Compuestos de Importancia Biológica PDF - Resumen

COMPUESTOS DE IMPORTANCIA BIOLÓGICA Los compuestos son asociaciones de dos o más elementos químicos. Estos pueden ser clasificados en tres categorías según su importancia en la estructura de los seres vivos… Elementos primarios: Constituyen el 96% de la biomasa (masa viviente) y a es...

COMPUESTOS DE IMPORTANCIA BIOLÓGICA Los compuestos son asociaciones de dos o más elementos químicos. Estos pueden ser clasificados en tres categorías según su importancia en la estructura de los seres vivos… Elementos primarios: Constituyen el 96% de la biomasa (masa viviente) y a esta categoría pertenecen C, H, O y N. Elementos secundarios: Constituyen casi el 4% restante de la biomasa y a esta categoría pertenecen Ca, P, K, Na, Cl, Mg, S y Fe. Oligoelementos: Se hallan en proporciones casi indetectables (trazas) y a esta categoría pertenecen I, Ni, Se, Cu, Co, Mo, Mn, Zn, B y F. Los compuestos de importancia biológica pueden ser agrupados en dos categorías según posean o no esqueletos hidrocarbonados (de C e H) … 1) Compuestos Inorgánicos: Son los que no poseen esqueletos hidrocarbonados y en esta categoría se incluyen… Agua: Es el compuesto más abundante en la estructura del ser vivo. Gases: A este grupo pertenecen el oxígeno (O2) y el dióxido de carbono (CO2). Sales minerales: Que se disocian formando partículas con carga (iones), tanto positiva (cationes) como negativa (aniones). Ej.: el cloruro de sodio (NaCl) que se disocia en iones sodio (Na+) y cloruro (Cl-) 2) Compuestos Orgánicos: Los compuestos orgánicos de importancia biológica están constituidos por un esqueleto hidrocarbonado al que se asocian los llamados grupos funcionales. A esta categoría se incluyen carbohidratos, lípidos, aminoácidos y proteínas, nucleótidos y ácidos nucleicos, vitamina, etc. El esqueleto hidrocarbonado, formado por carbonos e hidrógenos puede ser lineal, ramificado, cíclico o aromático. Los grupos funcionales son asociaciones atómicas muy variadas e incluyen principalmente a los grupos… Metilo: Representado como –CH3. Hidroxilo: También llamado alcohol, se representa –OH. Sulfhidrilo: También llamado tiol o mercaptán, se representa –SH. Carbonilo: Representado –CO-, puede presentarse como aldehído o como cetona. Carboxilo: Representado –COOH, puede ionizarse con carga negativa. Amino: Representado –NH2, puede ionizarse con carga positiva. Amida: Sepresenta –CONH2. Acetilo: Se representa –COCH3 Fosfato: Se representa –H2PO4, puede ionizarse con carga negativa. Sulfato: Se representa –HSO4, puede ionizarse con carga negativa.  ENLACES DE IMPORTANCIA BIOLÓGICA Los enlaces que unen los átomos y las moléculas se clasifican biológicamente en dos categorias… A) Covalentes: Son los enlaces fuertes en los que los átomos se mantienen unidos al compartir pares de electrones (2e-). Los átomos enlazados se hallan a 0,9 Ȧ entre sí y se requiere una energía de 80 a 100 kcal/mol para romperlos. Los enlaces covalentes de importancia biológica pueden ser… Polares: Cuando se unen átomos con afinidad diferente por los electrones, por ejemplo los enlaces O-H o N-H, donde los átomos de O y N tienen gran afinidad por los electrones y actúan como “polo negativo”, mientras que el H tiene baja afinidad por los electrones y actúa como “polo positivo”. La presencia de estos “polos” da en nombre de polar aunque no hay cargas reales como en los iones. Apolares: Cuando se unen átomos con afinidad semejante por los electrones, como por ejemplo los enlaces C-C, C-N, C-O. Estos átomos atraen por igual a los electrones por lo que no se forman “polos”. B) No Covalentes: También llamadas interacciones, son los enlaces débiles en los que los átomos muestran atracción entre sí sin compartir pares electrónicos. Se requieren 1 a 5 kcal/mol para romperlos. En este grupo encontramos… Interacción Iónica: Cuando dos partículas o grupos funcionales de carga opuesta se hallan próximos entre sí, surge entre ellos una atracción llamada enlace iónico. En biología este enlace es también llamado interacción iónica, interacción electrostática o puente de sal y es débil porque los procesos celulares se hallan inmersos en agua (la cual debilita la unión). La energía necesaria para romperlos ronda los 3 a 5 kcal/mol. Puente de Hidrógeno: Cuando un átomo de H se halla covalentemente unido a uno de O o N, muestra atracción adicional por otros átomos de O o N. La distancia entre átomos es de 1,8 Ȧ y la energía para romperlos es de 1 kcal/mol. Existen cuatro combinaciones que pueden formar puentes de H en los sistemas biológicos…  Interacción Hidrofóbica: Las moléculas de agua repelen a los grupos apolares y los obligan a aglomerarse entre sí. Esta interacción es más un producto de la repulsión del agua que una verdadera fuerza de atracción entre compuestos apolares. Fuerzas de Van der Waals: Cuando moléculas se hallan muy próximas entre sí, surge entre ellas una verdadera atracción producto de la aparición de “polos transitorios inducidos”. La distancia entre átomos es de unos 4Ȧ y es la atracción más débil de todas, ya que requiere solo 0,1 kcal/mol para romperlas. Obs.: Los enlaces no covalentes, aunque son débiles individualmente, cuando se presentan en grandes cantidades (como en proteínas o ácidos nucleicos) son uniones muy estables. EL AGUA Es la molécula más abundante en los seres vivos, siendo aproximadamente el 85% del volumen celular y alrededor del 60% del volumen del ser humano. Posee una átomo de oxígeno unido a dos de hidrógeno (H2O) y, a pesar de no poseer carga, sus enlaces covalentes polares hacen que se comporte como un dipolo cuyo lado negativo sería el O y el positivo los dos H. El agua tiene numerosas propiedades que son fundamentales para permitir la existencia de la vida, a continuación mencionaremos las más relevantes… 1) Cohesión: Las moléculas de agua muestran atracción entre sí, de manera que una molécula de agua puede unirse hasta con otras cuatro mediante puentes de H. La cantidad y la estabilidad de estas uniones son las que determinan sus tres estados físicos: hielo (sólido), agua (líquido) y vapor (gaseoso).  2) Adhesión: El agua muestra atracción por otros compuestos polares (con o sin carga); gracias a esto es que el agua “moja” una ropa de algodón, puede “trepar” una servilleta que toca una superficie de agua o puede rodear a los iones que forman una sal (solvatar) separándolos. 3) Acción Dispersante: El agua es el agente dispersante (solvente) en las células y todos los seres vivos. Según su relación con el agua, los compuestos pueden ser divididos en… Hidrofílicos: Son los compuestos polares, con o sin carga, que aceptan al agua como solvente (solutos) y se dispersan en presencia de ella. Hidrofóbicos: Son los compuestos apolares que no aceptan al agua como solvente y se aglomeran entre sí en presencia de ella. Anfipáticos: Son compuestos en los que se reconoce una cabeza polar (hidrofílica) y una o más colas apolares (hidrofóbicas). 4) Tensión Superficial: El agua “repele” a los compuestos apolares y los obliga a aglomerarse, de modo que si en un vaso vertimos agua (polar) y aceite (apolar), estos permanecen claramente separados por un límite en el que puede medirse una “tensión”. Esta tensión puede ser reducida gracias a compuestos con acción detergente, como los jabones o detergentes propiamente dichos que son sustancias anfipáticas. Si las agregamos al vaso con agua y aceite notamos que parecen mezclarse formando lo que se llama una emulsión; la emulsión está formada por micelas que contienen aceite (apolar) en su centro, en contacto con las colas apolares de las moléculas de detergente, mientras que la superficie de las micelas está formada por las cabezas polares de detergente en contacto con el agua..  ÁCIDOS Y BASES Un ácido es una sustancia que al sumergirla en un medio acuoso es capaz de liberar uno o más iones hidrógeno, también llamados hidrogeniones o simplemente protones, mientras que una base o álcali es una sustancia que al sumergirla en medio acuoso es capaz de capturar uno o más protones. En los compuestos orgánicos, los grupos funcionales carboxilo, fosfato y sulfato actúan como ácidos (liberan protones) y los grupos amino actúan como bases (captan protones). De esta manera, un medio ácido es un medio con una alta concentración de protones, que representaremos ↑[H+]. Un medio básico o alcalino es entonces un medio con una baja concentración de protones, que representaremos ↓[H+]. La concentración de protones puede expresarse de manera más sencilla mediante valores de pH comprendidos entre 0 y 14, siendo 0 el medio más ácido posible, 7 el valor neutro y 14 el medio más alcalino posible; las células humanas presentan en general valores de pH comprendidos entre 4,6 y 8, salvo en el estómago que es muy ácido. El pH celular es un parámetro sometido a autorregulación homeostática ya que si el cuerpo se aleja del rango de los valores normales puede dejar de funcionar correctamente y provocar la muerte del ser. Debido a esto, es importante la presencia de sustancias que se opongan a cambios bruscos de la concentración de protones, las cuales son llamadas amortiguadores de pH (tampones); estos suavizan los cambios comportándose como ácidos si el medio se alcaliniza y como bases si el medio se acidifica. En humanos, el amortiguador extracelular más relevante es la dupla ácido carbónico bicarbonato… En el medio intracelular existen numeroso amortiguadores, siendo los más relevantes: las proteínas, los aminoácidos y los grupos fosfatos. CLASIFICACIÓN DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS Según la función general que cumplan dentro de las células, los compuestos orgánicos pueden ser agrupados en cuatro categorías, que son…  Monómeros: Se dice que un compuesto es un monómero cuando varios de ellos son utilizados como unidades estructurales para construir moléculas mucho más grandes (macromoléculas). Ej.: se requieren decenas de aminoácidos para construir una sola proteína, por lo tanto los aminoácidos son los monómeros de las proteínas Macromoléculas: Son moléculas de gran tamaño formada por múltiples monómeros, por ello se dice que son polímeros. Ej.: una proteína está formada por decenas de aminoácidos, por lo tanto las proteínas son polímeros de aminoácidos. El grupo de las macromoléculas incluye estructuras tales como proteínas, RNA, DNA y polisacáridos y cumplen la inmensa mayoría de las funciones dentro de la célula. Cuando varios monómeros se unen para formar un polímero se habla de polimerización, cuando un polímero es desarmado separando sus monómeros se habla de despolimerización. Metabolitos: También llamados intermediarios, son moléculas de breve duración que se originan durante las transformaciones químicas que sufren las sustancias en el organismo, pudiendo estas ser transformaciones energéticas o de detoxificación de sustancias. Las reacciones metabólicas pueden ser de síntesis (anabólicas) o de degradación (catabólicas). De función diversa: Todas las moléculas que no encajan en las tres categorías anteriores se incluyen aquí. Este grupo incluye a las compuestos que actúan como moléculas de señalización (hormonas, citoquinas, neurotransmisores, neurohormonas, segundos mensajeros, etc), cofactores enzimáticos (vitaminas y derivados), desechos metabólicos (urea, creatinina, ácido úrico), donantes energéticos (ATP, creatina, etc) y otras. Una misma molécula puede cumplir varias de estas funciones en circunstancias diferentes, por ejemplo: El ATP (adenosin-trifosfato) es un monómero para construir RNA, es un cofactor donante de fosfato, es una molécula de señalización intracelular o segundo mensajero y es un donante de energía (moneda energética). A continuación veremos que, desde el punto de vista bioquímico, las moléculas de importancia biológica se dividen en cuatro categorías… Carbohidratos Ácidos Grasos y Lípidos Aminoácidos y Proteínas Nucleótidos y Ácidos Nucleicos CARBOHIDRATOS También llamados hidratos de carbono, glúcidos, azúcares o glicanos; los carbohidratos son moléculas orgánicas polares formadas por C, H, O y a veces N y S. A este grupo pertenecen los monosacáridos, los disacáridos, los oligosacáridos y los polisacáridos… A) Monosacáridos: Son los carbohidratos más simples y presenten una fórmula general (CH2O)n, donde n es un número comprendido entre 3 y 7, es decir, poseen el equivalente de una molécula de agua por cada C (de ahí el nombre “carbo-hidratos”). Presentan dos o más grupos funcionales hidroxilo y un grupo aldehído o uno cetona; los que poseen grupo aldehído se conocen como aldosas y si tienen cetona son cetosas.  Los monosacáridos de 3 y 4 carbonos poseen esqueletos lineales mientras que los de 5 o más poseen esqueletos cíclicos pudiendo tener forma pentagonal (furanosa) o hexagonal (piranosa). La forma más común de representarlas en biología es con un borde más grueso para dar la impresión de perspectiva (proyección de Haworth). Según la cantidad de carbonos en su estructura, los monosacáridos se pueden agrupar en cinco categorías… Triosas: En ellas n = 3 y su fórmula es C3H6O3. Este grupo incluye al gliceraldehído (aldosa) y la dihidroxiacetona (cetosa). Tetrosas: En ellas n = 4 y su fórmula es C4H8O4. Este grupo, propio de plantas, incluye la eritrosa (aldosa), la treosa (aldosa) y la eritrulosa (cetosa). Pentosas: En ellas n = 5 y su fórmula es C5H10O5. Este grupo incluye la ribosa y la xilosa; ambas son aldosas y furanosas. En plantas es importante la ribulosa (cetosa). Hexosas: En ellas n = 6 y su fórmula es C6H12O6. Este grupo incluye la glucosa, la galactosa, la manosa y la fructosa. Las tres primeras son aldosas y piranosas en tanto que la última es cetosa y furanosa. Heptosas: En ellas n = 7 y su fórmula es C7H14O7 Este grupo también es propio de plantas. Obs.: Todos los compuestos orgánicos que tienen la misma fórmula molecular (mismas cantidades de los distintos átomos) son isómeros entre sí. En los monosacáridos es importante una forma de isomería llamada esteroisomería (enantiomería) en la que dos moléculas difieren por la orientación de un carbono asimétrico o quiral (que es un C unido a cuatro componentes diferentes) dando lugar a las formas D y L.  En general las células eucariotas usan solo los enantiómeros D, por lo que siempre nos referiremos a ellos sin necesidad de aclarar. En los monosacáridos cíclicos también es importante la orientación de C1, dando lugar a las formas alfa (α) y beta (β)… Representación: Los monosacáridos más importantes en lo sucesivo serán la ribosa (Rib), la xilosa (Xyl), la ribulosa (Rub), la glucosa (Glc), la galactosa (Gal), la manosa (Man) y la fructosa (Fru). También serán de gran importancia los denominados monosacáridos modificados (a los que se han agregado o eliminado grupos funcionales) como por ejemplo: la desoxirribosa (dRib), la fucosa (Fuc), la N-acetilglucosamina (NAGlc), la N-acetilgalactosamina (NAGal), el ácido glucurónico (GlcA), ácido galacturónico (GalA) y el ácido siálico (SiA). B) Disacáridos: Son carbohidratos de reserva energética que están formados por la unión de dos monosacáridos, estos se unen mediante un enlace covalente llamado enlace glucosídico. A esta categoría pertenecen… Maltosa: También llamada azúcar de malta, se forma de la unión de dos Glc-α mediante un enlace glucosídico entre el C1 de una y el C4 de la otra (enlace α1→4). Los humanos puede digerir esta molécula de origen vegetal gracias a la enzima intestinal llamada maltasa (que rompe el mencionado enlace). Lactosa: También llamada azúcar de la leche, se forma de la unión de una Gal-β y una Glc-α mediante un enlace glucosídico entre el C1 de la primera y el C4 de la segunda (enlace β1→4). Los humanos puede digerir esta molécula de origen animal gracias a la enzima intestinal llamada lactasa (que rompe el mencionado enlace). Esta enzima puede estar ausente en algunas personas causando el cuadro llamado intolerancia a la lactosa (caracterizado por diarrea y flatulencias). Sacarosa: También llamada azúcar de caña o de mesa, se forma de la unión de una Glc-α y una Frul-β mediante un enlace glucosídico entre el C1 de la primera y el C2 de la segunda (enlace α1→2). Los humanos puede digerir esta molécula de origen vegetal gracias a la enzima intestinal llamada sacarasa (que rompe el mencionado enlace).  C) Oligosacáridos: Son carbohidratos de función estructural que están formados por la unión de unos pocos monosacáridos, también mediante enlaces covalentes glucosídicos. Estas moléculas normalmente no se hallan libres sino que están covalentemente unidas a proteínas (formando glicoproteínas: 90% de los casos) o a lípidos (formando glicolípidos gangliósidos: 10% de los casos). Los oligasacáridos tienen múltiples monómeros diferentes por lo que son los más heterogéneos de los carbohidratos y los únicos capaces de contener información cifrada. Obs.: Los oligosacáridos unidos a proteínas pueden agruparse en dos categorías… N-unidos: Se unen al aminoácido asparagina de las proteínas mediante un monómero de NAGlc. O-unidos: Se unen a aminoácidos como la serina o treonina mediante un monómero de NAGal. D) Polisacáridos: Son macromoléculas que están formadas por la unión de unos muchos monosacáridos (cientos o miles) mediante enlaces covalentes glucosídicos. Si están formados por un solo tipo de monosacáridos reciben el nombre de homopolisacáridos, mientras que si están formados por dos tipos reciben el nombre de heteropolisacáridos. Los polisacáridos más importantes son… Almidón: Es un homopolímero de múltiples Glc-α que posee función de reserva energética en células vegetales, en las que se almacena en organelos membranosos llamados amiloplastos. El almidón está formado en realidad por dos polímeros diferentes llamados amilopectina (grande y ramificado) y amilosa (más pequeño y sin ramas). Las glucosas están unidas entre sí mediante enlaces glucosídicos tipo α1→4 (excepto al inicio de cada rama de la amilopectina donde son α1→6).  Obs.: El almidón es digerible por humanos gracias a las enzimas llamadas amilasas. Glucógeno: Es también un homopolímero de múltiples Glc-α que posee también función de reserva energética pero en células animales. Se almacena en acúmulos libres en el citosol de miocitos (células musculares) y de hepatocitos (células del hígado); estos acúmulos son llamados glucosomas. Es semejante a la amilopectina, con enlaces α1→4 y α1→6, pero está mucho más ramificado y de manera más regular. Celulosa: Es un homopolímero lineal no ramificado de múltiples Glc-β que posee función de soporte estructural al ser el principal componente de la pared celular vegetal. Sus monómeros se hallan unidos por enlaces glucosídicos de tipo β1→4. Para humanos la celulosa es indigerible y forma las fibras de la dieta que ayudan a ejercitar la musculatura intestinal. Para termitas y herbívoros es muy digerible ya que estos albergan en su tubo digestivo bacterias y protozoos con la enzima celulasa. Es industrialmente útil al ser el componente principal (95%) del algodón y del papel. Quitina: Es un homopolímero lineal no ramificado de múltiples NAGlc que posee función de soporte estructural al ser el principal componente de la pared celular fúngica (hongos y levaduras) y del exoesqueleto de artrópodos (insectos, arácnidos, crustáceos, etc).  Glucosaminoglucanos (GAGs): Son una familia de heteropolímeros lineales no ramificados formados por dos tipos de monosacáridos cuya estructura alterna de la siguiente manera… a) La heparina: Este es un GAG que tiene función de anticoagulante en la sangre animal ya que activa a la proteína antitrombina, la cual bloquea a la trombina (enzima que inicia los eventos de coagulación). b) El ácido hialurónico: Es un GAG gigantesco que puede ser hallado cumpliendo una función estructural en la matriz extracelular (MEC) animal. c) Los GAGs sulfatados: Este grupo incluye varios GAGs como el condroitín- sulfato, queratán-sulfato, heparán-sulfato y otros. Todos ellos se combinan con proteínas para formar los llamados proteoglucanos que también cumplen una función estructural en la MEC animal. d) Los GAGs se combinan con péptidos cortos para formar el peptidoglicano que se halla en la pared celular de las bacterias. Obs.: También pertenecen al grupo de los heteropolisacáridos los siguientes… Hemicelulosa y Pectina: Componentes estructurales secundarios de la pared celular vegetal, junto a la celulosa, son los carbohidratos más complejos de todos. Agarosa: Polisacáridos estructurales que se hallan en la pared celular de ciertas algas. ÁCIDOS GRASOS Son compuestos orgánicos con un esqueleto lineal (no ramificado) caracterizado por tener un número par de átomos de carbono (entre 14 y 22 C) en el que destaca un grupo funcional carboxilo (ácido). Los ácidos grasos ramificados o de más de 24C tienen acción tóxica. Los ácidos grasos son importante en biología por formar parte de ciertos lípidos y pueden ser agrupados en dos categorías principales… A) Ácidos Grasos Saturados: Son aquellos que NO poseen dobles enlaces entre átomos de carbono y presentan una estructura rectilínea. Este grupo incluye… Ácido Mirístico: Posee 14 C. Ácido Palmítico: Posee 16 C. Ácido Esteárico: Posee 18 C. Ácido Araquídico: Posee 20 C. B) Ácidos Grasos Cis-Insaturados: Son aquellos que SI poseen dobles enlaces entre átomos de carbono y este grupo incluye… Ácido Oleico: Posee 18 C y un doble enlace C=C. Ácido Linoleico: Posee 18 C y dos dobles enlaces C=C. Ácido Linolénico: Posee 18 C y tres dobles enlaces C=C. Ácido Araquidónico: Posee 20 C y cuatro doble enlace C=C. Ácido Eicosapentaenoico (EPA): Posee 20 C y cinco dobles enlaces C=C. Ácido Docosahexaenoico (DHA): Posee 22 C y seis dobles enlaces C=C.  Obs.: Los ácidos grasos cis-insaturados, que son naturales, poseen un ángulo o recodo a nivel de sus dobles enlaces. Esto los diferencia de los ácidos grasos trans-insaturados que son rectilíneos y que se generan accidentalmente de manera industrial, siendo insalubres. Ácidos Grasos Esenciales: Un compuesto esencial es aquel que el cuerpo necesita pero no puede sintetizar (o no en cantidad suficiente), por lo que la única forma de obtenerlos es a través de la alimentación. Existen ácidos grasos esenciales y se conocen como… Ácidos Omega-6 (6): Con este nombre se incluye a los ácidos linoleico y araquidónico. Ácidos Omega-3 (3): Con este nombre se incluye a los ácidos linolénico, EPA y DHA. LÍPIDOS Son moléculas orgánicas apolares o anfipáticas formadas por C, H, O y a veces N y P. Son un grupo muy variado de sustancias y, los más importantes, pueden clasificarse de la siguiente manera…. Obs.: El término fosfolípidos engloba a todos los lípidos que poseen fosfato en su estructura y eso incluye a todos los fosfoglicéridos y la esfíngomielina. El término glucolípidos abarca a los lípidos que posee carbohidratos en su estructura y eso incluye a cerebrósidos y gangliósidos. A) Acilgliceroles: Son lípidos formados por la unión del alcohol glicerol (glicerina) con uno, dos o tres ácidos grasos. El grupo carboxilo (-COOH) del ácido graso reacciona con el grupo hidroxilo (-OH) del glicerol, liberando un molécula de agua, y formando un enlace covalente llamados enlace éster (-CO-O-). Si el glicerol se une a un ácido graso se forma un monoacilglicerol (MAG), si se una a dos se forma un diacilglicerol (DAG) y si se une a tres se obtiene un triacilglicerol (TAG).  Obs.: Los TAG, también conocidos por su nombre tradicional de triglicéridos, son moléculas totalmente apolares y a esta categoría pertenecen… Grasas Saturadas: Son moléculas de reserva energética en animales y constan de tres ácidos grasos saturados unidos al glicerol. Se hallan en estado sólido a temperatura ambiente. Grasas Insaturadas o Aceites: Son moléculas de reserva energética en vegetales y constan de tres ácidos grasos insaturados unidos al glicerol. Se hallan en estado líquido a temperatura ambiente. B) Fosfoglicéridos: Son lípidos formados por la unión del alcohol glicerol (glicerina) con dos ácidos grasos y con un grupo fosfato, formando así el ácido fosfatídico. El fosfato casi siempre se une también a otra molécula que recibe el nombre de segundo alcohol (ya que el glicerol es el primero). Son moléculas anfipáticas que constituyen el principal componente estructural de las bicapas lipídicas de las membranas celulares. Obs.: Las moléculas que pueden actuar como segundo alcohol son la colina, la etanolamina, la serina, el inositol e incluso otro glicerol extra. La nomenclatura de los fosfoglicéridos se forma de la siguiente manera: fosfatidil + nombre del 2° alcohol. De este modo tenemos los siguientes ejemplos de importancia biológica… Fosfatidil-colina (tradicionalmente llamada lecitina). Fosfatidil-etanolamina (tradicionalmente llamada cefalina). Fosfatidil-serina Fosfatidil-inositol Fosfatidil-glicerol (exclusiva de la estructura bacteriana) Difosfatidil-glicerol (tradicionalmente llamado cardiolipina, propio de mitocondrias y bacterias) C) Esfingolípidos: Son lípidos formados por la unión del aminoalcohol de cadena larga llamado esfingol (esfingosina) con un ácido graso saturado, formando así el compuesto llamado ceramida. Esta puede estar unida a… Un fosfato y colina, formando la esfíngomielina (SM). Una galactosa (o una glucosa), formando un cerebrósido. Un oligosacárido, formando un gangliósido. Son también moléculas anfipáticas y son también importantes componentes estructurales de las bicapas lipídicas de las membranas celulares. D) Esteroides: Son lípidos que no poseen ácidos grasos en su estructura y que se caracterizan por poseer un esqueleto hidrocarbonado policíclico de esterano (ciclopentano- perhidrofenantreno). Es esta categoría pertenecen el colesterol y las hormonas esteroideas… Colesterol: Es un importantísimo componente estructural de las bicapas lipídicas en las membranas celulares animales. Hormonas Esteroideas: A esta categoría pertenecen la testosterona, la progesterona, el estradiol (estrógeno), el cortisol, la aldosterona, el calciferol (vitamina D) y otras.  E) Prenilos (Poliprenoides): También llamados terpenos, son lípidos que no poseen ácidos grasos en su estructura y que se caracterizan por poseer un esqueleto hidrocarbonado formado por tres o más unidades de isopreno (2 metil-1,3 butadieno). A esta categoría pertenecen… El retinol (vitamina A) y su derivado el retinal El caroteno β (pro-vitamina A) La ubiquinona (coenzima Q10) El dolicol AMINOÁCIDOS Son moléculas orgánicas formadas por C, H, O, N y a veces S. Su estructura general presenta un átomo central denominado carbono α (alfa) que es asimétrico (quiral), por lo que existen esteroisómeros D y L. Los L-aminoácidos son los que se utilizan como monómeros para sintetizar a las proteínas, mientras que los D-aminoácidos pueden ser encontrados en el peptidoglicano bacteriano. El carbono α se halla unido a un grupo amino (básico) y a un grupo carboxilo (ácido) por lo que los aminoácidos son anfóteros. También se halla unido a un átomo de H y a un grupo llamado cadena lateral (R) que es diferente en distintos aminoácidos. Cada uno de los veinte L-aminoácidos que puede ser hallados en las proteínas se representa con un sistema de tres letras (o con uno de una sola letra) y se los agrupa en cuatro categorías … 1) Aminoácidos Polares Con Carga: Son aquellos que poseen en su cadena lateral (R) un grupo amino o carboxilo adicional que se ioniza. Estas cadenas laterales son hidrofílicas..  2) Aminoácidos Polares Sin Carga: Son aquellos que poseen en su cadena lateral (R) un grupo hidroxilo o amida que no se ioniza. Estas cadenas laterales son hidrofílicas. 3) Aminoácidos Apolares: Son aquellos que poseen como cadena lateral (R) un grupo hidrocarbonado (lineal o aromático) hidrofóbico. 4) Aminoácidos Especiales: A esta categoría pertenecen tres aminoácidos que poseen propiedades únicas dentro de las proteínas. Obs.: Los aminoácidos Phe, Ile, Leu, Met, Thr, Val, His, Lys y Trp son imprescindibles para la síntesis de proteínas en humanos pero no pueden ser sintetizados en el cuerpo, por ello deben ser incluidos en la alimentación, son los aminoácidos esenciales. A estos hay que agregar a la Arg en situaciones como embarazo y lactancia.  Algunos aminoácidos, luego de ser incorporados a las proteicas, sufren alteraciones en su estructura que se conocen como modificaciones postraduccionales (PTM). Las más comunes son… Fosforilación: El agregado de grupos funcionales fosfato (-HPO4-) a residuos de Ser, Thr o Tyr es un mecanismo importante de activación/desactivación de numerosas proteínas, funcionando como un interruptor molecular. Hidroxilación: El agregado de un grupo hidroxilo (-OH) a la Pro genera hidroxiprolina (Hyp), mientras que su agregado a la Lys genera hidroxilisina (Hyl). Este proceso requiere ácido ascórbico (vitamina C) y es importante para reforzar la estructura del colágeno, la principal proteína en la matriz extracelular animal Metilación: El agregado de grupos metilo (-CH3) a la Lys y la Arg es importante para activar o desactivar genes durante el control de la expresión genética. Acetilación: El agregado de grupos acetilo (-COCH3) a la Lys es importante para activar genes durante el control de la expresión genética. PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS Cuando dos o más aminoácidos se unen entre sí mediante enlaces covalentes tipo amida llamados enlaces peptídicos, se forma una cadena que recibe el nombre de péptido. Obs.: Al formarse una cadena de aminoácidos siempre quedrá un grupo amino en un extremo y uno carboxilo en el otro. El primero es llamado extremo N-terminal y se considera el inicio de la cadena. El segundo es llamado extremo C-terminal y se considera el final. Según la cantidad de aminoácidos que tengan, los péptidos pueden ser clasificados en… Dipéptidos: Se forman de la unión de dos aminoácidos y son generalmente productos de la digestión enzimática de las proteínas. Oligopéptidos: Se forman de la unión de tres a diez aminoácidos. Cumplen variadas funciones pudiendo ser hormonas (Ej.: vasopresina, angiotensina II, etc), venenos (Ej.: teprótido), antioxidantes (Ej.: glutatión), antibióticos y otras señales químicas. Polipéptidos: Se forman de la unión de más de diez aminoácidos. Cuando las cadenas polipeptícas posee tamaño macromolecular (más de 50 aminoácidos) reciben el nombre de proteínas. Estas cumplen la mayoría de las funciones requeridas por la célula. Las proteínas son polímeros lineales de aminoácidos cuya estructura tiene la capacidad de plegarse de manera compleja, pudiendo reconocerse cuatro niveles llamados estructura primaria, estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria… 1) Estructura Primaria: Es la secuencia lineal ordenada de los aminoácidos que conforman la proteína. Cada tipo de proteína tiene una cantidad específica de aminoácidos, ordenados en un orden también específico.  La estructura primaria contiene información que ha sido traducida a partir del RNA, la cual a su vez ha sido transcrita a partir de un fragmento de DNA llamado gen. Esta información determina la forma de la proteína, su función, su localización, sus interacciones con otras sustancias, su duración (vida media) y hasta su destrucción. Las alteraciones en la información del gen (mutaciones) pueden alterar las características mencionadas de tres maneras… Perjudicial: La mayoría de las mutaciones afectan perjudicialmente a la proteína haciendo que disminuya o incluso pierda totalmente su función, lo cual puede provocar al ser vivo una enfermedad o la muerte. Las enfermedades genéticas hereditarias son de este tipo, como por ejemplo la anemia drepanocítica en la que un solo aminoácido errado en la estructura primaria de la proteína hemoglobina provoca todo el cuadro clínico. Indiferente: Algunas mutaciones provocan cambios irrelevantes en la estructura proteica que no comprometen su funcionamiento. Estos cambios colaboran a la diversidad genética que generan las cualidades que permiten diferenciar a los individuos. Ventajosa: Ocasionalmente las mutaciones pueden mejorar el funcionamiento de las proteínas o incluso hacer que adquieran nuevas propiedades que antes no tenían. Si estos cambios representan una mejor adaptación al hábitat del ser, serán seleccionados y determinarán la evolución de las especies. 2) Estructura Secundaria: Es el plegamiento espacial regular que adopta cada porción de la proteína (llamado segmento). Este nivel estructural es mantenido por puentes de H entre enlaces peptídicos cercanos. Cada tipo de proteína posee un número específico de que pueden adoptar dos disposiciones diferentes… Hélice α: Los aminoácidos se disponen como un espiral que da una vuelta cada 3,6 aminoácidos, presentando un puente de H cada 4 aminoácidos. Las hélices α son rígidas elásticas. Lámina β: Los aminoácidos se disponen en zigzag formando una lámina plegada en los que las crestas o valles están distanciados 7 Ȧ. Las láminas β son rígidas inelásticas.  Obs.: Una proteína puede estar constituida por uno o muchos segmentos, pudiendo ser todos alfa-helicoidales, todos beta-laminares o combinaciones de ambos. Cada lámina β suele ser representada como una flecha cuya punta señala hacia el extremo C-terminal de la proteína. 3) Estructura Terciaria: Las regiones proteicas situadas en los extremos de la proteína y entre sus segmentos no se disponen como hélices α ni como láminas β sino que adoptan formas varias y reciben el nombre de regiones al azar; estas son ricas en Pro y son los sitios flexibles de la proteína. La estructura terciaria es la disposición espacial tridimensional que adopta toda la cadena polipeptídica al plegarse los segmentos unos sobre otros gracias a las regiones al azar. Las proteínas pueden plegarse de miles de formas diferentes pero, si las colocamos en las condiciones de temperatura, presión, pH y concentración salina en las que normalmente operan, solo hay una única disposición que es con la que la proteína cumple su función, la forma nativa. Las fuerzas que mantienen esta estructura terciaria son uniones entre las cadenas laterales (R) de aminoácidos situados en segmentos diferentes; estas uniones pueden ser... Interacciones Iónicas: Entre aminoácidos polares con carga opuesta, como por ejemplo Asp (-) y Lys (+). Puentes de H: Entre aminoácidos polares sin carga, como por ejemplo Ser y Asn. Interacciones Hidrofóbicas y Fuerzas de Van der Waals: Entre aminoácidos apolares, como por ejemplo Val y Leu. Puentes Disulfuro: Entre dos Cys de segmentos diferentes. Obs.: No todas las proteínas alcanzan la estructura terciaria; las que sí la poseen reciben el nombre de proteínas globulares, las que no la poseen reciben el nombre de proteínas fibrilares o fibrosas y las que poseen una porción globular (cabeza) y una fibrosa (cola) son mixtas.  Cuando una proteína es sumergida en medio acuoso, ella se pliega de manera ques sus aminoácidos apolares queden predominanetemente en el centro proteíco (lejos del agua), mientras que los aminoácidos porlares (con y sin carga) quedan predominantemente hacia la superficie (en contacto con el agua); este fenómeno se llama colapso apolar. Mientras una proteína cumple su función debe realizar un pequeño cambio transitorio, predecible y reversible de su estructura terciaria llamado cambio conformacional (nótese las distintas posiciones de los segmentos). La estructura terciaria de una proteína puede plegarse en uno o más bloques diferentes que pueden tener distintas funciones intependientes y que son llamados dominios (cada dominio puede tener uno o más segmentos). El término módulos (o motivos) se refiere a varios dominios idénticos entre sí.  Si dos o más proteínas que tienen la misma función poseen diferentes estructuras primarias, pero sus estructuras secundarias y terciarias son muy semejantes se dice que son isoformas y que pertenecen a la misma familia. Ejemplo: 4) Estructura Cuaternaria: Cuando dos o más cadenas polipeptídicas completamente plegadas se unen entre sí de manera permanente, cada cadena polipeptídica pasa a llamarse subunidad y el nombre proteína pasa a nombrar al conjunto de subunidades; dicho de otra forma: “una proteína de estructura cuaternaria es una proteína hecha de dos o más proteínas”. La estructura cuaternaria es la disposición espacial que adoptan las subunidades al unirse entre sí. No todas las proteínas alcanzan la estructura cuaternaria; las que no lo hacen son llamadas proteína monoméricas, las que si lo hacen son llamadas proteínas oligoméricas. Estas pueden estar formadas por dos o más subunidades idénticas (homo-oligoméricas) o tener alguna o algunas subunidades diferentes (hetero-oligoméricas), ejemplo: la hemoglobina es una proteína heterotetramérica. Las fuerzas que mantienen esta estructura cuaternaria, al igual que en el nivel terciario, son también uniones entre las cadenas laterales (R) pero de aminoácidos situados en subunidades diferentes; estas uniones pueden ser... Interacciones Iónicas: Entre aminoácidos polares con carga opuesta, como por ejemplo Asp (-) y Lys (+). Puentes de H: Entre aminoácidos polares sin carga, como por ejemplo Ser y Asn. Interacciones Hidrofóbicas y Fuerzas de Van der Waals: Entre aminoácidos apolares, como por ejemplo Val y Leu. Puentes Disulfuro: Entre dos Cys de segmentos diferentes. Obs.: Las subunidades proteicas suelen ser denominadas usando el alfabeto griego, por lo que es común que encontrar nombres como subunidad α (alfa), subunidad β (beta), subunidad γ (gamma), subunidad δ (delta) y así sucesivamente. Que una subunidad de una estructura cuaternaria se llame alfa o beta nata tiene que ver que su estructura secundaria sea alfa-helicoidal o beta-laminar. Si una estructura cuaternaria es polimérica, es decir, si posee muchas subunidades (decenas, centenas o miles), se dice que es un complejo multimolecular. Ejemplos: complejo piruvato-deshidrogenasa bacteriana (de 60 subunidades) y microtúbulo (miles de subunidades). PROTEÍNAS CONJUGADAS Muchas veces, la proteína no está formada solo por aminoácidos sino que posee en su estructura una porción no aminoacídica que recibe el nombre de grupo prostético; esta suele estar covalentemente unida a la porción aminoácidica. Se habla entonces de proteínas conjugadas. Las proteínas conjugadas suelen dividirse en las siguientes categorías… Glicoproteínas: Son las que presentan oligosacáridos como grupo prostético, los cuales se unen covalentemente a residuos de Asn (oligosacáridos N-unidos) o a residuos de Ser o Thr (oligosacáridos O-unidos). Lipoproteínas: Son las que presentan lípidos como grupo prostético. Las analizaremos más adelante. Metaloproteínas: Son las que presentan metales (Zn, Mg, Cu, Fe, etc) como grupos prostéticos. Cromoproteínas: Son las que presentan pigmentos como grupo prostético. Las más conocidas entre estas son las hemoproteínas, que tienen al pigmento rojo hemo en su estructura. A este grupo pertenecen la hemoglobina (que transporta 02 en la sangre), la mioglobina (que almacena O2 en el músculo) y los citocromos (presentes en casi todas las células). El pigmento hemo consta de un átomo de hierro (Fe) rodeado por un anillo hidrocarbonado orgánico (porfirina). Ribonucleoproteínas: Son las que poseen RNA como grupo prostético en su estructura. El ribosoma es un complejo ribonucleoproteico en el que hay muchas subunidades proteicas (50% de la masa) y algunas subunidades RNA (el otro 50%). DESNATURALIZACIÓN Y CHAPERONAS La estructura primaria de las proteínas depende del ensamblado de aminoácidos en los ribosomas durante la traducción, romper sus enlaces covalentes es por tanto destruir a la proteína (proteólisis). Por otro lado, las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria dependen de condiciones ideales de temperatura, pH y concentración salina; alterar estos niveles provoca una disminución o pérdida reversible de la función proteica, esto se denomina desnaturalización. La desnaturalización puede ser provocada por agentes externos tales como… Variación de Temperatura: Puede romper todas las interacciones no covalentes en la proteína e incluyo los puentes disulfuro covalentes. Variación de pH o Concentración salina: Pueden romper las interacciones iónicas y los puentes de H en la proteína.  Uso de Urea o Cloruro de Guanidilo: Pueden romper las interacciones iónicas y los puentes de H en la proteína. Uso de Detergentes o Solventes Orgánicos: Pueden romper las fuerzas de Van der Waals e interferir la interacción hidrofóbica en la proteína. Uso de Mercaptoetanol: Rompe específicamente los puentes disulfuro covalentes entre los residuos de Cys de la proteína. La proteína puede recuperar su forma nativa si se elimina el agente desnaturalizante, por ello es un proceso reversible. El estudio del cuadro clínico conocido como golpe de calor (insolación) demostró que en este proceso ocurre una desnaturalización masiva de proteínas del cuerpo y que su renaturalización está acelerada por una familia de proteínas llamada proteínas del golpe de calor (Hsp), también llamadas chaperonas o carabinas. Hoy se sabe que las chaperonas no solo actúan en el mencionado cuadro sino que tienen variadas funciones ayudando a acelerar los procesos físicos que deben realizar otras proteínas, como el plegamiento o la translocación (cambio de compartimiento atravesando membranas). La familia de las chaperonas incluye a los siguientes miembros de importancia… Las Hsp70: A este grupo pertenecen las chaperonas que evitan plegamientos prematuros de las proteínas, también ayudan a la translocación, así como al ensamblado y desensamblado de estructuras cuaternarias y complejos. Son ejemplos: proteínas BiP (RER), Calnexina (RER), Hsc70 (citosólica) y mtHsp70 (mitocondrial). Las Hsp 40: A este grupo pertenecen las que actúan como asistentes de las Hsp70. Son ejemplos: Calrreticulina (RER) y Auxilina (citosólica) Las Hsp 60 (Chaperoninas): A este grupo pertenecen las chaperonas que favorecen el correcto plegamiento de algunas proteínas (la mayoría no requiere esta ayuda). Son ejemplos: TRiC (citosólica) y GroEL (bacteriana). Obs.: La estructura de las Hsp60 constan de dos anillos proteicos superpuestos. En el caso de TRiC cada anillo posee 8 subunidades (octamérico), mientras que en el caso de GroEL consta de 7 subunidades (heptamérico).  Las Hsp 10: A este grupo pertenecen las que actúan como asistentes de las Hsp60. La GroES bacteriana es un ejemplo. Las Hsp 90: A este grupo pertenecen las chaperonas que evitan translocaciones prematuras, “secuestrando” a la proteína hasta que una señal “otorga el permiso” de translocación. Nucleoplasminas (NP): También llamadas chaperonas de histonas, son las que ayudan al DNA del núcleo a enrollarse correctamente con las histonas. NUCLEÓTIDOS Son moléculas formadas por C, H, O, N y P. Su estructura general consta de tres componentes unidos covalentemente entre sí: una base nitrogenada, un azúcar (pentosa) y uno a tres fosfatos… 1) Bases Nitrogenadas: Son compuestos aromáticos con N en su estructura, pueden dividirse en dos categorías… Bases Púricas: Constan de dos anillos aromáticos y a esta categoría pertenecen las bases Adenina (A) y la Guanina (G). Bases Pirimídicas: Constan de un solo anillo aromático y a esta categoría pertenecen las bases Citosina (C), Uracilo (U) y Timina (T).  B) Azúcar (Pentosa): Pueden ser la ribosa (Rib) o la desoxirribosa (dRib) y se unen por su carbono 1´ a la base nitrogenada, gracias a un enlace covalente glicosídico. La combinación de una Rib con las bases nitrogenadas genera ribonucleósidos, mientras que la combinación de dRib con las bases genera desoxirribonucleósidos. Los nucleósidos más importantes son... Obs.: Nótese que, en general, la Rib no se combina con la Timina ni la dRib con el Uracilo. 3) Fosfatos: El carbono 5´ del azúcar se une covalentemente a un grupo formado por uno, dos o tres fosfatos; de esta manera, cada nucleósido de los citados puede generar tres nucleótidos posibles: monofosfato, difosfato y trifosfato. Los fosfatos a su vez se hallan unidos entre sí por los llamados “enlaces de alta energía”. A continuación se observan como ejemplo los tres nucleótidos generados a partir del nucleósido adenosina: Adenosin-Monofosfato (AMP), Adenosin-Difosfato (ADP) y Adenosin-Trifosfato (ATP). Las funciones que cumplen los nucleótidos en las células son esencialmente las siguientes… Monómeros de los Ácidos Nucleicos: Los ribonucleótidos son los monómeros con los que se sintetiza el RNA (ácido ribonucleico), mientras que los desoxirribonucleótidos son los monómeros con los que se sintetiza el DNA (ácido desoxirribonucleico). En las cadenas de los ácidos nucleicos, los nucleótidos se unen entre sí por enlaces covalentes llamados enlaces 5´→ 3´ fosfodiéster en los que un fosfato conecta el C5´ de un azúcar con el C3´ del siguiente.  Donantes de Energía: El ATP y el GTP son moléculas que pueden romper uno de sus enlaces de alta energía y así liberar 7,3 kcal/mol de la misma. Esta energía es aprovechada por los procesos endergónicos (que requieren energía para ocurrir) en la célula. El ATP es el más utilizado por la célula, lo que le vale el apodo de “moneda energética celular”. Donantes de Fosfato: El ATP puede donar su fosfato terminal a procesos de fosforilación de proteínas. Esta fosforilación ocurre en residuos de Ser, Thr o Tyr y actúa como un interruptor molecular de encendido/apagado. Segundos Mensajeros: Las formas cíclicas de AMP y GMP (cAMP y cGMP) actúan como señales químicas intracelulares (segundos mensajeros) que median numerosas respuestas de la comunicación celular. Obs.: Existen otros nucleótidos especiales que participan en otras funciones, como por ejemplo: la Coenzima A que transfiere grupos acetilos y acilos, o los dinucleótidos nicotinamida-adenina dinucleótido (NAD+) y flavina-adenina dinucleótido (FAD) que transfieren electrones. La nicotinamida es la vitamina B3 y la flavina es la vitamina B2.