Apunts de Bioquímica per imprimir PDF

TEMA 4. GLÍCIDS 27 4 GLÍCIDS ELS GLÍCIDS Els glícids constitueixen la major part de la matèria orgànica de la terra. Bàsicament són cetones i aldehids orgànics relativament petits, amb dos o més grups hidroxil que contenen carboni, hidrogen i oxigen en una proporció al voltant de Cn(H2O)n....

TEMA 4. GLÍCIDS 27 4 GLÍCIDS ELS GLÍCIDS Els glícids constitueixen la major part de la matèria orgànica de la terra. Bàsicament són cetones i aldehids orgànics relativament petits, amb dos o més grups hidroxil que contenen carboni, hidrogen i oxigen en una proporció al voltant de Cn(H2O)n. Actuen com a font dʼenergia, combustible i metabòlits intermediaris. Formen part de lʼestructura dels àcids nucleics (ribosa a lʼRNA i desoxiribosa al DNA). També tenen funció estructural, ja que són els elements que constitueixen les parets cel·lulars dels bacteris i les plantes (cel·lulosa). Cal dir que enllaçats a proteïnes i lí- pids exerceixen funcions clau en les interaccions entre cèl·lules i molècules. En funció del grau de polimerització es diferencia entre eles sucres senzills o monosacàrids i els sucres complexos, com els disacàrids, els oligosacàrids i els polisacàrids. ELS MONOSACÀRIDS Els monosacàrids són els monòmers dels glícids. Sempre presenten un grup carbonil (aldehid o cetona) a la seva estructura, amb dos o més grups hidroxil i la seva fórmula bàsica és Cn(H2O)n, on n ≥ 3. Són sòlids incolors i solubles en aigua. Segons el número dʼàtoms de carbonis que presentin es classifiquen en trioses (3), tetroses (4), pentoses (5), hexoses (6), heptoses (7), etc. Els monosacàrids més senzills són el gliceraldehid i la dihidroxiacetona. Els dos isòmers de construcció tenen diferents grups funcionals: els grup aldehid del glicerol formen les aldoses, mentre que els grups ceto- na de la dihidroxiacetona forma les cetoses. La dihidroxiacetona és una molècula simètrica, mentre que el gliceraldehid posseeix un centre quiral al segon carboni. Per aquesta raó aquesta molècula té dos enantiò- mers: L-gliceraldehid i D-gliceraldehid.  28 BLOC I. AIGUA I BIOMOLÈCULES D-gliceraldehid L-gliceraldehid Dihidroxiacetona En la representacions de Fisher, si el grup hidroxil està a la dreta del carboni asimètric, serà un D-isòmer; si està a lʼesquerra, serà un L-isòmer. En la naturalesa dominen els enantiòmers D. Els enantiòmers són aquells isòmers que són la imatge especular de lʼaltre. Els isòmers que no són una imatge especular entre ells sʼanomenen diastereòmers. Enantiòmers Diasteròmers A partir del gliceraldehid i la dihidroxiacetona es construeixen els altres monosacàrids. En els monosacàrids més grans que les trioses trobarem més dʼun carboni asimètric, ja que cada carboni representa un centre qui- ral. La nomenclatura D i L només depèn del carboni que està més lluny del grup funcional. Derivats del D-gliceraldehid  TEMA 4. GLÍCIDS 29 Derivats de la dihidroxiacetona Entre els monosacàrids predominen les pentoses i les hexoses, que es presenten normalment una estruc- tura cíclica de cinc o sis carbonis. Els anells formats per cinc carbonis sʼanomenen furans i els anells for- mats per sis carbonis sʼanomenen pirans. Les pentoses i les hexoses amb forma dʼanell estan en equilibri químic amb les seves formes lineals a la natura. Furà Pirà Les trioses i les tetroses es troben pràcticament només com estructures lineals, ja que lʼenergia de lʼanell dels derivats cíclics seria massa gran. Els anells de set o vuit carbonis de les hexoses i les heptoses són massa inestables, així que també formen sistemes anulars de cinc o sis àtoms. La base del canvi dʼestructura lineal a estructura cíclica consisteix en una reacció entre el grup aldehid i un grup hidroxil (hemiacetal) o entre el grup cetona i un grup hidroxil (hemicetal). Formació de lʼhemiacetal Formació de lʼhemicetal  30 BLOC I. AIGUA I BIOMOLÈCULES Quan es forma lʼestructura cíclica, el grup hidroxil pot quedar en diferents direccions. Aquest tipus dʼisomeria sʼanomena anomeria i aquest carboni és anomenat centre anomèric. Lʼanomeria es mira respecte la ramifi- cació (–CH2OH) de lʼanell. La forma α del monosacàrid és la que té el grup hidroxil en el costat oposat a la ramificació de lʼanell. En canvi, la forma β del monosacàrids és la que té el grup hidroxil en el mateix costat que la ramificació de lʼanell. En solució aquosa alguns monosacàrids poden canviar a estructures α i β (mu- tarrotació). Les estructures cícliques però, no són del tot planes, sinó que poden adoptar diferents configuracions en lʼespai degut als angles dʼenllaç dels carbonis saturats (que poden ser lleugerament diferents). Els anells pi- ranòsics poden adoptar dues classes de conformacions: de nau o de cadira. En la conformació de cadira els enllaços entre els carbonis de lʼanell i els seus substituents poden tenir dos eixos: axial (perpendicular al pla mitjà de lʼanell) o equatorial (aproximadament paral·lel al pla de lʼanell). Lʼeix axial presenta més impediment estèric, ja que els substituents es poden obstaculitzar mútuament. Per tant, perquè la molècula sigui més estable els enllaços axials estaran ocupats per àtoms poc voluminosos (hidrògens), mentre que els grups voluminosos (hidroxils i ramificacions) ocuparan enllaços equatorials. La conformació de nau presenta més impediment estèric que la de cadira i es troba poques vegades. Nau Cadira En els anells furànics (sobretot en la ribosa) pot passar que un carboni quedi fora del pla de lʼanell. Això dóna lloc a dues estructures: de semi-cadira (o forma de sobre) o retorçada. Semi-cadira Retorçada  TEMA 4. GLÍCIDS 31 Els monosacàrids amb importància biològica són: Ribosa. La D-ribosa és una aldopentosa Glucosa. La D-glucosa és una aldohexo- amb forma de furà. És un component es- sa amb forma de pirà. És la principal font sencial dels nucleòtids de RNA. dʼenergia dels éssers vius. Galactosa. La D-galactosa és una aldo- hexosa amb forma de pirà. És un compo- Desoxiribosa. La 2-desoxi-D-ribosa és un nent de la lactosa i té un paper important aldopentosa amb forma de furà. És un en la formació de glicoconjugats. component essencial dels nucleòtids de DNA. Fructosa. La D-fructosa és una cetohexo- sa amb forma de furà. És un component de la sacarosa. ELS DISACÀRIDS I ELS OLIGOSACÀRIDS Els monosacàrids poden modificar-se al reaccionar amb alcohols i amines. Això és déu a que el grup hidroxil reactiu, que pertany a lʼhemiacetal de les furanoses i les piranoses, pot formar enllaços glicosídics. Si el grup hidroxil reacciona amb una amina, es forma un enllaç N-glicosídic, que gairebé sempre es troba amb configuració β. En canvi, si el grup hidroxil reacciona amb un altre grup hidroxil, es forma un enllaç O- glicosídic, que pot tenir configuració α o β. A partir de lʼenllaç O-glicosídic entre dos monosacàrids es formen disacàrids. Es tracta dʼun enllaç èster, així que quan es forma sʼallibera una molècula dʼaigua. La configuració α o β de lʼenllaç O-glicosídic depèn de la configuració del primer monosacàrid que forma lʼenllaç. Lʼenllaç se sol donar entre el primer carboni del pri- mer monosacàrid i qualsevol carboni del segon monosacàrid. Els disacàrids amb importància biològica són: Lactosa. La lactosa es troba en grans quantitats en la llet. És un disacàrid format per la unió entre una β-D-galactosa i una α-D-glucosa mitjançant un enllaç β-1,4-glicosídic. El seu nom sistemàtic és O-β-D-galactopiranosil-(1→4)-α-D-glucopiranosa.  32 BLOC I. AIGUA I BIOMOLÈCULES Maltosa. La maltosa sʼobté en la manufactura de la malta en grans quantitats. És un disacàrid format per la unió entre dos α-D-glucoses mitjançant un enllaç α-1,4-glicosídic. El seu nom sistemàtic és O- α-D-glucopiranosil-(1→4)-α-D-glucopiranosa. Sacarosa. La sacarosa sʼextrau fonamentalment del sucre de canya. És un disacàrid format per la unió entre una α-D-glucosa i dʼuna β-D-fructosa mitjançant un enllaç α-1,2-glicosídic, raó per la qual no té caràcter reductor. El seu nom sistemàtic és O-α-D-glucopiranosil-(1→2)-β-D-fructofuranosa. La maltasa, la lactasa i la sacarasa són tres enzims que sʼencarreguen dʼhidrolitzar la maltosa, la lactosa i la sacarosa, respectivament, en seus monòmers. Es localitzen a la superfície externa de les cèl·lules epitelials que cobreixen lʼintestí prim. Els oligosacàrids són cadenes curtes dʼunitats de monosacàrids units mitjançant enllaços glicosídics. La majoria dels oligosacàrids amb tres o més unitats no es troben lliures a les cèl·lules, sinó units a altres tipus de molècules. ELS POLISACÀRIDS Els polisacàrids són polímers que contenen més de vint unitats de monosacàrids; alguns en poden contenir fins i tot centenars i milers. La seva fórmula general és (C6H10O5)n. Segons la seva funció, poden ser tenir polisacàrids de reserva o polisacàrids estructurals. Segons la naturalesa dels monosacàrids que els constitueixen, els polisacàrids poden ser homopolisacàrids o heteropolisacàrids. Els homopolisacàrids estan formats per només monosacàrids del mateix tipus, mentre que els heteropolisacàrids estan formats per monosacàrids diferents. La conformació (α o β) dels enllaços que uneixen els monosacàrids per formar els polisacàrids determinen la seva funció i la seva estructura. Els polisacàrids que sʼuneixen amb enllaços α tenen forma helicoïdal i funció de reserva energètica (per exemple, el midó i el glicogen). En canvi, els polisacàrids que sʼuneixen amb en- llaços β tenen forma de fibra i funció estructural (per exemple, la cel·lulosa). Cel·lulosa (enllaços β-1,4-glicosídics) Midó i glicogen (enllaços α-1,4-glicosídics)  TEMA 4. GLÍCIDS 33 ELS POLISACÀRIDS DE RESERVA Els dextrans són polisacàrids utilitzats com antitrombòtics i per reduir la viscositat de la sang. Els dextrans són cadenes llargues dʼα-D-glucoses unides per mitjà dʼenllaços α-1,6-glicosídics amb ramificacions amb enllaços α-1,3 o α-1,4. El midó és el polisacàrid de reserva de les cèl·lules vegetals. El midó està format per dos tipus de polímers: lʼamilosa (20-30%) i lʼamilopectina (70-80%). En lʼamilosa les unitats dʼα-D-glucosa estan unides per enlla- ços α-1,4-glicosídic i donen lloc a polímers lineals que adquireixen forma helicoïdal. En lʼamilopectina les uni- tats dʼα-D-glucosa també estan unides per enllaços α-1,4-glicosídics, però presenten ramificacions amb en- llaços α-1,6 cada 25 unitats. El glicogen és el polisacàrid de reserva de les cèl·lules animals. En el glucogen les unitats dʼα-D-glucosa també estan unides per enllaços α-1,4-glicosídics i les cadenes mostren ramificacions amb enllaços α-1,6- glicosídics. Ara bé, el glucogen es ramifica més que lʼamilopectina, aproximadament cada 10 unitats. En el cos humà és molt important que la molècula de glucosa quedi emmagatzemada seguint dues condici- ons: els enzims productors i degradadors han de poder tenir-hi un ràpid accés i les molècules han de quedar empaquetades sense ocupar molt dʼespai. Està demostrat que la longitud de les cadenes i el grau de ramifi- cació permeten optimitzar la capacitat de reserva i accessibilitat. Una partícula de glucogen posseeix habitu- alment fins dotze nivells de ramificació. Els segments de cadena no ramificats són dʼunes vuit a dotze unitats de glucosa de llarg i les glucoses es ramifiquen una o dues vegades per nivell. En el centre de lʼesfera hi ha  34 BLOC I. AIGUA I BIOMOLÈCULES una proteïna anomenada glucogenina. Sobre la superfície esfèrica, els extrems no reductors són ben acces- sibles pels enzims degradadors del glucogen. En condicions normals dʼalimentació es mobilitzen com a mà- xim les molècules de glucosa dels últims quatre nivells, de manera que el reemplaçament del glucogen pugui seguir de forma ràpida i efectiva. ELS POLISACÀRIDS ESTRUCTURALS La cel·lulosa és el polisacàrid estructural de les cèl·lules vegetals; de fet, és el principal component de la pa- ret cel·lular de les plantes. En la cel·lulosa les unitats de β-D-glucoses estan unides per enllaços β-1,4- glicosídics. Al voltant de 150 cadenes de polisacàrids no ramificats se situen paral·leles en un agregat estabi- litzat per ponts dʼhidrogen. Unes 15000 unitats de glucosa constitueixen una microfibrilla en forma de varilla amb una gran resistència a trencar-se. A la seva vegada, les microfibrilles sʼordenen de forma paral·lela cre- ant una textura estratificada molt estable i resistent.  TEMA 4. GLÍCIDS 35 La quitina és un important component de lʼexosquelet dels insectes i altres artròpodes. La quitina és un ho- mopolisacàrid format per unitats de β-D-glucoses amb grups N-acetilamino units al segon carboni, anomena- des N-acetil-D-glucosamines. Les unitats dʼN-acetil-D-glucosamines sʼuneixen per mitjà dʼenllaços β-1,4- glicosídics. Els glicosaminoglicans o mucopolisacàrids formen part de la matriu extracel·lular del teixit conjuntiu (cartí- lag, tendons, paret vesicular, etc.) i tenen una consistència mucosa. Són polisacàrids de cadena extremada- ment llarga formada per repeticions de disacàrids iguals. En els glicosaminoglicans els grups hidroxil no gli- cosídics estan substituïts per grups amino, es troben formant grups carboxil o sʼesterifiquen mitjançant àcid sulfúric. Alguns dels glicosaminoglicans més importants són: Hialuronat Sulfat de dermatan 4-sulfat de condroïtina Sulfat de queratan 6-sulfat de condroïtina Heparina ELS GLICOCONJUGATS Els glicoconjugats són biomolècules formades per la glicosilació dʼun lípid o una proteïna. Els glícids sʼuneixen amb els lípids per formar glicolípids i amb les proteïnes per formar glicoproteïnes. Els glicolípids i les glicoproteïnes de la membrana externa de la cèl·lula formen lʼanomenat glicocàlix, que té una important funció de reconeixement cel·lular.  36 BLOC I. AIGUA I BIOMOLÈCULES ELS GLICOLÍPIDS Els glicolípids són lípids que contenen sucres. Es formen per la unió dels lípids de membrana a oligosacà- rids mitjançant enllaços O-glicosídics. La unió de sucres als lípids sʼanomena glicosilació lipídica. Lʼordre en què els monosacàrids de lʼoligosacàrid es van unint ve determinat per uns enzims anomenats glicosil- transferases seguint un patró únic per cada individu. Els grups sanguinis humans ABO il·lustren els efectes de les glicosiltransferases. Els glícids estan units als glicolípids de la superfície dels eritròcits. En cada tipus de grup sanguini, hi pot haver una de les tres estructu- res de glícids diferents, anomenades A, B i O. Aquestes estructures tenen en comú una base oligosacarídica anomenada antigen O. Els antígens A i B es diferencien de lʼantigen O per lʼaddició dʼun monosacàrid extra: la N-acetilgalactosamina (pel grup A) o la galactosa (pel grup B), mitjançant un enllaç α-1,3 a una galactosa de lʼantigen O. LES GLICOPROTEÏNES Les glicoproteïnes són proteïnes que contenen sucres. Es formen per la unió de proteïnes de membrana i de secreció a oligosacàrids mitjançant enllaços N-glicosídics (asparagina i arginina) o O-glicosídics (serina, treonina i tirosina). La unió de sucres a les proteïnes sʼanomena glicosilació proteïca, que té lloc al lumen del reticle endoplasmàtic i en el complex de Golgi. Lʼordre dels monosacàrids també segueix un patró per ca- da individu. Lʼeritropoetina (EPO) és una glicoproteïna hormonal que secreten els ronyons i estimula la producció dʼeritròcits. LʼEPO es compon de 165 aminoàcids i està N-glicosilada en tres residus dʼasparagina i O- glicosilada en un residu de serina. Alguns atletes fan servir EPO humana recombinant per a augmentar el nombre dʼeritròcits i, consegüentment, la capacitat de transportar oxigen. Els laboratoris de detecció de do- patge són capaços de distingir en els esportistes lʼEPO humana recombinant prohibida de lʼEPO natural, mit- jançant la detecció de diferències en els patrons de glicosilació.  TEMA 5. LÍPIDS 37 5 LÍPIDS ELS LÍPIDS Els lípids són biomolècules insolubles en aigua i molt solubles en dissolvents orgànics. També sʼanomenen greixos i formen un grup molt heterogeni de molècules. La majoria dels lípids són molècules amfipàtiques, és a dir, consten dʼuna part polar (hidròfila) i una part apolar (hidrofòbica) Realitzen una important funció com a components biològics de les membranes (fosfolípids, colesterol i glicolí- pids), com reserva dʼenergia (triacilglicèrids) i com missatgers de la comunicació cel·lular (hormones liposolu- bles). Els lípids es poden classificar segons si porten àcids grassos a la seva estructura o no. Així, podem diferen- ciar els lípids amb àcids grassos (triglicèrids, fosfolípids i glicolípids) i els lípids sense àcids grassos (es- teroides i vitamines liposolubles). Nom clàssic de Número de ELS ÀCIDS GRASSOS lʼàcid gras saturat carbonis Els àcids grassos són unes cadenes hidrocarbonades llargues que Laurat 12 tenen una longitud i un grau dʼinsaturació variables, amb un grup car- boxil en un dels extrems. La majoria dʼàcids grassos tenen un nom Miristicat 14 clàssic. El nom sistemàtic dʼun àcid gras deriva del número de carbo- Palmitat 16 nis que té la seva cadena hidrocarbonada (Cn), que sempre és un nú- Estearat 18 mero parell. Per exemple, un àcid gras de 18 carbonis (C18) sʼanomena àcid octadecanoic. Araquidat 20 Behenat 22 Lignocerat 24  38 BLOC I. AIGUA I BIOMOLÈCULES Segons si presenten dobles enllaços o no, es poden classificar en àcids grassos saturats i àcids grassos insaturats. El número dʼenllaços dobles que presenta lʼàcid gras també ha dʼaparèixer en el seu nom siste- màtic. Per exemple, un àcid gras C18 té dos dobles enllaços sʼanomena àcid octadecadienoic. La notació 18:0 designa un àcid gras C18 saturat, mentre que 18:2 significa que conté dos dobles enllaços. Àcid gras saturat Àcid gras insaturat Els enllaços dobles poden tenir dues configuracions: la configuració trans i la configuració cis. Els enlla- ços dobles en trans mantenen lʼestructura lineal de la cadena hidrocarbonada, mentre que els enllaços dobles en cis la modifiquen. Enllaç doble cis Enllaç doble trans Els àtoms de carboni dels àcids grassos es numeren des de lʼextrem carboxil. Els àtoms de carboni 2 i 3 sʼanomenen carboni α i carboni β, respectivament. La posició dels dobles enllaços es representa amb el símbol Δ seguit dʼun superíndex numèric. Per exemple, un àcid gras de C18 amb un doble enllaç en cis entre 9 els carbonis 9 i 10 és cis-Δ. Alternativament, la posició del doble enllaç també es pot indicar de les de lʼextrem més allunyat del grup car- boxil, és a dir, amb lʼàtom de carboni ω. Per exemple, un àcid gras amb un doble enllaç entre els carbonis 3 i 4 començant a comptar des del final de la cadena és un àcid gras ω-3. Sʼha demostrat que el fet dʼingerir una proporció dʼàcids grassos ω-3 i ω-6 al voltant de 1:4 té un efecte positiu en la prevenció de malalties cardio- vasculars. En aquest sentit, el linolenat ω-3 juga un paper fonamental. Les propietats dels àcids grassos i dels lípids que en deriven depenen de la longitud de la cadena i del grau de saturació. Els àcids grassos saturats o amb insaturacions en trans es poden empaquetar fàcilment, ja que tenen cadenes lineals. En canvi, els àcids grassos amb saturacions en cis no tenen estructura lineal i, per tant, són més difícils dʼempaquetar. Els àcids grassos insaturats tenen punts de fusió més baixos que els àcids grassos saturats de la mateixa longitud. La longitud de la cadena també afecta el punt de fusió, de tal manera que els àcids grassos més curts tenen un punt de fusió més baix. Per tant, una longitud curta de la cadena i la insaturació incrementen la fluïdesa dels àcids grassos i els seus derivats. En el nostre cos la majoria dʼàcid grassos són saturats o poc insaturats i per aquesta raó són sòlids a temperatura corporal.  TEMA 5. LÍPIDS 39 ELS LÍPIDS DE RESERVA Els lípids de que porten a terme la funció de reserva energètica són els triglicèrids. Els triglicèrids o triacilglicèrids són molècules formades per la unió de tres àcids grassos a una molècula de glicerol mitjançant enllaços èster. La majoria de triglicèrids porten tres àcids grassos iguals, però també hi ha tipus mixtes. Els àcids solen tenir una longitud dʼentre 14 i 24 carbonis. Com hem dit abans, el grau de saturació i la longitud de la ca- dena dels àcids grassos determinen les propietats de la molècula. Els lípids de reserva són relativament solubles, ja que es transporten a la sang amb al- gunes proteïnes (albúmines). Com que les molècules són molt hidrofòbiques, es formen interaccions de van der Waals entre elles per empaquetar-se molt fàcilment. ELS LÍPIDS ESTRUCTURALS Els lípids que porten a terme la funció estructural, bàsicament de composició de les membranes plasmàti- ques, són els fosfolípids, els glicolípids i el colesterol. ELS FOSFOLÍPIDS Els fosfolípids són molècules constituïdes per quatre components: un o més àcids grassos, un esquelet al qual sʼincorporen aquests àcids grassos, un fosfat i un alcohol. Lʼesquelet sobre el qual sʼacoblen els fosfo- lípids pot ser el glicerol, un polialcohol de tres àtoms de carboni, o lʼesfingosina, un alcohol més complex. Els components dels àcids grassos proporcionen el caràcter hidrofòbic del fosfolípid, mentre que la resta de la molècula té propietats hidròfiles que permeten la interacció amb lʼambient aquós. Els fosfolípids estan pre- sents en totes les membranes biològiques. Els fosfolípids que deriven del glicerol reben el nom de fosfoglicèrids o glicerofosfolípids. El primer i el se- gon carboni del glicerol sʼesterifiquen amb els grups carboxil de les dues cadenes dʼàcid gras. El grup hidroxil del tercer carboni del glicerol sʼesterifica amb un àcid fosfòric. El component resultant és el fosfatidat, el fos- foglicèrid més simple. Fosfatidat Els principals fosfoglicèrids deriven del fosfatidat, mitjançant la formació dʼun enllaç èster entre el grup fosfat del fosfatidat i el grup hidroxil dʼun alcohol. Els alcohols que habitualment es troben en els fosfoglicèrids són lʼaminoàcid serina, lʼetanolamina, la colina, el glicerol i lʼinositol. Els fosfoglicèrids que en deriven sʼanomenen fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilcolina, difosfatidilglicerol i fosfatidilinositol, respectivament. Serina Etanolamina Colina Glicerol Inositol  40 BLOC I. AIGUA I BIOMOLÈCULES Fosfatidilserina Fosfatidilcolina Fosfatidiletanolamina Fosfatidilinositol Difosfatidilglicerol (cardiolipina) Els fosfolípids que deriven lʼesfingosina reben el nom dʼesfingofosfolípids o esfingomielines. Lʼesfingosina és un aminoalcohol que conté una llarga cadena hidrocarbonada insaturada. En una esfingomielina el grup amino de lʼesquelet dʼesfingosina es troba unit a un àcid gras mitjançant un enllaç amida. Lʼestructura forma- da per lʼesfingosina i lʼàcid gras sʼanomena ceramida. A més, el grup hidroxil primari de lʼesfingosina sʼesterifica amb la fosforilcolina. Esfingosina Esfingomielina Deficiències en els enzims que degraden els cerebròsids poden formar malalties molt rares, però a la vegada molt greus. Alguns exemples són la malaltia de Tay-Sachs i la malaltia de Farber. La malaltia de Tay-Sachs es deu a la falta de lʼenzim β-N-acetilhexosaminidasa A, que sʼencarrega de separar la part glicídica de la ceramida. La malaltia de Farber es deu a la falta de lʼenzim ceramidasa, que sʼencarrega de separar lʼesfingosina i lʼàcid gras que formen la ceramida. Això provoca un augment de ceramides en els lisosomes de la cèl·lula.  TEMA 5. LÍPIDS 41 ELS GLICOLÍPIDS Els glicolípids són lípids que contenen sucres. En les cèl·lules animals, els glicolípids, igual que les esfingo- mielines, deriven de lʼesfingosina. Ara bé, en aquest cas la ceramida sʼenllaça amb un glícid en comptes dʼuna fosforilcolina. El glicolípid més senzill és el cerebròsid, que conté un únic residu de sucre, glucosa o galactosa. Els glicolípids de membrana tenen com a residu diferents oligosacàrids. Cerebròsid Els fosfolípids poden actuar com agents tensioactius. La importància biològica dʼaquest fet radica en els pulmons. Els pulmons tenen els alvèols, uns sacs fets de cèl·lules al mig del qual hi ha aire. La tensió superfi- cial de lʼaigua és un problema per fer lʼintercanvi de gasos. Per trencar aquesta tensió calen fosfolípids. Si els alvèols es contrauen massa per lʼexpiració, la tensió superficial pot fer que es col·lapsin, però els fosfolípids ho eviten. Aquest fet explica per què el 80% dels pulmons són fosfolípids. EL COLESTEROL El colesterol és un esteroide format per la unió de quatre anells hidrocarbonats de 17 carbonis: tres anells tenen forma hexagonal i un anell té forma pentagonal. En un dels extrems sʼuneix una cua hidrocarbonada, i en lʼaltre sʼuneix un grup hidroxil. Per tant, el colesterol també és una molècula amfipàtica. A les membranes, el colesterol sʼorienta paral·lelament a les cadenes dels àcids grassos dels fosfolípids i el grup hidroxil interacciona amb els caps polars dels fosfolípids adjacents. La funció del colesterol és aportar rigidesa a la membrana. Pràcticament totes les membranes animals tenen colesterol (perquè la majoria de greixos són saturats), mentre que a les membranes vegetals no hi trobem (perquè la majoria de greixos són insaturats). El colesterol també és el precursor de les sals biliars i moltes hormones, incloses les hormones sexuals (progesterona i testosterona). LES VITAMINES LIPOSOLUBLES Les vitamines liposolubles són aquelles que es poden dissoldre en greixos i olis, a diferència de les vitami- nes hidrosolubles, que es dissolen en aigua. La seva estructura consta dʼuna cadena hidrocarbonada unida a diversos anells hidrocarbonats. Les vitamines liposolubles són: Vitamina A (retinal). És fonamental en el mecanisme de transducció de senyals de la visió a la reti- na. La seva deficiència comporta ceguesa nocturna. Vitamina D (calciferol). És una hormona que regula lʼabsorció intestinal del calci i el metabolisme del calci i el fòsfor. La seva deficiència comporta raquitisme.  42 BLOC I. AIGUA I BIOMOLÈCULES Vitamina E (tocoferol). És una important molècula antioxidant, ja que segresta electrons desapare- llats i neutralitza radicals lliures. La seva deficiència comporta infertilitat. Vitamina K (naftoquinona). És fonamental en els processos de coagulació de la sang. La seva defi- ciència comporta trastorns en la coagulació. ORGANITZACIÓ DELS LÍPIDS EN MEDI AQUÓS La formació dʼuna membrana és conseqüència de la naturalesa amfipàtica de les molècules. Els caps polars dels fosfolípids afavoreixen el contacte amb lʼaigua, mentre que les cues hidrocarbonades interaccionen entre si i sʼaïllen de lʼaigua. Les molècules amb aquesta tendència poden organitzar-se de diferents maneres en solució aquosa. Una possibilitat és formar una estructura globular anomenada micel·la. Els caps polars formen la superfície externa de la micel·la, que està envoltada dʼaigua, i les cues hidrocarbonades queden atrapades a lʼinterior, on interaccionen entre si. Una altra possibilitat és formar una bicapa lipídica, formada per dues monocapes de lípids. Les cues hidro- fòbiques de cada full individual interaccionen lʼuna amb lʼaltra i formen un interior hidrofòbic que actua com una barrera a la permeabilitat. Els caps polars hidròfils interaccionen amb el medi aquós a cada costat de la bicapa. Les bicapes lipídiques són la base de les membranes cel·lulars. Micel·la Bicapa lipídica En un medi aquós, la major part dels fosfolípids i glicolípids presenten una clara tendència a estructurar-se en bicapes lipídiques, en comptes de fer-ho en micel·les. Això és deu al fet que les dues cadenes dʼàcids gras- sos dʼun fosfolípid o dʼun glicolípid són massa voluminoses per romandre a lʼinterior dʼuna micel·la. Les vesícules lipídiques o liposomes són compartiments aquosos delimitats per una bicapa lipídica. Aquestes estructures sʼutilitzen per estudiar la permeabilitat de les membranes o per a distribuir fàrmacs a les cèl·lules. Els liposomes sʼobtenen mitjançant la dispersió del lípid en qüestió en un medi aqüós i la posterior agitació amb ultrasons. Les lipoproteïnes són partícules formades per un nucli de lípids hidrofòbics (èsters de triglicèrids i colesterol) embolcallat per lípids més polars (fosfoglicèrids i colesterol) i per proteïnes (apoproteïnes, proteïnes amb grups prostètics lipídics). Les lipoproteïnes sʼencarreguen de transportar el colesterol i els triacilglicèrids pels fluids corporals. Liposoma Lipoproteïna  TEMA 5. LÍPIDS 43 LIPIDACIÓ DE PROTEÏNES Les membranes cel·lulars porten associades proteïnes hidrosolubles enllaçades als lípids de membrana. La formació dʼun enllaç entre les proteïnes i els lípids sʼanomena lipidació. Hi ha moltíssimes possibilitats, però les més habituals són: S-palmitoilcisteïna. Un grup palmotoïl unit específicament a residus de cisteïna mitjançant un enllaç tioèster. S-farnesilcisteïna metil èster C-terminal. Un grup farnesil unit a un residu de cisteïna localitzat al carboxil terminal de la proteïna mitjançant un enllaç tioèster. Ancoratge glicosilfosfatidilinositol (GPI). Lʼestructura dʼun glicolípid anomenat glicosilfosfatidilino- sitol (GPI) unit al carboxil terminal.  BLOC II PROTEÏNES I ENZIMOLOGIA  TEMA 6. AMINOÀCIDS I GRUPS PROSTÈTICS 47 6 AMINOÀCIDS I GRUPS PROSTÈTICS LES PROTEÏNES Les proteïnes són essencials tant des dʼun punt de vista qualitatiu (els éssers vius estem definits per les pro- teïnes per les quals estem composats) com quantitatiu (són el segon component més present als éssers vius). El proteoma es pot entendre en dos sentis. En general, és el conjunt de proteïnes que es poden ex- pressar. En un moment i lloc determinat, és el conjunt de proteïnes que sʼexpressen en aquest instant i lloc concret. Les proteïnes funcionals es formen després de diferents processos. Mitjançant el procés de transcripció sʼobté RNA a partir de DNA. Mitjançant el procés de traducció sʼobtenen cadenes peptídiques a partir de RNA. Mitjançant els canvis post-traduccionals es defineixen les característiques funcionals i estructurals finals de les proteïnes.  48 BLOC II. PROTEÏNES I ENZIMOLOGIA Segons la seva composició, les proteïnes es classifiquen en proteïnes simples i proteïnes conjugades. Les proteïnes simples o holoproteïnes són aquelles que estan constituïdes exclusivament per aminoàcids units per enllaços peptídics. En canvi, les proteïnes conjugades o heteroproteïnes són aquelles que pre- senten aminoàcids i grups prostètics. Un grup prostètic és un component no aminocídic que es troba forta- ment unit a la cadena peptídica. ELS AMINOÀCIDS Els aminoàcids són els precursor biosintètics de les proteïnes. Pel que fa a la seva composició elemental, són molècules formades per àtoms de carboni, hidrogen, oxigen, nitrogen i, en alguns casos, sofre, fòsfor i seleni. El pes molecular mitjà dels aminoàcids és de 110 Da. Pel que fa als seus grups químics, els aminoàcids proteics es poden classificar en aminoàcids primaris i ami- noàcids modificats. Els aminoàcids proteics primaris són aquells que tenen una existència independent. Sʼuneixen per mitjà dʼenllaços peptídics i quan es trenca la cadena tornen a la seva forma original). En canvi, els aminoàcids proteics modificats són aminoàcids primaris que sʼhan modificat incorporant algun grup funcional. Aquest grup funcional es pot unir durant la formació de la cadena peptídica (lʼaminoàcid modificat es troba unit al tRNA) o després de la formació de la cadena peptídica (quan es trenca la cadena lʼaminoàcid modificat queda lliure). Un α-aminoàcid està forma per un àtom de carboni central, anomenat carbo- ni α, unit a un grup amino, a un grup carboxil, a un àtom dʼhidrogen i a una cadena lateral característica. A les proteïnes hi ha vint tipus de cade- nes laterals que varien en forma, càrrega i reactivitat química, entre dʼaltres. De fet, les proteïnes de totes les espècies estan construïdes a partir del ma- teix conjunt de vint aminoàcids. Segons les característiques de les cadenes laterals, classifiquem els aminoà- cids en quatre grups: aminoàcids apolars, aminoàcids polars sense càrrega, aminoàcids polars amb càrrega positiva i aminoàcids polars amb càrrega ne- gativa. ELS AMINOÀCIDS APOLARS Els aminoàcids apolars són aquells que presenten cadenes laterals hidrofòbiques, és a dir, que tendeixen a interaccionar entre si més que no pas amb lʼaigua. El més senzill és la glicina, que nomé té un àtom dʼhidrogen com a cadena lateral. Amb dos àtoms dʼhidrogen units al seu carboni α, és lʼúnic aminoàcid aqui- ral. Lʼalanina, el següent aminoàcid més simple, té un grup metil com a cadena lateral. Glicina Alanina (Gly, G) (Ala, A) En la valina, la leucina i la isoleucina hi ha cadenes laterals hidrocarbonades més grans. La cadena lateral de la isoleucina inclou un centre quiral addicional. La metionina presenta una cadena lateral hidrocarbonada que conté un grup tioèster.  TEMA 6. AMINOÀCIDS I GRUPS PROSTÈTICS 49 Valina Leucina Isoleucina Metionina (Val, V) (Leu, L) (Ile, I) (Met, M) La prolina també té una cadena lateral apolar, però, a diferència dels altres dinou aminoàcids, té la cadena lateral unida a dos àtoms, el nitrogen i el carboni α. La prolina afecta molt lʼarquitectura de les proteïnes, ja que la seva estructura cíclica és una conformació molt restringida. Prolina (Pro, P) Alguns aminoàcids apolars presenten cadenes laterals aromàtiques relativament simples. La fenilalanina presenta un anell fenil unit, en comptes dʼun dels hidrògens de lʼalanina. El triptòfan presenta un grup indole unit a un grup metilè; el grup indole està format per dos anells fusionats que contenen un grup NH. La fenila- lanina és realment hidrofòbica, mentre el triptòfan no ho és tant pel grup NH. Fenilalanina Triptòfan (Phe, F) (Trp, W)  50 BLOC II. PROTEÏNES I ENZIMOLOGIA ELS AMINOÀCIDS POLARS SENSE CÀRREGA Els aminoàcids polars sense càrrega són aquells que presenten cadenes laterals hidròfiles però no tenen càrrega elèctrica. Sis aminoàcids són polars però sense càrrega. Tres dʼaquests, la serina, la treonina i la tirosina presenten grups hidroxil units a una cadena lateral hidrofòbica. La serina es pot considerar una ver- sió hidroxilada de lʼalanina; la treonina, una versió hidroxilada de la valina; i la tirosina, una versió hidroxila- da de la fenilalanina. La treonina també conté un centre quiral addicional. Serina Treonina Tirosina (Ser, S) (Thr, T) (Tyr, Y) Lʼasparagina i la glutamina són uns derivats no carregats dels aminoàcids àcids aspartat i glutamat. Cadas- cun dʼaquests dos aminoàcids presenta una carboxamida terminal en comptes de lʼàcid carboxílic. La cadena lateral de la glutamina és un grup metilè més llarg que el de lʼasparagina. Asparagina Glutamina (Asn, N) (Gln, Q)  TEMA 6. AMINOÀCIDS I GRUPS PROSTÈTICS 51 La cisteïna és semblant a la serina pel que fa a lʼestructura, però conté un grup sulfhidril o tiol, en comptes del grup hidroxil. El grup sulfhidril és molt més reactiu. Es poden unir parells de grups sulfhidril per a formar punts disulfur, que són especialment importants per a lʼestabilització dʼalgunes proteïnes. Cisteïna (Cys, C) ELS AMINOÀCIDS POLARS AMB CÀRREGA POSITIVA Els aminoàcids polars amb càrrega positiva són aquells que presenten cadenes laterals hidròfiles amb un grup bàsic. La lisina i lʼarginina tenen cadenes laterals relativament llargues que acaben amb grups carregats positivament a pH neutre. La lisina acaba en una amina primària i lʼarginina amb un grup guanidini. La histidina conté un grup imidazol, un anell aromàtic que també pot estar carregat positivament. Amb un pH proper al neutre el grup imidazol pot estar descarregat o carregat positivament segons lʼentorn local. Per això la histidina sovint es troba en els centres actius dels enzims, on lʼanell pot alliberar o captar protons durant la reacció enzimàtica. Lisina Arginina Histidina (Lys, K) (Arg, R) (His, H)  52 BLOC II. PROTEÏNES I ENZIMOLOGIA ELS AMINOÀCIDS POLARS AMB CÀRREGA NEGATIVA Els aminoàcids polars amb càrrega negativa són aquells que presenten cadenes laterals hidròfiles amb un grup àcid. Són lʼàcid aspàrtic i lʼàcid glutàmic, que com a pH neutre es troben en la forma àcida sovint sʼanomenen aspartat i glutamat. Aspartat Glutamat (Asp, D) (Glu, E) NOMENCLATURA DELS AMINOÀCIDS Existeixen dos nomenclatures per a distingir els enantiòmers dʼun α-aminoàcid: el sistema D/L i el sistema R/S. El sistema D/L es basa en comparar lʼestructura del gliceraldehid amb la dels α-aminoàcids: el grup al- dehid equival al grup carboxil, el grup hidroxil equival al grup amino i el grup etanol equival a la cadena late- ral. Per tant, quan el grup amino estigui a la dreta, lʼaminoàcid serà D, mentre que quan el grup amino estigui a lʼesquerra, lʼaminoàcid serà L. Els aminoàcids que formen part de les proteïnes de tots els éssers vius són de la sèrie L. Isòmer L Isòmer D El sistema S/R es basa en què els quatre substituents diferents del carboni α tenen assignat un ordre de pri- oritat dʼacord amb el nombre atòmic. El substituent de menys prioritat, sovint lʼhidrogen, se situa en el lloc més allunyat del punt de visió. Quan la progressió del que té més prioritat al que en té menys es produeixi en sentit invers al de les agulles del rellotge, lʼaminoàcid serà S, mentre que quan la progressió esdevingui en el sentit contrari de les agulles del rellotge, serà R. Els aminoàcids que formen part de les proteïnes de tots els éssers vius són majoritàriament de la sèrie S.  TEMA 6. AMINOÀCIDS I GRUPS PROSTÈTICS 53 Isòmer S IONITZACIÓ DELS AMINOÀCIDS Els aminoàcids en solució a pH neutre són predominantment ions dipolars (també anomenats ztwitterions). En la forma dipolar, el grup amino està protonat i el grup carboxil desprotonat. Lʼestat dʼionització dʼun amino- àcid varia amb el pH. En solució àcida, el grup amino està protonat i el grup carboxil no sʼha dissociat. A me- sura que augmenta el pH, lʼàcid carboxílic és el primer grup a cedir un protó a un pH proper a 2. La forma di- polar es manté fins que el pH sʼapropa a 9, on el grup amino protonat perd un protó. Els aminoàcids polars amb càrrega tenen cadenes laterals fàcilment ionitzables: la lisina, lʼarginina, la histidi- na, lʼaspartat i el glutamat. Evidentment, en les proteïnes es poden ionitzar dos grups més: el grup α-amino terminal i el grup α-carboxil terminal. El pKa és el pH per sota del qual un grup funcional es troba protonat i per sobre del qual es troba desprotonat. El pKa de la lisina i lʼarginina està molt proper al 12, mentre que el de la histidina val 6. El pKa dels dos grups àcids (aspartat i glutamat) està al voltant del 4. Per tant, a pH neutre els aminoàcids bàsics, excepte la histidina, estaran protonats (carregats positivament), mentre que els ami- noàcids àcids estaran desprotonats (carregats negativament). ELS AMINOÀCIDS NO PROTEICS Els aminoàcids no proteics són aquells que existeixen a la natura però que no formen part de les proteïnes dels éssers vius. Són exemples els β-aminoàcids, els γ-aminoàcids, els D-aminoàcids i alguns aminoàcids amb cadenes laterals molt complicades.  54 BLOC II. PROTEÏNES I ENZIMOLOGIA ELS GRUPS PROSTÈTICS Un grup prostètic és el component no aminoacídic que forma part de lʼestructura dʼalgunes proteïnes i que es troba fortament unit a la resta de la molècula. Com ja sʼha dit, les proteïnes amb un grup prostètic reben el nom de proteïnes conjugades o heteroproteïnes. Els grups prostètics metàl·lics són molt comuns i molts metalls poden actuar com a tal. Si desapareix el metall, desapareix la funció de la proteïna. Potser el grup prostètic metàl·lic més conegut és el grup hemo. El grup hemo forma part de diverses proteïnes, entre elles lʼhemoglobina, on la seva funció principal és emma- gatzemar i transportar lʼoxigen molecular. De fet, el grup hemo és el responsable del color vermell de la sang. També existeixen molts grups prostètics orgànics, entre els quals podríem destacar la biotina. La biotina es troba en enzims que intervenen en la catàlisi de reaccions metabòliques essencials per a sintetitzar àcids grassos, en la gluconeogènesi i en el metabolisme de la leucina. Grup hemo Biotina