΔG positivo: Es endergónica, necesita energía
  • ΔG = 0: La reacción está en equilibrio

Entalpía y Entropía

• Entalpía (ΔH): Representa el flujo de energía térmica en un proceso químico
• Entropía (ΔS): Mide el nivel de desorden en reactantes y productos
• Ejemplo en bioenergética: La contracción muscular obtiene energía a través de reacciones oxidativas acopladas a procesos exergónicos

Reacciones Exergónicas y Endergónicas

• Exergónicas: Liberan energía (catabolismo)
• Endergónicas: Necesitan energía (anabolismo)
• Ambas reacciones están acopladas para permitir procesos biológicos esenciales
• Ejemplo: Glucosa → glucosa-6-fosfato es una reacción endergónica, necesitada para la hidrólisis de ATP

Compuestos de Alta Energía y el ATP

• El ATP es el principal transportador de energía en la célula

Fosfatos de Alta Energía

• ATP (Adenosín Trifosfato) contiene tres enlaces fosfato de alta energía
• Su hidrólisis libera ~7.3 kcal/mol de energía
• Otros incluyen:
  • Fosfoenolpiruvato (PEP)
  • 1,3-bisfosfoglicerato
  • Creatina fosfato (almacén de energía en músculo y corazón)

Ciclo ATP/ADP

• El ATP se hidroliza a ADP + Pi, liberando energía para procesos celulares
• Se regenera a través de fosforilación oxidativa, glucólisis y ciclo de Krebs

Producción de ATP en el Metabolismo

• Las principales fuentes de ATP son
• Fosforilación oxidativa (cadena respiratoria mitocondrial)
  • Glucólisis (fosforilación a nivel de sustrato)
• Ciclo del Ácido Cítrico (producción de GTP y NADH para la cadena respiratoria)

Radicales Libres

• Especies moleculares reactivas con un electrón desapareado
• Son inestables y de vida media corta
• Se asocian a daño oxidativo y pueden provocar enfermedades

Tipos de Radicales Libres

• Superóxido (•O2-)
• Radical hidroxilo(•OH)
• Radical perhidroxilo (•O2H)
• Los radicales afectan moléculas biológicas, y producen mutaciones y daños

Formación de Radicales Libres

• Se generan normalmente en el cuerpo, pero aumentan por factores:

Fuentes Internas de Radicales Libres

• Cadenas de transporte de electrones en la mitocondria generan Especies Reactivas de Oxígeno (ROS)
• Reacciones enzimáticas con flavinas en oxidación de coenzimas
• Oxido nítrico (NO•): Es un radical para la señalización

Fuentes Externas de Radicales Libres

• Radiación ionizante: Rompe moléculas de agua y genera radicales hidroxilo
• Metales de transición: Reaccionan con oxigeno o peróxido de hidrogeno
• Contaminantes ambientales inducen estrés oxidativo

Efectos de los Radicales Libres en el Organismo

• Afectan biomoléculas esenciales

Daño en Lípidos (Peroxidación Lipídica)

• Ocurre en ácidos grasos poliinsaturados de membranas celulares y lipoproteínas plasmáticas
• Reacción en cadena con tres etapas:
• Iniciación: Un radical libre ataca un ácido graso
• Propagación: El radical reacciona con oxigeno y forma peróxidos
• Terminación: Dos radicales se combinan

Daño en Proteínas

• Modifican estructuras y funciones de proteínas esenciales
• Pueden desencadenar enfermedades autoinmunitarias

Daño en el ADN

• Inducen cáncer y mutaciones hereditarias

Relación con Enfermedades

• Contribuyen a:
• Aterosclerosis y enfermedades cardiovasculares
• Cáncer (mutaciones en el ADN)
• Enfermedades neurodegenerativas

Antioxidantes

• Moléculas que neutralizan radicales libres
• Evitan el daño oxidativo

Tipos de Antioxidantes

• Preventivos: Reducen la tasa de iniciación de la reacción en cadena
  • Superóxido dismutasa (SOD) y catalasa
• Que rompen la cadena: Interfieren en la propagación
  • Vitamina C y E

Ejemplos de Antioxidantes Naturales

• Vitamina C (ácido ascórbico)
  • Hidrosoluble
  • Neutraliza radicales libres en sangre y citoplasma
• Vitamina E (tocoferol)
  • Liposoluble
  • Protege membranas celulares de la peroxidación lipídica
• Ácido úrico y polifenoles
  • Antioxidantes en sangre y tejidos
• Carotenos y ubiquinona
  • Liposolubles protegen membranas

Antioxidantes Sintéticos (Usados en Alimentos)

• Galato de propilo
• Hidroxianisol butilado (BHA)
• Hidroxitolueno butilado (BHT)
• Se usan para prevenir la oxidación y evitar la rancidez en los alimentos

Estrés Oxidativo

• Desequilibrio entre la producción de radicales libres y la capacidad antioxidante
• Puede llevar a:
  • Daño celular irreversible
  • Envejecimiento prematuro
  • Desarrollo de enfermedades crónicas

Envejecimiento

• Proceso biológico progresivo con disminución en la función celular
• Aumento de la susceptibilidad a enfermedades
• Acumulación de daños a lo largo de la vida
• Mecanismos de reparación y reemplazo imperfectos

Factores que Contribuyen al Envejecimiento

• Lesiones físicas, químicas o biológicas
• Enfermedades crónicas y degenerativas
• Exposición a componentes ambientales nocivos

Enfermedades Relacionadas con Envejecimiento Prematuro

• Síndrome de Hutchinson-Gilford:
  • Causa envejecimiento acelerado en la infancia
  • Relacionado a proteína lamina A (LMNA)
• Síndrome de Werner
  • Se manifiesta en la adultez temprana
  • Afecta la reparación del ADN
• Síndrome de Down
• Causa envejecimiento acelerado y riesgo de neurodegeneración
• Aumento de estrés oxidativo

Mecanismos Bioquímicos del Envejecimiento

• Daño oxidativo por Especies Reactivas de Oxígeno (ROS)
  • Respiración celular genera ROS
  • Pueden dañar proteínas, lípidos y ADN
• Reacciones Hidrolíticas: Pueden dañar proteínas y nucleótidos
• Destoxificación y Metabolismo de Xenobióticos
  • Eliminan compuestos tóxicos a través del citocromo P450
  • Purinas se convierten en Acido úrico
  • Reacciones REDOX (equilibrio entre oxidación y reducción)

Relación del Envejecimiento con Enfermedades

• A medida que las células envejecen, su capacidad de reparación disminuye y favorece la aparición de:
• Cardiovasculares
• Cáncer
• Neurodegeneración
• Diabetes tipo dos

Estrategias para Ralentizar el Envejecimiento

• Reducción del estrés oxidativo:
  • Consumo de antioxidantes (vitaminas C y E, polifenoles)
  • Activación de mecanismos de reparación del ADN
• Modulación del metabolismo energético:
  • Restricción calórica reduce la producción de ROS
• Ejercicio físico mejora la función mitocondrial
• Control de la inflamación:
  • Dieta antiinflamatoria (ricos en omega-3)
  • Regulación de vías metabólicas involucradas en el envejecimiento (ej. mTOR, AMPK)

Oxidación Biológica

• Proceso donde células obtienen energía transfiriendo electrones en reacciones redox
• Oxidación es la pérdida de electrones
• Reducción es la ganancia de electrones
• Estos procesos ocurren a la vez con donador y aceptor de electrones

Importancia Biómedica de la Oxidación Biológica

• Permite la producción de ATP mediante la respiración celular
• Participa en el metabolismo de fármacos y carcinógenos a través del citocromo P450

Potencial de Reducción

• El cambio de energía libre (ΔG0′) es proporcional a la tendencia de una sustancia a donar o aceptar electrones
• Se mide con el potencial de oxidación-reducción (E′0)
• Valores positivos (Mayor tendencia a aceptar electrones)
• Valores negativos (Mayor tendencia a donar electrones)
• En sistemas biológicos, el electrodo de hidrógeno se usa como referencia (-0.42 V a pH 7.0)

Enzimas en la Oxidación Biológica (Oxidorreductasas)

• Las enzimas que catalizan reacciones redox se denominan oxidorreductasas y se dividen en cuatro grupos:
  • Oxidasas, Deshidrogenasas, Hidroperoxidasas, Oxigenasas.

Oxidasas

• Eliminan hidrógenos, usando el oxígeno como aceptor de electrones
• Citocromo oxidasa (hemoproteína presente en la cadena de transporte de electrones)
• Contienen flavinas como coenzimas (FMN y FAD)
• Tóxicos como monóxido de carbono (CO), cianuro (CN⁻) y sulfuro de hidrógeno (H₂S) bloquean su función

Deshidrogenasas

• Transfieren hidróxido de un sustrato a otro en redox
• Usan coenzimas (NAD⁺ y FAD)
• Deshidrogenasa de succinato, de acil-CoA, mitocondrial de glicerol-3-fosfato
• No usan el oxígeno como aceptor final de electrones

Hidroperoxidasas

• Protegen contra estrés oxidativo
• Superóxido dismutasa (SOD) convierte superóxido en peróxido de hidrógeno y oxígeno

Oxigenasas

• Incorporan el oxígeno molecular
• Tipos:
  • Monooxigenasas, que incorporan un átomo de oxígeno;
  • Dioxigenasas, que incorporan ambos
• Enzimas del citocromo P450, esenciales en la hidroxilación de fármacos y esteroides

Transporte de Electrones en la Respiración Celular

• El oxígeno molecular es el último aceptor de electrones en la cadena de transporte de electrones (CTE)
• Se reduce para formar agua, en un proceso acoplado a la producción de ATP en la fosforilación oxidativa

Reacciones Clave

• Transferencia de electrones del sustrato al oxígeno en la cadena respiratoria mitocondrial
• El oxígeno recibe electrones del citocromo P450

Protección Celular contra Daño

• Superóxido dismutasa (SOD): Convierte el superóxido a peróxido de hidrogeno y oxigeno
• Catalasa y glutatión peroxidasa: Eliminan el peróxido de hidrógeno eliminando el radical hidroxilo

Fosforilación Oxidativa

• Proceso central en el que la célula convierte la energía de oxidación en ATP en la mitocondria.

Enfermedades y Tóxicos

• Enfermedades mitocondriales pueden causar miopatía y acidosis
• Fármacos y venenos como el cianuro y monóxido de carbono pueden causan la muerte celular

Organización de la Mitocondria

• Mitocondria posee doble membrana:
  • Externa: permeable a la mayoría de los metabolitos
  • Interna: selectiva contiene sintasa de ATP
• Electrones fluyen desde NADH o FADH₂ al oxígeno para formar gradiente de protones.
• Complejos transportadores de electrones:
  • I: NADH-Coenzima Q Oxidorreductasa (transfiere electrones y bombea protones). Inhibido por amobarbital.
  • II: Succinato-Coenzima Q Reductasa (transfiere electrones, no bombea protones). Inhibido por malonato
  • III: Coenzima Q-Citocromo C Oxidorreductasa (transfiere electrones y bombea protones). Inhibido por antimicina A
  • IV: Citocromo C Oxidasa (transfiere electrones y bombea protones). Inhibido por cianuro

Fosforilación Oxidativa

• Protones regresan a la matriz para generar ATP
• Teoría quimiosmótica explica el gradiente de protones
• Rendimiento energético: NADH (2.5 ATP), FADH₂ (1.5 ATP), glucosa (30-32 ATP)

Inhibidores y Desacopladores

• Inhiben el transporte de electrones
• Desacopladores disocian el transporte y permiten que la energía se disipe como calor (DNP, termogenina)

Transporte en la Membrana Mitocondrial

• Sistemas especializados transportan moléculas debido a la impermeabilidad de la membrana interna
• Lanzaderas: malato-aspartato (NADH), glicerol-3-fosfato (FADH2), ADP/ATP (transporte)

Aspectos Clínicos de Enfermedades Mitocondriales

• Causan enfermedades severas:
• Mutaciones en el ADN dan lugar al Síndrome MELAS
• El déficit de enzimas origina miopatías
• Envenenamiento de cianuro o monóxido de carbono originan hipoxia

Glucólisis y Oxidación del Piruvato

• Proporciona energía
• Ocurre en condiciones anaeróbicas
• Puente metabólico
• En eritrocitos la glucólisis es la única fuente de energía
• En cáncer aumenta la glucólisis causando el efecto Warburg

Características de la Glucólisis

• Ocurre en el citosol y puede ser aeróbica/ anaeróbica
• Convierte una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato
• Aeróbicas (7 ATP), anaeróbicas (2 ATP)
• Fases: -Inversión se consumen 2 ATP
  • Fosforilación de glucosa
  • Generación de energía se producen 4 ATP y 2 NADH

Regulación de la Glucólisis

• Regulada por tres enzimas clave:
• Hexocinasa (Inhibida por glucosa-6-fosfato)
• Fosfofructocinasa-1 (PFK-1) (Inhibida por ATP/citrato, Activada por AMP/fructosa)
• Cinasa de Piruvato (Inhibida por ATP/ acetil-CoA, Activada por fructosa)
• La insulina/glucagón regulan la actividad de estas enzimas

Destino del Piruvato

• Piruvato sigue dos rutas según la disponibilidad de oxígeno:
  • Aeróbicas (se convierte en Acetil-CoA)
  • Anaeróbicas (se convierte en lactato)

Oxidación del Piruvato Acetil-CoA

• El piruvato pasa a Acetil-CoA mediante Piruvato Deshidrogenasa (PDH), un paso irreversible
• PDH inhibida por ATP/ NADH/ Acetil-CoA, Activada por ADP/ Piruvato.
• Déficit de PDH se da acidosis láctica

Aspectos Clínicos y Patológicos

• Acidosis láctica (causada por hipoxia, deficiencia de tiamina o deficiencia hereditaria de PDH)
• Efecto Warburg ( se produce glucólisis en células tumorales)
• Deficiencias en enzimas glucolíticas (provoca anemia hemolítica)
• Deficiencia de fosfofructocinasa (Causa fatiga/debilidad)