ÍNDICE BIOQUÍMICA................................................................................................. 1 I. CÉLULA..................................................................................................... 2 II. AGUA........................................................................................................ 8 III. AMINOÁCIDOS.......................................................................................13 IV. ENZIMAS Y COENZIMAS.......................................................................17 V. INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO.................................................... 20 VI. CARBOHIDRATOS................................................................................ 27 VII. LÍPIDOS................................................................................................ 35
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BIOQUÍMICA La Bioquímica juega un papel trascendental en todas las áreas de Ciencias de la Salud. Gran parte de las enfermedades son consecuencia de alteraciones moleculares en células, órganos o tejidos. Se requieren sólidos fundamentos bioquímicos para entender su fisiopatología, llegar al diagnóstico y desarrollar una terapéutica apropiada.
La bioquímica es la química de la vida. La bioquímica puede definirse de manera más formal como la ciencia que se ocupa de la base química de la vida (del griego, bios: vida). La célula es la unidad estructural de los sistemas vivientes. La consideración de este concepto conduce a una definición funcional de la bioquímica como la ciencia que se ocupa de los constituyentes químicos de las células vivas y de las reacciones y procesos que experimentan. Con esta definición, la bioquímica abarca extensas áreas de la biología celular, la biología molecular y la genética moIecular. El campo de la bioquímica es tan amplio como la vida misma. Dondequiera que hay vida, se producen procesos químicos. Los bioquímicos los estudian en microorganismos, vegetales, insectos, peces, aves, mamíferos y en el ser humano. El hecho de que la Bioquímica sea la ciencia que estudia la vida a nivel molecular como 1
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ciencia fundamental y necesaria para otras disciplinas que se ocupan del fenómeno vital. Así, la Anatomía, Histología, Fisiología y otras materias relacionadas adquieren otra dimensión cuando el estudio macroscópico, relacionado a estas áreas de conocimiento morfológicas y funcionales, se desarrolla de forma paralela al enfoque molecular que proporciona la Bioquímica. Así mismo, otras disciplinas como la Microbiología, Genética, Embriología, Fisiología, Neuroquímica y otras ciencias implicadas en los fenómenos vitales, necesitan del lenguaje bioquímico para profundizar adecuadamente. La Bioquímica es la piedra angular sobre las que se apoyan todas y cada una de las ciencias relacionadas con la vida.
FIGURA 1–1 Ejemplos de la avenida bidireccional que conecta la bioquímica y la medicina. El conocimiento de las moléculas bioquímicas mostradas en la parte superior del diagrama ha esclarecido el entendimiento de las enfermedades mostradas en la mitad inferior y, a la inversa, los análisis de las enfermedades que se muestran abajo han aclarado muchas áreas de la bioquímica.
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Lógica Molecular de la Vida A pesar de la gran diversidad de todos los organismos vivos, todos son semejantes a nivel químico y celular. Todos los seres vivos están constituidos cualitativa y cuantitativamente por los mismos elementos químicos. De todos los elementos que se encuentran en la corteza terrestre, sólo 30 son componentes de los seres vivos. Se denominan bioelementos aquéllos elementos que forman parte de los seres vivos. Se denominan Biolelementos a los elementos químicos que constituyen los seres vivos. También reciben el nombre de elementos biogenéticos y pueden ser clasificados según su abundancia en tres grandes grupos. Fig. 1-2 1. Biolementos primarios : H, O, C, N. Son los más abundantes, representan un 99.3% del total de átomos del cuerpo humano. El Hidrógeno, el que más abunda, junto con el oxígeno, ya que forman parte del agua. 2. Bioelementos secundarios : Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe. Constituyen prácticamente el 0.7% del total de átomos del cuerpo humano. 3. Oligoelementos: Mn, I, Cu, Co, Zn, F, Mo, Se, y otros. Aparecen sólo en trazas o en cantidades mínimas, pero aún así, su presencia es esencial para el correcto funcionamiento del organismo. Su ausencia determina la aparición de enfermedades carenciales o síntomas de déficit.
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vivos. Atendiendo a su naturaleza química, se pueden clasificar las biomoléculas en dos grandes grupos : 1. Biomoléculas inorgánicas : Agua (la biomolécula más abundante). Gases (oxígeno, dióxido de carbono). Sales inorgánicas (aniones, como fosfato y bicarbonato, y cationes como amonio) 2. Biomoléculas orgánicas : Glúcidos (glucosa, glucógeno). Lípidos (triglicéridos, colesterol). Proteínas (enzimas, hemoglobina). Ácidos nucléicos (ADN, ARN). Metabolitos (ácido pirúvico, ácido láctico). Según la especialización de cada tejido, existe una diferente distribución celular cualitatita y cuantitativa de las biomoléculas, siendo la más abundante , el agua.
Fig. 1-2 Biolelementos químicos que constituyen los seres vivos.
Análogamente a lo que ocurre con los bioelementos, las Biomoléculas son las moléculas constituyentes de los seres
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UNIDAD I:CÉLULA Conceptos de Célula, Tejido y Órgano Célula La célula es la unidad de organización (estructura) y función básica de la vida en todos los organismos. Proceden de la división de otra célula preexistente, siendo idéntica a esta genética, estructural y funcionalmente. Las semejanzas básicas entre su estructura y composición molecular proporcionan evidencias que todas las células tiene un origen evolutivo común. Tejido En biología se llama tejido a una estructura constituida por un conjunto organizado de células diferenciadas, ordenadas regularmente, que realizan un trabajo fisiológico coordinado. Esta estructura forma un nivel superior de organización biológica superior a la célula. Órgano Un órgano es una agrupación de diversos tejidos que forman una unidad estructural encargada del cumplimiento de una función determinada. Se encuentra en un nivel biológico superior a tejido pero inferior a sistema.
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Tipos de célula Las células se pueden clasificar en dos grandes grupos: Eucariotas y Procariotas. La procariota es una célula sin núcleo celular diferenciado, es decir, su ADN no está confinado en el interior de un núcleo, si no libremente en el citoplasma (ej. Bacterias) y carece de organelos. En contraste, la célula eucariota es compleja y altamente organizada, contienen organelos rodeados de membrana con funciones específicas que se encuentran en el citoplasma. Presentan un núcleo prominente que contiene el 99% del código genético, el ADN.
Organelos de las células eucariotas Las células eucariotas tienen un volumen superior al de las células procariotas, entre 1000 y 10 000 veces, contienen numeroso organitos membranosos y no membranosos, todos ellos contenidos en los límites establecidos por la membrana plasmática. En este apartado se hará énfasis en los organelos más relevantes.
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Núcleo En este organelo se encuentra la información genética, el ADN, por lo que su duplicación se lleva a cabo en el núcleo, proceso que está regulado por diversas enzimas y proteínas especializadas. La transcripción también se efectúa en el núcleo. Retículo Endoplasmático Consta de una red de membranas internas paralelas que envuelven al núcleo y se extienden hacia muchas regiones del citoplasma y están conectadas entre sí. Existen dos tipos de retículo: Liso (REL) y rugoso (RER). El RER se considera como una extensión de la membrana nuclear, presenta numerosos ribosomas en su superficie externa. El RER tiene una función principal en la síntesis, modificación y ensamblaje de proteínas. El REL presenta continuidad con el RER, tienen apariencia tubular y son de superficie lisa (no presentan ribosomas).
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El REL es el sitio principal de síntesis de lípidos necesarios para la formación de membranas celulares. Es un centro de desintoxicación puesto que efectúa la transformación química de drogas lo que permite eliminar compuestos tóxicos. En células animales, el REL sintetiza hormonas a partir de colesterol. Aparato de Golgi Está formado por una serie de sacos membranosos aplanados y apilados llamados cisternas, cada cisterna tiene un espacio interno (luz) Cada apilamiento del complejo de Golgi consiste en 3 zonas denominadas caras cis (superficie de entrada), trans (superficie de salida) y región media ubicada entre ambas caras. Por lo general la cara cis se localiza próxima al RER y recibe proteínas procedentes del RER. La cara trans está más próxima a la membrana plasmática y clasifica, empaqueta y distribuye las proteinas maduras según su destino; el carbohidrato de las glicoproteínas puede constituir una señal de clasificación.
Lisosomas Son organelos esféricos que se encuentran dispersos en el citoplasma de la mayoría de las células animales, se encuentran rodeados por una única membrana y
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están llenos de enzimas digestivas que se sintetizan en el RER. Las enzimas hidrolizan macromoléculas complejas por lo que se liberan los monómeros que los componen y son reutilizados por la célula. En condiciones normales, los lisosomas degradan membranas y organelos que han han dejado de funcionar en la célula (autofagia). Mitocondria Las mitocondrias presentan doble membrana: externa e interna. La membrana externa es permeable a moléculas pequeñas e iones. La membrana interna esta plegada formando crestas que aumentan el área de superficie, es impermeable a la mayoría de las moléculas o iones y está separada de la membrana externa por un espacio intermembrana.
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materiales dentro de la célula. Está formado por tres tipos de filamentos: microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios. Los microtúbulos y los microfilamentos están formados por subunidades globulares de proteínas dispuestas en forma de “perla” que se pueden ensamblar y desensamblar rápidamente.
La membrana interna rodea la matriz mitocondrial, una solución acuosa muy concentrada de enzimas (ciclo de Krebs) e intermediarios químicos. La matriz contiene al menos un ADN mitocondrial circulante de doble hélice, que contiene 1% de la información genética de la célula. La mitocondria es el centro de respiración aerobia de la célula, esta respiración ocurre en la membrana interna mitocondrial y la matriz mitocondrial. En la mitocondria se sintetiza ATP que es la moneda energética de la célula, es la fuente de energía mediante la cual las células pueden realizar sus tareas vitales. Tienen una función importante en la muerte celular programada (apoptosis). El Citoesqueleto Es un armazón tridimensional que está presente en el citoplasma, proporciona a la célula resistencia mecánica, forma y capacidad de movimiento. Participa en la división celular y en el transporte de
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Los filamentos intermedios están formados por subunidades fibrosas de proteína y son más estables que los otros dos. Todas las células eucariotas tienen microtúbulos y microfilamentos, solo algunos de animales tienen filamentos intermedios.
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UNIDAD II:AGUA Importancia biomédica El 71% de la superficie terrestre esta cubierta por agua y el 97% está en los océanos. En los seres vivos, el agua representa el 70% del peso total. Es la única sustancia que podemos encontrar en la tierra de forma natural como sólido (hielo), líquido o gas (vapor de agua). Gracias a sus propiedades fisicoquímicas permite la vida en nuestro planeta. El agua, una molécula notablemente esencial para la vida, solubiliza y modifica las características de biomoléculas como ácidos nucleicos, proteínas y carbohidratos al formar puentes de hidrógeno con sus grupos funcionales. Tiene una propensión leve a disociarse hacia iones hidróxido y protones. La concentración de protones, o acidez, de soluciones acuosas por lo general se reporta usando la escala de pH. La homeostasis, conservación de la composición del medio interno que es esencial para la salud, incluye considerar la distribución del agua en el cuerpo y la preservación del pH así como de concentraciones electrolíticas apropiadas. En el cuerpo, el agua puede encontrarse en un compartimento intracelular y otro extra-celular. Dos terceras partes del agua corporal total (55 a 65% del peso corporal en varones y alrededor de 10% menos en mujeres) es líquido intracelular. Del líquido extracelular remanente, el plasma sanguíneo constituye cerca de 25 por ciento.
La regulación del equilibrio hídrico depende de mecanismos hipotalámicos para controlar la sed, de la hormona antidiurética y de la retención o excreción del agua por los riñones. L0s estados de depleción de agua y exceso de Iíquido corporal son bastante comunes. En muchos casos se acompañan de deficiencia o exceso de sodio. La depleción hídrica puede deberse a una disminución de la ingestión de líquidos o bien un incremento de la pérdida. Las causas de exceso de agua corporal se deben al incremento en la ingestión. La conservación del líquido extracelular dentro de un pH entre 7.35 y 7.45, en donde el sistema amortiguador de bicarbonato tiene una función importante, es esencial para la salud. Las alteraciones del equilibrio ácido-básico se diagnostican en el laboratorio clínico por medición del pH de la sangre arterial y el contenido de CO2 en la sangre venosa. Las causas de la acidosis (pH sanguíneo < 7.35) incluyen cetoacidosis diabética y acidosis láctica; mientras que las de la alcalosis (pH sanguíneo > 7.45) comprenden el vómito de contenido gástrico o el tratamiento con ciertos diuréticos.
Estructura de la molécula del agua La molécula del agua es un tetraedro irregular con oxígeno en el centro. Los dos enlaces con hidrógeno se dirigen hacia dos vértices del tetraedro, en tanto que los electrones no compartidos del oxígeno en el orbital 2sp3 ocupan los dos vértices restantes.
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El ángulo entre los dos átomos de hidrógeno (105 grados) es algo menor que el ángulo del tetraedro (109.5 grados), formando una figura geométrica ligeramente asimétrica.
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hidrógeno. Las moléculas que pueden formar puentes de hidrógeno con el agua (por ejemplo, compuestos con radicales 4N o SH, aminas, ésteres, aldehídos y cetonas) se solvatan con facilidad lo que por su solubilidad en agua aumenta. Grupos apolares como aquellos presentes en hidrocarburos no tienen capacidad para formar uniones hidrógeno y, por tanto, son insolubles en agua.
Figura 2-1 La molécula de agua tiene forma tetraédica
Un núcleo de hidrógeno parcialmente desprotegido, unido de manera covalente a un átomo de oxígeno que extrae electrón, puede interactuar con un par de electrones no compartidos sobre otro átomo de oxígeno para formar un enlace de hidrógeno. Dado que las moléculas de agua tienen estas dos características, la formación de enlaces de hidrógeno favorece la autoasociación de moléculas de agua hacia disposiciones ordenadas. La mayoría de las Biomoléculas establecen un modelo estructural que maximiza las oportunidades para la formación de interacciones de carga dipolo, dipolodipolo, y formación de enlaces de hidrógeno, favorables desde el punto de vista energético entre grupos polares sobre la biomolécula y el agua. También minimiza contactos desfavorables desde el punto de vista energético entre el agua y grupos hidrofóbicos. La propiedad del agua de servir como solvente para iones y numerosas moléculas orgánicas se debe a su carácter bipolar y a su capacidad para formar puentes de
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Figura 2-2 Izquierda: asociación de dos moléculas de agua dipolares mediante un enlace de hidrógeno (línea punteada). Derecha: agrupación de cuatro moléculas de agua con enlaces de hidrógeno. Note que el agua puede servir de manera simultánea como
La estructura del agua es distinta en respuesta al estado de agregación en el que se encuentre:
En estado sólido, las moléculas de agua son capaces de formar cuatro puentes de hidrógeno por que las moléculas de agua se encuentran restringidas en su movimiento.
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A temperatura ambiente y a la presión de la atmósfera, las moléculas de agua están desorganizadas y en un continuo movimiento, de modo que forman en promedio 3,4 puentes de hidrógeno con las moléculas vecinas.
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Otras propiedades importantes: La estructura del agua en la interfase aguaaire (como en los ríos) no están sujetas a fuerzas de atracción semejante es en todas direcciones, de modo que el agua tiene una resistencia para aumentar su superficie. De esta manera, los cuerpos y algunos animales como moscos o arañas pueden desplazarse sobre la superficie del agua.
Como muchos otros compuestos, el agua mantiene ciertas propiedades físicoquímicas de gran importancia. Masa molecular Punto de fusión Punto de ebullición Densidad a 4 °C Densidad a 0 °C
18 Dalton (Da) 0 °C 100 °C 1g/cm3 097 g/cm3
Algunas propiedades del agua le confieren importancia en funciones biológicas vitales: Gracias a su capacidad de mantenerse liquida a temperatura ambiente y a su propiedad de solvente universal, actúa como un medio de transporte de sustancias en el organismo. Además, su alto calor de vaporización (energía necesaria para romper puentes de hidrógeno para el cambio de estado) y su alto calor específico (energía necesaria para elevar su temperatura 1 °C) la convierten en mecanismo termorregulador por excelencia, absorbiendo el exceso de calor o cediendo energía si es necesario, de tal manera que ayuda a mantener la temperatura corporal el organismo.
En relación con las moléculas de agua, se dice que puede establecer diferentes tipos de interacciones dependiendo de la naturaleza del compuesto con el que se quiera interactuar: 1.- Interacciones hidrofóbicas: Alude a la tendencia de compuestos no polares a autoasociarse en un ambiente acuoso. La autoasociación minimiza la dis rupción de interacciones desfavorables desde el punto de vista energético entre las moléculas de agua circundantes, impidiendo el establecimiento de mas puentes de hidrógeno. 2.- Interacciones electroestáticas: Interacciones entre grupos cargados ayudan a dar forma a la estructura biomolecular. Las interacciones electrostá-ticas entre grupos
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con carga opuesta dentro de biomoléculas se denominan puentes de sal. 3.- Fuerzas de van der Waals: Surgen por atracciones entre dipolos transitorios generados por el movimiento rápido de electrones de todos los átomos neutros. Los líquidos del cuerpo humano se dividen : • Líquido intracelular (dentro de las células): todo el líquido que está dentro de las células, el mayor compartimiento líquido, contiene aproximadamente 25 litros y constituye cerca del 40% del peso corporal.
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volumen total de 12 litros y constituye aproximadamente el 15% del peso corporal. Incluye el plasma • El plasma; es el componente líquido de la sangre; está contenido dentro del sistema vascular (arterias y venas) y contribuye con un total de 3 litros, lo que constituye un 5% del peso corporal.
Según su polaridad en agua, los compuestos pueden clasificarse: Polares (hidrofílicas): contienen grupos funcionales con enlaces covalentes polares (Enlaces OH en alcoholes, -N-H de las aminas, etc) formando puentes de
Fig. 2-4 Propiedades del agua y funciones biológicas
• Líquido intersticial o extracelular (fuera de las células): todo el líquido que baña a las células y por supuesto todo material que entre o salga de estas, debe cruzar este compartimiento que contiene un
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hidrógeno con agua. No polares: contienen enlaces covalentes no polares (C-H en hidrocarburos etc) que no forman puentes de hidrógeno con el agua. Anfipáticas: Parte de la molécula
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interaccióna con el agua porque contiene enlaces covalentes polares y la otra parte no, por cuanto tiene enlaces covalentes no polares.
Las moléculas de agua muestran una tendencia leve pero importante a disociarse. La capacidad del agua para ionizarse, si bien es leve, tiene importancia fundamental para la vida. Dado que el agua tiene la capacidad de actuar como un ácido y como una base, su ionización puede representarse como una transferencia de protón intermolecular que forma un ion hidronio (H3O+) y un ion hidróxido (OH–):
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paso 2. Los valores de pH bajos corresponden a concentraciones altas de H+, y los valores de pH altos corresponden a concentraciones bajas de H+. Los ácidos son donadores de protones y las bases son aceptores de protones. Los ácidos fuertes (p. ej., HCl, H2SO4) se disocian por completo hacia aniones y protones, incluso en soluciones fuertemente acídicas (pH bajo); por su parte, los ácidos débiles se disocian sólo en parte en soluciones acídicas. De modo similar, las bases fuertes (p. ej., KOH, NaOH) —no así las bases débiles (p. ej., Ca[OH]2)— están por completo disociadas a pH alto.
H O + H O → H O+ + OH− 223 El protón transferido en realidad se relaciona con una agrupación de moléculas de agua. Los protones existen en solución no sólo como H3O+, sino también como multímeros tipo H5O2+ y H7O3+. Sin embargo, el protón se representa de manera sistemática como H+, aun cuando de hecho está muy hidratado. El PH es el logaritmo negativo De la concentración de ion hidrógeno: El término pH fue introducido en 1909 por Sörensen, quien lo definió como el logaritmo negativo de la concentración de ion hidrógeno: pH = −log [H] Esta definición, si bien no es rigurosa, es suficiente para muchos propósitos bioquímicos; a fin de calcular el pH de una solución: 1. Se calcula la concentración de ion hidrógeno [H+]. 2. Se calcula el logaritmo base 10 de [H+]. 3. El pH es el negativo del valor que se encuentra en el
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UNIDAD III: AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS Además de proporcionar las unidades monómero para sintetizar las cadenas polipeptídicas largas de proteínas, los L-α-aminoácidos, participan en funciones celulares diversas ̶ transmisión nerviosa, biosíntesis de porfirinas, purinas, pirimidinas y urea ̶ .Los polímeros cortos de aminoácidos llamados péptidos desempeñan funciones importantes en el sistema neuroendocrino ̶ hormonas, factores liberadores de hormona, neuromoduladores o neurotransmisores ̶ . Los seres humanos carecen de la capacidad para sintetizar 10 a 20 L-α-aminoácidos comunes en cantidades adecuadas para el crecimiento y mantener la salud. No sorprende que defectos genéticos en el metabolismo de los aminoácidos puedan conducir a trastornos graves (fenilcetonuria y Enf. De la orina de jarabe de maple). La dieta del ser humano debe de contener cantidades adecuadas de estos aminoácidos esenciales (desde el punto de vista nutricional). Las proteínas del ser humano solo contienes L-α-aminoácidos, los microorganismos hacen uso extenso de D- α-aminoácidos.
3.1 Estructura Básica del Aminoácido
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En las Proteínas Solo Existen L- α- Aminoácidos Si bien algunos aminoácidos de proteínas son dextrorrotatorios y otros levorrotatorios, todos comparten la configuración genética absoluta de L- gliceraldehido, y asi, son Lα-aminoacidos. Formación del Enlace Peptídico El enlace peptídico es un enlace amida que se establece entre el grupo α- carboxilo de un aminoácido y el grupo α-amino del otro aminoácido. Todos los péptidos tienen un grupo α-amino libre en un extremo, a la izquierda, (Nterminal) y un grupo α- carboxilo libre en el otro, a la derecha (C-terminal), que pertenece a l último aminoácido añadido a la cadena.
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Los Grupos Funcionales Dictan las Reacciones Químicas de los Aminoácidos Cada grupo funcional de un aminoácido muestra todas sus reacciones químicas características. Para grupos de ácido carboxílico, tales reacciones incluyen la formación de esteres, amidas y anhidricos acidos-, en el caso de los grupos amino, comprende acilacion, amidacion y esterificación; en tanto que para grupos ̶ OH y ̶ SH, conlleva oxidación y esterificación. La reacción de mayor importancia de los aminoácidos es la formación de un enlace péptido :
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3.3 Órdenes de la Estructura de las Proteínas Niveles de organización estructural de las proteínas. Los niveles de organización están dictados por la secuencia de aminoácidos. Se estabilizan por interacciones entre los grupos R de la proteína, pueden ser: - No covalentes: puentes de hidrógeno, atracción electrostática (puente salino) e hidrofóbicas - Covalentes: puentes de disulfuro entre otros - Formación de puentes hidrógeno entre los grupos C=O y N-H de los enlaces peptídicos (estructura secundaria).
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Los Cuatro Órdenes de Estructura de las Proteínas La naturaleza modular de la síntesis y el plegamiento de las proteínas están incorporados en el concepto de órdenes de estructura de proteína: estructura primaria, la secuencia de aminoácidos en una cadena polipeptídica; estructura secundaria, el plegado de segmento de polipéptidos cortos (3 a 30 residuos) y contiguos, hacia unidades ordenadas de manera geométrica; estructura terciaria, el montaje de unidades estructurales secundaria hacia unidades funcionales de mayor tamaño como el polipéptido maduro y los dominios que lo componen y, por último, estructura cuaternaria, el número y los tipos de unidades polipeptídicas de proteínas oligoméricas y su disposición espacial.
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una conformación única a pH fisiológico, dictada por la secuencia de aminoácidos. La estructura 3D única es la responsable de la función biológica y se conoce como conformación o proteína nativa. Las proteínas mantienen la conformación nativa a pH fisiológico y a la temperatura del organismo. Ej: La mioglobina. Estructura Cuaternaria La estructura cuaternaria define la composicion polipeptidica de una proteina y, para una proteína oligomerica, las relaciones espaciales entre sus protomeros o subunidadedes. Ej: hemoglobina, αqueratina, fibras de la seda.
Estructura Primaria Secuencia de aminoácidos de una cadena polipeptídica. Se escribe del N- al C-terminal. Estructura Secundaria Es la conformación local de secuencias de residuos de aminoácidos en un polipéptido. Se distinguen tres clases de estructura secundaria: α Hélice, Lámina β plegada y vueltas-β. La estructura secundaria se estabiliza por puentes de hidrógeno entre los grupos carbonilo (C=0) y NH de los enlaces peptídicos. Estabilizadas por puentes de hidrógeno entre todos los grupos C=O y N-H de los enlaces peptídicos. Estructura Terciaria Estructura 3-D de un polipéptido. Resulta del plegamiento del polipéptido con sus elementos de estructura secundaria en
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UNIDAD IV: ENZIMAS Y COENZIMAS Propiedades generales de las enzimas
A la región donde se une el sustrato y ocurre la conversión del sustrato en producto se le llama: sitio activo.
La mayoría de las reacciones químicas celulares presenta una elevada energía libre de activación (energía mínima necesaria para que se produzca la reacción). En consecuencia dichas reacciones en las células son muy lentas. Las enzimas y coenzimas son catalizadores biológicos de naturaleza proteica que son producidas por las células mediante la expresión de los genes en el ADN, y que aceleran la reacción según las necesidades de la célula, y así acortan el tiempo para alcanzar el equilibrio sin alterarlo.
Las enzimas son altamente específicas. Esto quiere decir, que no se unen a un sustrato que no le corresponde. La especificidad del sitio activo se refiere a la capacidad de selección del sustrato por la enzima. Varios factores contribuyen a esta propiedad: la 3D del sitio activo, características químicas del sitio activo y la estructura del sustrato.
Presentan estructura primaria, secundaria y terciaria, y en algunas ocasiones, pueden presentar estructura cuaternaria. Las enzimas presentan una conformación nativa biológicamente activa a pH fisiológico. Las enzimas actúan sobre los reactantes (sustratos), originando así productos.
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Dentro de una célula hay cientos de enzimas distintas. La especificidad hace que dentro de un mismo compartimiento subcelular puedan tener lugar, a la vez, cientos de reacciones distintas sin que se confundan. Existe un modelo, llamado modelo de Fischer, que es conocido como “llave cerradura” y explica que la enzima viene a ser como una llave que sólo está destinada a abrir una cerradura.
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Sin embargo, En 1958, Daniel Koshland sugiere una modificación al modelo de la llave-cerradura: las enzimas son estructuras bastante flexibles y así el sitio activo podría cambiar su conformación estructural por la interacción con el sustrato.
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Factores que afectan la actividad enzimática La actividad de las enzimas puede ser regulada. Algunas enzimas requieren cofactores en el sitio activo para efectuar su actividad biológica. Estos pueden ser de dos clases: 1. Elemento inorgánico (Fe2+, Mg2+, Cu2+ ) 2. Molécula orgánica [coenzima] (FMN, FAD, NAD+, CoASH)
Clasificación de las enzimas Las enzimas se pueden clasificar en: Oxidorreductasas: Relacionadas con reacciones de óxido-reducción. Transferasas: Catalizan el traspaso de grupos químicos, menos hidrógeno y oxígeno. Ejemplos son metiltransferasas, aciltransferasas, glucosiltransferasas… Hidrolasas: Tienen la capacidad de introducir los elementos del agua en el sustrato atacado, produciendo hidrólisis. Son las esterasas, fosfatasas y glicosidasas. Liasas: Catalizan la introducción o eliminación de un grupo químico a una doble ligadura. Isomerasas: catalizan diversos tipos de isomerización. Ligasas: Permiten la unión de dos moléculas simultáneamente a la degradación de ATP u otro enlace químico, con la liberación de energía necesaria.
Cualquiera de los dos cofactores puede estar unido a la enzima de manera débil (cosustrato) o de manera estrecha (grupo prostético). La formación del complejo enzima-sustrato es intervenido por múltiples interacciones individuales débiles que liberan una pequeña cantidad de energía libre, conocida como energía de enlazamiento. Entre estas puede estar, el efecto del pH, la temperatura o la concentración de la enzima: ● El pH en el cual la velocidad de la reacción es máxima se denomina pH óptimo, que generalmente varía entre 6 y 8. ● La temperatura óptima es la de nuestro cuerpo, entre 35 a 37 °C. El incremento de temperatura, aumenta la energía de las moléculas y favorece las reacciones enzimáticas. Pero, si se incrementa demasiado la temperatura, la estructura secundaria, terciaria y cuaternaria, se pueden desestabilizar, y ocasionar una pérdida de la actividad. Existen sustancias que impiden la función de las enzimas. Son llamados inhibidores. Existen inhibidores por competencia (que tienen la forma del sustrato, y se sitúa en
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el sitio del mismo en la enzima) y por no competencia (bloquea los sitios activos de una enzima de modo irreversible)
La presencia de una actividad enzimática elevada en el plasma puede indicar una lesión tisular, que se muestra por la liberación de enzimas en el plasma. Los ejemplos más comunes son: paperas
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● Fosfatasa ácida: cáncer de próstata, enfermedad de Gaucher, mieloma múltiple, cáncer de hueso, hepatitis, destrucción de plaquetas. ● Fosfatasa alcalina: enfermedades hepáticas, metástasis de hueso, leucemia y tumores. ● TGP y ALT: enfermedad hepatocelular, cirrosis, tumor metastásico, ictericia, hepatitis y congestión hepática. ● TGO y AST: necrosis, infarto y enfermedades hepáticas. Aumenta tras 12 horas de infarto y disminuye pasados 5 días. fosfoquinasa: ● Creatina muscular de Duchenne.
distrofia
● Deshidrogenasa láctica DHL: infartos al miocardio. Se eleva al 3 día del infarto y se normaliza de 5 a 10 días después. ● CPK: Se utiliza para dx de infarto al miocardio. Aumenta de 4 a 6 horas y disminuye a los 2 o 3 días. También aumenta en la distrofia muscular.
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● Lipasa: Se eleva en trastornos hepáticos. ● Colinesterasa: Síndrome nefrótico
Análisis enzimático en diagnóstico de enfermedades
● Amilasa: Pancreatitis, intoxicación alcohólica.
● Aldolasa: Distrofia muscular
● Ceruloplasmina: Enfermedad de Wilson y degeneración hepatolenticular. ● Gammaglutamil transferasa GGT: Se eleva en todo tipo de trastorno hepático. Es la enzima más sensible de todas. ● Troponinas: este es un complejo de tres proteínas comprendidas en la contracción muscular en los músculos estriado y cardíaco, no en el liso. Proporciona indicadores sensibles y específicos de daño del músculo cardíaco.
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UNIDAD V: INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO Metabolismo y leyes de la termodinámica en sistemas biológicos Los seres vivos son máquinas químicas, obtienen sus componentes y energía mediante reacciones químicas. Al conjunto de reacciones químicas en un ser vivo se denomina metabolismo. El metabolismo está constituido por dos procesos: catabólico y anabólico. El catabolismo, también llamado reacción exergónica, es un proceso acompañado de pérdida de energía, en tanto que el anabolismo, o reacción endergónica es acompañada por ganancia de energía.
Los sistemas biológicos se conforman a las leyes generales de la termodinámica. La bioenergética o termodinámica bioquímica es el estudio de los cambios de energía que acompañan a reacciones bioquímicas. La primera ley de la termodinámica establece que la energía total de un sistema, incluso sus alrededores, permanece constante. Eso implica que dentro de un sistema total, la energía no se pierde ni se gana durante cambio alguno, pero si se puede transferir de una porción del sistema a otra. La segunda ley establece que para que un proceso ocurra de manera espontánea, es necesario que la entropía total de un sistema aumente. La entropía es la extensión de trastorno o de aleatoriedad del sistema y alcanza su punto máximo conforme logra el equilibrio.
Oxidaciones Biológicas Desde el punto de vista químico, la oxidación se define como la perdida de electrones, en tanto que la reducción es la ganancia de electrones. De este modo, la oxidación siempre se acompaña de reducción de un aceptor de electrones. La reacción REDOX se refiere a la pérdida de un electrón por una especie química (oxidación) y la ganancia de electrones por otra (reducción). La molécula donadora de electrones se conoce como agente reductor y a la molécula aceptora se le denomina
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como agente oxidante. Las enzimas comprendidas en oxidación y reducción reciben el nombre de oxidorreductasas y se clasifican en cuatro grupos: oxidasas, deshidrogenasas, hidroperoxidasas y oxigenasas.
Cadena respiratoria y Fosforilación oxidativa La cadena respiratoria consiste de un conjunto de transportadores de electrones situados en la membrana interna mitocondrial. La respiración esta acoplada a la generación del intermediario de alta energía, ATP, por medio de fosforilación oxidativa. Diversos fármacos (ej. Amorbital) y venenos (ej. Cianuro, monóxido de carbono) inhiben la fosforilación oxidativa. Una unidad de respiración mitocondria consiste en una cadena respiratoria y una ATP sintasa, enzima responsable de la síntesis de ATP. Los componentes de la cadena respiratoria están contenidos en cuatro complejos, los electrones fluyen por la cadena a través de un intervalo REDOX desde NAD+/NADH hacia O₂/2H₂O y pasan por tres complejos proteínicos:
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1. NADH-Q oxidorreductasa (complejo I), donde se transfieren electrones desde NADH hacia la coenzima Q (ubiquinona). 2. Q- Citocromo c oxidorreductasa (complejo III), que pasa electrones hacia el Citocromo c. 3. Citocromo c oxidasa recibe los electrones de Citocromo c y de aquí se completa la cadena, pasa los electrones hacia O₂ y hace que se reduzca a H₂O. Algunas sustancias con potenciales redox más positivos que NAD+/NADH (ej. Succinato) pasan electrones hacia Q (ubiquinona) por medio de un cuarto complejo, la Succinato- Q reductasa (complejo II), en lugar de mediante el complejo I. Los cuatro complejos están embebidos en la membrana mitocondria interna, pero Q y Citocromo c son móviles. El flujo de electrones a través de los complejos I, III y IV da por resultado el bombeo de protones desde la matriz a través de la membrana mitocondria interna hacia el espacio intermembrana. El flujo de electrones por la cadena respiratoria genera ATP por medio de fosforilación oxidativa. La teoría quimiosmótica postula que los dos procesos están acoplados mediante un gradiente de protón a través de la membrana interna,
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de manera que la fuerza motriz de protón causada por la diferencia de potencial electroquímico impulsa el mecanismo de síntesis de ATP mediante la bomba de protones generada por los complejos I, III y IV. Dado que la membrana mitocondria interna es impermeable a protones, éstos se acumulan en el espacio intermembrana, lo que crea la fuerza motriz de protón predicha por la teoría quimiosmótica. La fuerza motriz de protón impulsa una ATP sintasa ubicada en la membrana que en presencia de Pi (fosfato inorgánico) + ADP forma ATP. La ATP sintasa esta embebida en la membrana mitocondria interna, junto con los complejos de la cadena respiratoria (marcado como complejo V en la figura siguiente). Varias subunidades de la proteína forman una estructura parecida a bola alrededor de un eje conocido como F₁, que se proyecta hacia la matriz y contiene el mecanismo de fosforilación. F₁ está fijo a un complejo de proteína de membrana conocido como F₀, que también consta de varias subunidades proteínicas. F₀ abarca la membrana y forma un canal de protones. El flujo de estos últimos a través de F₀ hace que rote, lo que impulsa la producción de ATP en el complejo F1. Se cree que esto sucede por un mecanismo de cambio de unión, en el cual, a medida que el eje rota, la conformación de las subunidades β en F1 cambia desde una que se une con firmeza al ATP hacia una que libera ATP y se une a ADP y Pi, de modo que puede formarse el siguiente ATP. El ATP resultante se ha denominado la “moneda” de energía de la célula.
Muchos venenos inhiben la cadena respiratoria. Los barbitúricos, como el amorbarbital, inhiben el transporte de electrones mediante el complejo I. La antimicina A y el dimercaprol inhiben en el complejo III. Los venenos clásicos H2S, monóxido de carbono y cianuro inhiben al complejo IV, y en consecuencia, pueden suspender por completo la respiración. El malonato es un inhibidor competitivo del complejo II. El atractilósido inhibe la fosforilación oxidativa mediante la inhibición del transportador de ADP hacia dentro de la mitocondria, y de ATP hacia fuera de ella. El antibiótico oligomicina bloquea por completo la oxidación y la fosforilación al bloquear el flujo de protones por medio de la ATP sintasa. Los desacopladores disocian la oxidación en la cadena respiratoria, de la fosforilación. Estos compuestos son tóxicos in vivo, lo que hace que la respiración se torne incontrolada. El desacoplador mas usado es el 2,4-dinitrofenol.
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Ciclo de Krebs El ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, esta ruta metabólica es la tercera etapa de la respiración celular, el proceso de energía en las células. Forma parte de la repiración aerobia, requiere de oxígeno, y se desarrolla entre los procesos de glucólisis y cadena respiratoria; es una secuencia de reacciones en las mitocondrias que oxidan la porción acetilo de la acetilCoA y reducen coenzimas que se reoxidan por medio de la cadena de transporte de electrones, enlazada a la formación de ATP. El ciclo de krebs es la vía común final para la oxidación de carbohidratos, lípidos y proteínas ya que se metabolizan hacia acetil-CoA o intermediarios del ciclo. La descarboxilación oxidativa del piruvato es un paso anterior al propio ciclo de Krebs. Durante la glucólisis en el citoplasma se produce el piruvato, que pasa por una etapa de transición para convertirse en acetil CoA para que pueda entrar en el ciclo. El piruvato pasa del citoplasma en las mitocondrias donde el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa lo convierte en acetil coA. La transformación del piruvato en acetil CoA es de gran importancia ya que une la glucólisis y el ciclo de Krebs El ciclo empieza con la reacción entre la porción acetilo de la acetil-CoA y el oxaloacetato, lo que forma citrato. Las reacciones siguientes se liberan dos moléculas de CO2 y se regenera el oxaloacetato. Este proceso es aerobio; requiere oxígeno como el oxidante final de las coenzimas reducidas. Las enzimas del ciclo están ubicadas en la matriz mitocondrial donde también se encuentran
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con las enzimas y coenzimas de la cadena respiratoria.
Reacción 1 La reacción inicial entre la acetil-CoA y el oxaloacetato para formar citrato está catalizada por la citrato sintasa. Reacción 2 La enzima aconitasa isomeriza el citrato hacia isocitrato; esta reacción ocurren en 2 pasos: deshidratación hacia cisaconitato, y rehidratación hacia isocitrato. El veneno fluoroacetato es tóxico por que la fluoroacetil-CoA se condensa con oxaloacetato para formar fluorocitrato, que inhibe la aconitasa, lo que hace que se acumule el citrato. Reacción 3 El isocitrato pasa por deshidrogenación catalizada por la isocitrato deshidrogenasa para formar, en un inicio, oxalosuccinato, que permanece unido a la enzima y pasa por descarboxilación hacia α-cetoglutarato. Reacción 4 El α-cetoglutarato pasa por descarboxilación oxidativa en una reacción catalizada por un
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complejo de múltiples enzimas. El complejo de α-cetoglutarato deshidrogenasa origina la formación de succinil-CoA. La arsenita inhibe la reacción, lo que hace que se acumule el sustrato, α-cetoglutarato. Reacción 5 La succinil-CoA se convierte en Succinato mediante la enzima succinato tiocinasa. Reacción 6 La primera reacción de deshidrogenación, que formar fumarato, es catalizada por la succinato deshidrogenasa.
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Reacción 7 La fumarasa cataliza la adición de de agua a través del doble enlace del fumarato, lo que produce malato. Reacción 8 La malato deshidrogenasa convierte al malato en oxaloacetato. Cada vuelta del ciclo genera 12 ATP.
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UNIDAD VI: CARBOHIDRATOS Importancia biomédica
las gluco- proteínas y los proteoglucanos.
Los carbohidratos son la fuente primaria de energía química necesaria para el correcto funcionamiento celular. Además de su función como proveedores de energía, los carbohidratos forman parte de los materiales de construcción de diversos constituyentes celulares.
Para la conversión de glucosa en energía útil para la célula (ATP), esta tiene que ser oxidada a partir de procesos metabólicos con ayuda de diversos complejos enzimáticos. Las fallas en los mecanismos de regulación del metabolismo, deficiencias enzimáticas y diversos desequilibrios a nivel celular relacionados con la conversión “glucosa>energía” se relacionan con diversas enfermedades tales como diabetes mellitus, galactosemia, enfermedades por depósito de glucógeno, e intolerancia a la lactosa.
En la economía de la célula, los carbohidratos sirven como combustible. Los carbohidratos que son utilizados directamente por la célula para esta función son carbohidratos que, de acuerdo a su tamaño y con ayuda del sistema de transporte activo, pueden atravesar la membrana plasmática para que puedan transformarse en energía útil para la célula. La glucosa es el carbohidrato más importante; casi todo el carbohidrato de la dieta se absorbe hacia el torrente sanguíneo como glucosa formada a partir de otros carbohidratos más complejos (hidrólisis del almidón y disacáridos de la dieta). Así, la glucosa es el principal combustible metabólico de mamíferos (excepto de los rumiantes), y un combustible universal del feto durante el embarazo. Una vez que ha cumplido con su papel de principal proveedor de energía , el organismo es capaz de transformarla a otros carbohidratos que tienen funciones altamente especificas, por ejemplo, glucógeno para almacenaje; ribosa en los ácidos nucleicos; galactosa en la lactosa de la leche y en ciertos lípidos complejos y, combinada con proteínas en
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Los carbohidratos están compuestos por unidades más simples a su estructura completa. Estas unidades de carbono pueden unirse (polimerizarse) para producir moléculas complejas mas grandes que, a su vez, pueden separarse de nuevo para producir sus unidades básicas de formación a voluntad de la propia célula. Los procesos de síntesis (construcciónpolimerización) y degradación (separación) del metabolismo de los carbohidratos pueden entenderse a partir de la clasificación de los carbohidratos en base a el numero de unidades de carbono que lo conforman.
Clasificación de los Carbohidratos 1.- Monosacáridos: son aquellos carbohidratos que no pueden ser hidrolizados en moléculas más sencillas.
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Pueden subdividirse en triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, heptosas u octosas, dependiendo de la cantidad de átomos de carbón que contengan; y como aldosas y cetosas dependiendo si tienen o no grupo aldehido o cetona en su estructura. 2.- Disacáridos: Se producen de dos moléculas del mismo o de diferentes monosacáridos cuando se unen entre si: ejemplos de estos compuestos son la maltosa, que produce dos moléculas de glucosa, y la sucrosa, que produce una inolécula de glucosa y una de fructosa.
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conformada por dos monómeros, uno de ellos o ambos, glucosa. Al ser hidrolizados, estos disacáridos se degradan hacia glucosa que puede ser utilizada para obtención de energía. 3.- Oligosacaridos: son productos de condensación de 3 a 10 monosacáridos. Casi ninguno es digerido por las enzimas del ser humano. 4.- Polisacaridos: Son productos de condensación de más de 10 unidades de monosacáridos; los ejemplos son los al midones y las dextrinas, que pueden ser polímeros lineales o ramificados. Los polisacáridos a veces se clasifican como hexosanos o pentosanos, dependiendo de la identidad de los monosacáridos que los constituyen (hexosas y pentosas, respectivamente).
Fig. 6.1 Estructura de la Lactosa. Disacárido.
Estos disacáridos tienen diferentes funciones específicas: 1) Algunos son azúcares reductores 2) Son necesarios en la dieta ya que son fuente de energía 3) Para utilizarlos como fuente de energía, los disacáridos son hidrolizados por enzimas que tapizan el intestino delgado 4) La hidrolisis de los disacáridos puede dar lugar a la formación de glucosa, fructosa, galactosa, que son la fuente de energía inmediata para las células. El punto 4) puede explicarse gracias a esta clasificación. La fructosa y galactosa son disacáridos cuya estructura está
Fig. 6.2 Diferentes tipos de Polisacaridos
Además de almidones y dextrinas, los alimentos contienen una amplia variedad de otros polisacáridos que se conocen en conjunto como polisacáridos no almidón; las enzimas de ser humano no los digieren, y son el principal componente de la fibra en la dieta. Los ejemplos son celulosa (un polímero de glucosa) de paredes de células vegetales, e inulina (un polímero de fructosa), el carbohidrato de almacenamiento en algunos vegetales.
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En la tabla 6.1 se pueden observar diversas funciones de los polisacáridos en la naturaleza y el cuerpo humano.
Metabolismo de carbohidratos: Digestión. Los carbohidratos de la dieta de los que los humanos tomamos energía entran en el organismo en una forma compleja, en forma de monosacáridos, disacáridos, polímetros de almidón (amilasa y amilopectina) y glicógeno. El polímero celulosa (también formado por glucosas) también es consumido pero no digerido.
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Tabla 6.1 Función de los Polisacaridos.
de la amilasa lingual está limitada a la boca y esófago; es virtualmente inactivada por el pH más fuerte del estomago. Una vez que la comida ha llegado al estómago, la hidrólisis ácida contribuye a la degradación: proteasas y lipasas gástricas ayudan a la digestión de la comida. La mezcla de las secreciones gástricas, saliva, y comida se llama colectivamente quimo, y se mueve hacia el intestino delgado.
El primer paso en el metabolismo de los carbohidratos que se pueden digerir es la conversión de grandes polímeros a estructuras más simples, formas solubles que puedan ser transportados a través del intestino para ser distribuidos a los tejidos. La digestión de los polímeros de carbohidratos se inicia en la boca. La saliva tiene un pH un poco acídico 6.8 y contiene a la amilasa lingual que inicia la degradación de los carbohidratos. La acción 29
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Fig. 6.3 Digestión y absorción de nutrientes
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La enzima más importante para degradar los polímeros de carbohidratos en el intestino delgado es la α-amilasa. Esta enzima es secretada por el páncreas y tiene la misma actividad que la amilasa de la saliva, produciendo disacáridos y trisacáridos. Estos últimos son convertidos a monosacáridos por sacaridasas intestinales, incluyendo maltasas, que hidrolizan di- y trisacáridos, y las enzimas más especificas las disacaridasas, sucrasa, lactasa, y trealasa. El resultado neto es la conversión casi completa de los carbohidratos digeribles a sus componentes monosacáridos. La glucosa resultante y otros carbohidratos simples son transportados a través del epitelio intestinal a la vena portal hepática y luego a las células hepáticas y a otros tejidos. Ahí, estos azucares simples son convertidos a ácidos grasos, aminoácidos, y glicógeno, o sino oxidados por varias vías metabólicas celulares.
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Fig. 6.4 Catabolismo y Anabolismo de nutrientes.
1. Podrá utilizarse como combustible para el metabolismo aeróbico o anaeróbico en el caso del músculo; o bien convertirse en glucosa libre en el hígado y liberarse seguidamente a la sangre. 2. Almacenarse en forma de glucógeno en el hígado. 3. Procesarse por la víA de las Pentosa Fosfato.
La glucosa se fosforila para poder entrar a cualquier vía metabólica a glucosa 6 fosfato, donde :
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para pasar a CO2 y Agua, proceso durante el cual se libeTa energía en forma de ATP (Adenosin trifosfato).
Fig. 6.5 Estructura del ATP
Glucolisis: Metabolismo de la glucosa. Como hemos mencionado anteriormente, la glucosa es un carbohidrato esencial en la dieta ya que al pasar por un proceso de oxidación es capaz de aportar de la energía necesaria para realizar todas las funciones biológicas. La oxidación es un proceso mediante en el cual se añaden moléculas de oxígeno a una molécula o bien se le extraen electrones, por lo que no siempre la oxidación es vinculada al oxígeno. Estos procesos requieren de alguna manera el transporte de oxígeno y electrones de un lugar a otro. Así , toda reacción de oxidación debe acompañarse de reducción (eliminación de oxígeno o adhesión de hidrógeno o electrones a una sustancia) En el cuerpo humano, los carbohidratos sirven como combustible y son oxidados
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El ATP puede compararse a un acumulador “cargado” con energía disponible para el trabajo celular. De manera que al proporcionar la energía, el ATP cede electrones para permitir las reacciones metabólicas, y se oxida hacia una molécula mas sencilla conocida como ADP (Adenosin Difosfato). Al romper los enlaces entre los grupos fosfato de la molécula de ATP existe liberación de energía asimilada por la célula. La obtención de energía se da a partir de 3 o 4 pasos importantes, uno después de otro, trabajando como un metabolismo en cadena para la formación de ATP:
Fig. 6.6 Transporte de a Energía del ATP y formación de ADP después de ceder electrones.
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1. Glucolisis (oxidación de la glucosa) 2. Formación de Acetil CoA 3. Ciclo del ácido cítrico (Ciclo de Krebs) 4. Cadena respiratoria (Fosforilación Oxidativa) De tal manera que podemos definir a la Glucolisis como el proceso metabólico por el cual la célula es capas de obtener ATP a partir de la oxidación de la glucosa.
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produce por un aumento de la producción de Lactato a través de Glucolisis.
A traves de diversos complejos enzimáticas, la molécula de glucosa será oxidada, y los electrones perdidos se unirán a diversas moléculas que los transportarán para transformarlos en ATP. La glucosa es oxidada a lactato o piruvato. Bajo condiciones aeróbicas, el producto dominante en la mayoría de tejidos es el piruvato y la vía metabólica se conoce como glicólisis aeróbica. La capacidad de la glucólisis para proporcionar ATP en ausencia de oxígeno tiene especial importancia, porque esto permite al músculo estriado tener un desempeño a cifras muy altas de gasto de trabajo cuando el aporte de oxígeno es insuficiente, y permite a los tejidos sobrevivir a episodios de anoxia. Las enfermedades en las cuales hay deficiencia de las enzimas de la glucólisis (p. ej., piruvato cinasa) se observan sobre todo como anemias hemolíticas o, si el defecto afecta el músculo estriado (p. ej., fosfofructocinasa), como fatiga. En las células cancerosas en crecimiento rápido, la glucólisis procede a un índice alto, formando grandes cantidades de piruvato, el cual es reducido hacia lactato y exportado. Esto produce un ambiente local hasta cierto punto ácido benéfico para el desarrollo del tumor. La acidosis láctica se
Fig. 6.6 Glucólisis
Fig. 6.7 Síntesis del Glucógeno
Metabolismo del Glucógeno. Se dice que una vez que la célula satisface sus necesidades de aporte energético, esta es capaz de almacenar la glucosa restante para utilizarla en un momento en el que
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se detenga la ingesta calórica o bien se requiera energía extra. Si el azúcar (glucosa) en la célula no es utilizada de inmediato, puede salir y perderse. En cambio, si se retiene, contribuye a aumentar la presión osmótica en la célula. Para almacenarla y evitar que se pierda, la glucosa debe ser convertida en una forma estructural en la que no pueda pasar por la membrana y no pueda salir. La célula almacena carbohidratos en forma de moléculas grandes e insolubles como almidón y glucógeno. Para convertirse en glucógeno y quedar almacenada, complejos multienzimáticos se encargan de ramificar grandes cantidades de monómeros de glucosa en una estructura compleja que permite su almacenamiento, principalmente en el músculo. El glucógeno hepático funciona para almacenar glucosa y exportarla para mantener la concentración de glucosa en sangre durante el estado de ayuno.
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La concentración de glucógeno en el hígado es de alrededor de 450 mM después de una comida; disminuye a alrededor de 200 mM tras ayuno de toda la noche; luego de 12 a 18 horas de ayuno, el glucógeno hepático está agotado casi en su totalidad.
Gluconeogénesis: En ocasiones, los niveles de energía requeridos por la célula son tan altos que la energía aportada por la glucosa no es suficiente. Después de haber destinado toda la glucosa disponible para la obtención de energía y al acabar las reservas del cuerpo (glucógeno almacenado), el organismo es capaz de utilizar otras Biomoléculas adquiridas en la dieta, transformándolas primero en intermediarios capaces de cumplir con el aporte de energía que el cuerpo necesita. De tal manera, que tras un ayuno prolongado de 24 horas, el organismo comenzará a consumir todas sus reservas no solo de carbohidratos, si no también de lípidos y proteínas esenciales para el funcionamiento celular.
Fig. 6.8 Glucogénesis
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De tal manera que aminoácidos, ácidos grasos y glicerol que son productos de la digestión de lípidos y proteínas, pueden ser transformados por diversas vías gluconeogénicos en tres puntos principales: 1) Formación de piruvato: capaz de convertirse en Acetil CoA y entrar al ciclo de Krebs para producir energía 2) Acetil CoA: que se dirija a Krebs. 3) Intermediarios del ciclo de Krebs: para dar mas energía.
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UNIDAD VII:LÍPIDOS Los lípidos son un grupo de compuestos heterogéneo, que incluye grasas, aceites, esteroides, ceras y compuestos relacionados más por sus propiedades físicas que por sus propiedades químicas. Tienen la propiedad común de ser: 1) relativamente insolubles en agua 2) solubles en solventes no polares Son importantes constituyentes de la dieta no sólo debido a su alto valor energético, sino también debido a las vitaminas liposolubles y los ácidos grasos esenciales contenidos en la grasa de alimentos naturales. Las combinaciones de lípido y proteína (lipoproteínas) sirven como el medio para transportar lípidos en la sangre. Los lípidos tienen funciones esenciales en la nutrición y la salud, y el conocimiento de la bioquímica de los lípidos es necesario para entender muchas enfermedades biomédicas.
8.1 Clasificación de Lípidos 1. Lípidos simples: ésteres de ácidos grasos con diversos alcoholes. • Grasas: ésteres de ácidos grasos con glicerol. Los aceites son grasas en el estado líquido. • Ceras: ésteres de ácidos grasos con alcoholes monohídricos de masa molecular relativa (peso molecular) más alta. 2. Lípidos complejos: ésteres de ácidos grasos que contienen grupos además de un alcohol y un ácido graso.
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• Fosfolípidos: lípidos que contienen, además de ácidos grasos y un alcohol, un residuo ácido fosfórico. A menudo poseen bases que contienen nitrógeno y otros sustituyentes, por ejemplo, en los glicerofosfolípidos el alcohol es glicerol, y en los esfingofosfolípidos el alcohol es la esfingosina. • Glucolípidos (glucoesfingolípidos): lípidos que contienen un ácido graso, esfingosina y carbohidrato. • Otros lípidos complejos: lípidos como sulfolípidos y aminolípidos. • Las lipoproteínas también pueden colocarse en esta categoría. 3. Lípidos precursores y derivados: comprenden ácidos grasos, glicerol, esteroides, otros alcoholes, aldehídos grasos, cuerpos cetónicos. Unidad Organizacional de los Lípidos: el Ácido Graso Son ácidos carboxílicos, contienen un grupo carboxilo en el átomo de C1. Se comportan como ácidos débiles. La cadena hidrocarbonada consiste de 4 a 36 átomos de carbono. Existen dos tipos de ácidos grasos según la presencia o no de dobles enlaces en la cadena hidrocarbonada: • Ácidos grasos saturados sin dobles enlaces • Ácidos grasos insaturados con dobles enlace
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Los Ácidos Grasos Saturados no Contienen Dobles Enlaces Los ácidos grasos saturados pueden imaginarse como basados en ácido acético (CH3—COOH) en la cual se agrega de manera progresiva —CH2— entre los grupos CH3— y —COOH terminales. • Presentan conformación extendida. • Rotan alrededor de los enlaces carbono -carbono sencillos. • Forman agregados estables (empaquetamiento). • Estabilizan los agregados por interacciones de Van der Waals entre las cadenas hidrocarbonadas. • Presentan elevado punto de fusión (Tm); se requieren elevadas temperaturas para separar los ácidos grasos del agregado. • Tienen consistencia sólida a temperatura ambiente (25oC). • Son rigidos. Los Ácidos Grasos Insaturados Contienen Uno o Más Enlaces Dobles
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rotar, excepto el comprometido en el doble enlace. • No se pueden empaquetar tan fácilmente como los ácidos grasos saturados, sus interacciones son más débiles. • Presentan bajo punto de fusión (Tm), se requieren bajas temperaturas para separar los ácidos grasos del agregado. • Presentan consistencia de blanda a líquida a temperatura ambiente. • No son rígidos. Los ácidos grasos insaturados, pueden subdividirse como sigue: 1. Ácidos monoinsaturados (monoetenoide, monoenoico) que contienen un doble enlace. 2. Ácidos poliinsaturados (polietenoide, polienoico), que contienen dos o más dobles enlaces. 3. Eicosanoides: estos compuestos, derivados de ácidos grasos polienoicos eicosa (20 carbonos), incluyen prostanoides, leucotrienos (LT) y lipoxinas (LX). Los prostanoides comprenden prostaglandinas (PG), prostaciclinas (PGI) y tromboxanos (TX).
• No presentan conformación extendida, el doble enlace introduce un ángulo en la estructura de la cadena hidrocarbonada. • Todos los enlaces sencillos carbonocarbono pueden
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Los lípidos tienen la propiedad común de ser relativamente insolubles en agua (hidrofóbicos) pero solubles en solventes no polares. Los lípidos anfipáticos también contienen uno o más grupos polares, lo que hace que sean idóneos como constituyentes de membranas en interfases lípidoagua. Los lípidos de gran importancia fisiológica son los ácidos grasos y sus ésteres, junto con el colesterol y otros esteroides.
8.2 Metabolismo de los lípidos. Digestion y absorbcion de grasas. El objetivo primario de la digestión de los lípidos es hacerlos hidromiscibles y puedan absorberse a través de las microvellosidades intestinales que están recubiertas por una capa acuosa. La separación mecánica de los lípidos comienza en el estómago por efecto de los movimientos peristálticos, continúa en el duodeno a donde llega una grosera emulsión de grasa que se irá hidrolizando gracias a la acción combinada de las lipasas pancreáticas y de las sales biliares, facilitando la acción de las enzimas pancreáticas. La hidrólisis de los triglicéridos aun así no es total sino que se forman unas micelas de monoglicéridos, ácidos grasos y ácidos biliares, transportan los lípidos hasta las células de la mucosa intestinal donde son posteriormente absorbidas. Absorción intestinal de los lípidos Los fosfolípidos y los ácidos grasos procesados son digeridos y absorbidos a través de la pared del intestino. La bilis secretada por el hígado y las secreciones pancreáticas (ricas en enzimas y en especial
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las lipasas pancreáticas y bicarbonato) se mezclan con el contenido del intestino delgado. Las secreciones biliares en especial los ácidos glicocólico, taurocólico y cólico son esenciales para preparar los lípidos para absorción, formando partículas mezclables con agua que pueden entrar en las células intestinales. En las células intestinales la mayor parte de los ácidos grasos se ligan con glicerol (proveniente de la glucosa de la sangre) para formar triglicéridos. Los triglicéridos, algunos ácidos grasos libres, colesterol y otras sustancias relacionadas con lípidos se recubren con proteínas para formar lipoproteínas ricas en triglicéridos, también llamados lipoproteínas de baja densidad. Las lipoproteínas ricas en triglicéridos entran en los vasos linfáticos y de allí pasan al canal torácico (donde el sistema linfático se conecta con la sangre) y así llegan a la sangre. En contraste con la mayoría de nutrientes absorbidos en el tracto gastrointestinal los lípidos absorbidos no van al hígado sino que entran directamente a la circulación general. Así los lípidos absorbidos pueden ser utilizados por todos los tejidos del cuerpo sin ser procesados por el hígado. Catabolismo de los lípidos El principal mecanismo de obtención de energía de los lípidos (sustancias con muy alto valor calórico) lo constituye la oxidación de los ácidos grasos, que se obtienen de los triglicéridos mediante hidrólisis por lipasas específicas. Éstos siempre podrán entrar en el ciclo de Krebs, por lo que cuanto más largo sea el ácido graso mayor cantidad de energía se obtendrá en su oxidación. En el caso de los mamíferos, los ácidos grasos (en forma de triglicéridos) tienen
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una importancia capital como almacén y fuente de energía. El principal mecanismo de obtención de energía de los lípidos lo constituye la llamada beta-oxidación de los ácidos grasos. Los ácidos grasos se unirán a una molécula de coenzima A (CoA) en el citoplasma, quedando activados como acilCoA. De esta forma pasan a la mitocondria, donde sufren el proceso denominado b-oxidacion. Los ácidos grasos se oxidan completamente hasta dióxido de carbono y agua. El resultado de cada ciclo oxidativo de la beta-oxidación de los ácidos grasos es la formación de equivalentes reductores (FADH2 y NADH), una molécula de acetil-coenzima A y una molécula de acilcoenzima A dos carbonos más corta. El acetil-coenzima A se incorpora al ciclo de Krebs para continuar su degradación.
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