1

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Agua es una sustancia líquida formada por la combinación de dos volúmenes de hidrógeno y un volumen de oxígeno, que constituye el componente más abundante en la superficie terrestre. El agua químicamente pura es un líquido inodoro, insípido e incoloro.

Es la única sustancia que existe a temperaturas ordinarias en los tres estados de la materia: sólido, líquido y gas. El agua es, quizá el compuesto químico más importante en las actividades del hombre y también más versátil.

Su excepcional importancia, desde el punto de vista químico, reside en que casi la totalidad de los procesos químicos que ocurren en la naturaleza, no solo en organismos vivos, sino también en la superficie no organizada de la tierra, así como los que se llevan a cabo en el laboratorio y en la industria, tienen lugar entre sustancias disueltas en agua, esto es en disolución. Normalmente se dice que el agua es el disolvente universal, puesto que todas las sustancias son de alguna manera solubles en ella. No posee propiedades ácidas ni básicas, combina con ciertas sales para formar hidratos, reacciona con los

óxidos de metales formando ácidos y actúa como catalizador en muchas reacciones químicas. Características de la molécula de agua: La molécula de agua libre y aislada, formada por un átomo de Oxigeno unido a otros dos átomos de Hidrogeno es triangular. El ángulo de los dos enlaces (H-O-H) es de 104,5º y la distancia de enlace O-H es de 0,96 A. Puede considerarse que el enlace en la molécula es covalente, con una cierta participación del enlace iónico debido a la diferencia de electronegatividad entre los átomos que la forman. La atracción entre las moléculas de agua tiene la fuerza suficiente para producir un agrupamiento de moléculas. La fuerza de atracción entre el hidrógeno de una molécula con el oxígeno de otra es de tal magnitud que se puede incluir en los denominados enlaces de Puente de Hidrógeno. Estos enlaces son los que dan lugar al aumento de volumen del agua sólida y a las estructuras hexagonales.

Importancia Biológica

La vida como sabemos transcurre en soluciones acuosas, se originó en el agua. El agua es tan familiar para los seres vivos que nosotros los humanos generalmente la consideramos como un fluido muy simple, pero las propiedades físicas y químicas del agua son de hecho muy exóticas y tienen profundos significados para la Biología, sus propiedades son muy importantes para el funcionamiento celular, de hecho están directamente relacionadas con las

La polaridad de la molécula del Agua y su importancia biológica

2

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

propiedades de las biomoléculas y, por tanto, con el metabolismo.

Las estructuras de las macromoléculas que conforman a los seres vivos resultan de las interacciones con el medio acuoso que las contiene. Por lo tanto no es de sorprenderse que el agua sea la sustancia más abundante en los sistemas biológicos, de hecho más del 70% de los seres vivos está formado por agua. No olvidar que el agua aunque es un compuesto vital, por si misma carece de vida.

El estudio de las propiedades del agua es central para la Bioquímica por las siguientes razones:

A. Casi todas las biomoléculas asumen sus formas, y por tanto sus funciones en respuesta a las propiedades físicas y químicas del agua.

B. El agua es el medio de la mayoría de las reacciones bioquímicas. Los productos y reactivos de las reacciones metabólicas, los nutrientes y los productos de desecho, dependen del agua para su transporte en el interior y exterior celular.

C. El agua por si misma participa en muchas reacciones químicas que participan en la vida. Frecuentemente los componentes iónicos del agua, los iones H+ y OH-, son reactivos. De hecho la reactividad de muchos grupos funcionales de las biomoléculas, dependen de la concentración de estos iones en los alrededores.

D. La oxidación del agua para producir oxígeno molecular, O2, es la reacción fundamental de la fotosíntesis, en donde la energía del sol es almacenada químicamente para soportar la vida.

El agua líquida es más densa que el hielo a presión y temperatura estándar. Existe un

cambio positivo en el volumen después del congelamiento, lo que ocasiona que el hielo flote. Si el hielo no flotara, la vida acuática en cuerpos de agua como lagos y en los polos terrestres, no existiría pues estos cuerpos de agua se congelarían desde el fondo hacia la superficie, de hecho, lo contrario, la capa de hielo que se forma sobre estos cuerpos de agua, resulta en un aislante térmico. Debido a su constante de ionización, el agua posee una conductividad elevada. Debido a esta característica el agua participa activamente en la conducción de señales eléctricas en el sistema nervioso. Muchas de las características que hacen al agua un líquido tan particular, se deben a su capacidad de hacer puentes de Hidrógeno.

El agua es uno de los solventes más polares que existen, esto se debe a la presencia de un átomo muy electronegativo, el Oxígeno, y dos muy poco electronegativos, los Hidrógenos en la molécula. La consecuencia de lo anterior, es que moléculas o partículas cargadas eléctricamente son fácilmente disociadas en presencia de agua. La ionización sucede por que las fuerzas coulómbicas entre las cargas opuestas son débiles y, por tanto, se rompen fácilmente. Estas fuerzas son proporcionales a q+q-/er2, en donde e es la constante dieléctrica, q+ y q- son la carga catiónica y aniónica respectivamente. Esta observación es muy importante para los sistemas biológicos pues la diferencia en los gradientes iónicos es la base energética y funcional de muchos procesos. Tiene una tensión superficial elevada, esto hace que en los procesos biológicos, se utilicen moléculas tipo detergente (anfifílicas) para modificarla. Los surfactantes pulmonares por ejemplo, decrecen el trabajo necesario para abrir los espacios alveolares que permiten el intercambio gaseoso eficiente, la ausencia de estas substancias, ocasiona enfermedades severas y la muerte. Posee una capacidad calorífica muy elevada, es necesaria una gran cantidad de calor para elevar su temperatura 1.0 °K. Para los sistemas biológicos esto es muy importante pues la temperatura celular se

3

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

modifica muy poco como respuesta al metabolismo. De la misma forma, los organismos acuáticos, si el agua no

poseyera esa cualidad, se verían muy afectados o no existirían.

Los solutos que son solubles en agua pueden clasificarse como electrolitos y no electrolitos.

Electrolitos son aquellas especies que en disolución acuosa conducen la corriente eléctrica. Presentan un comportamiento anormal respecto a las propiedades coligativas. Los electrolitos fuertes son sustancias que conducen bien la electricidad en disoluciones acuosas diluidas. Los electrolitos débiles conducen la electricidad muy poco en disoluciones acuosas. La corriente eléctrica se conduce a través de la disolución acuosa por movimiento de iones. No electrolito: son aquellas especies que en disolución acuosa no conducen la corriente eléctrica. Presentan comportamiento normal respecto de las propiedades coligativas.

La disociación es el proceso por el cual un compuesto iónico se separa en sus iones en disolución, por ejemplo NaCl.

La ionización es el proceso por el cual un compuesto molecular se separa formando iones en disolución, por ejemplo HCl.

En 1680 Robert Boyle notó que los ácidos disolvían muchas sustancias, cambiaban el color de algunos tintes naturales y perdían sus propiedades características cuando se mezclaban con álcalis. En 1814 J. Gay-Lussac concluyó que los ácidos neutralizaban a las bases y que los dos tipos de sustancias deberían definirse en términos de sus reacciones entre sí.

En 1884 Svante Arrhenius presentó su teoría de disociación electrolítica, y enunció la teoría de las reacciones ácido base, considerando ácido a las sustancias que contiene hidrógeno y en disolución acuosa producen iones H+; y base a las sustancias que contienen el grupo hidroxilo y producen iones HO- en disolución acuosa.

Aunque Arrhenius describió a los iones H+ en agua como iones aislados (protones), sabemos que en solución existen en forma de H(H2O)n+ donde n es un número entero y pequeño (entre 1 y 6). Esto es debido a la atracción de los iones H+ sobre el oxígeno de las moléculas de agua. En este texto usaremos la expresión H+ por simplicidad, pero tendremos presente que se halla hidratado.

En 1923 J. N. Brønsted y T. M. Lowry presentaron independientemente sus teorías ácido base, pero como resultaron muy parecidas, la unificaron como la teoría de Brønsted y Lowry.

En ese mismo año G. N. Lewis presentó una teoría ácido base más completa. Un ácido es cualquier especie que puede aceptar compartir un par de electrones. Una base es cualquier especie que puede donar un par de electrones.

Dado que muchas reacciones químicas importantes ocurren en disolución acuosa, o en contacto con el agua, usaremos la teoría de Brønsted y Lowry debido a que resulta especialmente útil.

Equilibrio ácido-base

4

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Ácidos y Bases

De acuerdo con la teoría clásica de la ionización electrolítica desarrollada por Arrenhius, los electrolitos disueltos en agua, se disocian directamente en partículas cargadas (positivas y negativas) llamadas iones.

Para Química Analítica, son de gran interés aquellos electrolitos cuyos iones provocan que la disolución sea ácida ó básica. De acuerdo con la misma teoría, los iones que dan origen al comportamiento ácido son los protones y los iones hidróxido provocan el comportamiento alcalino.

Por lo tanto, ácidos son los electrolitos que en disolución acuosa liberan iones hidrógeno, y bases son los que liberan iones hidróxido.

El equilibrio ácido - base se puede representar por medio de las ecuaciones siguientes:

Ácido → anión + H+

Base →catión + OH-

Esta teoría clásica explica satisfactoriamente muchos de los hechos observados para los equilibrios ácido - base en disolución acuosa.

Sin embargo, en disolución no acuosa, se observaron algunos fenómenos no explicados por esta teoría.

Un tratamiento correcto de los equilibrios ácido - base en solución acuosa y no acuosa fue dado por Brönsted e independientemente por Lowry en 1923.

Teoría de Brösnted y Lowry

Acido: especie química que cede un protón y genera una base conjugada.

Base: especie química que acepta un protón y genera un ácido conjugado.

Un par ácido base conjugado consiste en dos especies relacionadas entre sí por la donación y aceptación de un simple ion hidrógeno: HA / A– y B/ BH+. De la definición anterior se deduce que un ácido posee un H+ más que su base conjugada. En consecuencia, un ácido puede ser un catión, una molécula ó un anión, ocurriendo lo mismo para las bases.

Como toda reacción de equilibrio químico, la ionización de los ácidos y bases débiles está gobernada por una constante termodinámica, que en rigor debe expresarse como relación de actividades de las especies, pero para disoluciones diluidas se puede usar concentraciones como aproximación.

5

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Mantener el pH constante es vital para el correcto desarrollo de las reacciones químicas y bioquímicas que tienen lugar tanto en los seres vivos como, a nivel experimental, en el laboratorio. Los amortiguadores (también llamados disoluciones amortiguadoras, sistemas tampón o buffers) son aquellas disoluciones cuya concentración de protones apenas varía al añadir ácidos o bases fuertes.

Los amortiguadores más sencillos están formados por mezclas binarias de un ácido débil y una sal del mismo ácido con una base fuerte (por ejemplo, ácido acético y acetato sódico), o bien por una base débil y la sal de esta base con un ácido fuerte (por ejemplo, amoníaco y cloruro amónico).

La concentración de protones del agua pura experimenta una elevación inmediata cuando se añade una mínima cantidad de un ácido cualquiera. A un litro de agua neutra (pH 7) basta añadirle 1 ml de HCl 10M para que el pH descienda 5 unidades. En cambio, si esta misma cantidad de ácido se añade a 1 litro de disolución amortiguadora formada por HAc/AcNa 1M, el pH desciende en una centésima, o sea, quinientas veces menos.

MECANISMO DE LA ACCIÓN AMORTIGUADORA

Supongamos un amortiguador constituido por un ácido acético (ácido débil) y acetato sódico (sal de ácido débil y base fuerte). El ácido estará parcialmente disociado según la ecuación:

Aplicando la ley de acción de masas:

PROPIEDADES DE LOS AMORTIGUADORES

Son propiedades que pueden deducirse fácilmente de la fórmula.

1. El pH de una disolución amortiguadora depende de la naturaleza del ácido débil que lo integra (de su pK), de modo que para cantidades equimoleculares de sal y de ácido, el pH es justamente el pK de este ácido. Dicho de otra forma, se puede definir el pK de un ácido débil como el pH del sistema amortiguador que se obtiene cuando [sal] = [ácido].

2. El pH del sistema amortiguador depende de la proporción relativa entre la sal y el ácido, pero no de las concentraciones absolutas de estos componentes. De aquí se deduce que añadiendo agua al sistema, las concentraciones de sal y ácido disminuyen paralelamente, pero su cociente permanece constante, y el pH no cambia. Sin

Sistemas amortiguadores de pH

6

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

embargo, si la dilución llega a ser muy grande, el equilibrio de disociación del ácido se desplazará gradualmente hacia la derecha, aumentando la [sal] y disminuyendo [ácido], con lo cual el cociente aumenta y el pH también, de forma que se iría acercando gradualmente a la neutralidad (pH 7).

3. Cuando se añaden ácidos o bases fuertes a la disolución amortiguadora, el equilibrio se desplaza en el sentido de eliminar el ácido añadido (hacia la izquierda) o de neutralizar la base añadida (hacia la derecha). Este desplazamiento afecta a las proporciones relativas de sal y ácido en el equilibrio. Como el pH varía con el logaritmo de este cociente, la modificación del pH resulta exigua hasta que uno de los componentes está próximo a agotarse.

Amortiguadores fisiológicos

La concentración de protones es una de las constantes del medio interno que se mantiene dentro de límites muy estrechos, porque los cambios del pH provocan graves trastornos en el metabolismo. Para controlar el equilibrio ácido-base del medio interno, los seres vivos disponen de un conjunto de sistemas amortiguadores: los amortiguadores fisiológicos.

Podemos clasificar los amortiguadores fisiológicos en dos grupos: los inorgánicos y los orgánicos. Entre los amortiguadores inorgánicos más importantes están el sistema fosfato monoácido/diácido y el sistema ácido carbónico/bicarbonato. Entre los amortiguadores orgánicos más importantes se encuentran los aminoácidos y proteínas y el sistema hemoglobina reducida/oxihemoglobinato.

FOSFATO MONOSUSTITUIDO/FOSFATO DISUSTITUIDO (H2PO4

-/HPO4=)

El ácido fosfórico (H3PO4), además de formar parte de numerosos compuestos orgánicos (ácidos nucleicos, fosfolípidos, azúcares, etc.) también se encuentra en forma libre, aunque en pequeña proporción. La concentración de iones fosfato en el plasma sanguíneo es de unos 2 mEq/litro.

El ácido fosfórico tiene tres protones disociables según las reacciones:

ÁCIDO CARBÓNICO – BICARBONATO

En este sistema amortiguador tienen lugar 3 equilibrios reversibles entre el CO2 gaseoso de los pulmones y el bicarbonato (HCO3

-) disuelto en la sangre.

En los animales con pulmones, el sistema amortiguador ácido carbónico/bicarbonato es especialmente efectivo. Por un lado, el H2CO3 del plasma sanguíneo está en equilibrio con el CO2 gaseoso presente en el espacio aéreo de los pulmones, lo que supone una reserva prácticamente ilimitada de CO2 que puede participar en el equilibrio. Por otro lado, los cambios en la [HCO3

−] también se puede regular a nivel de los riñones, que pueden eliminar el bicarbonato por la orina o reabsorberlo, según las necesidades.

En este sistema amortiguador, la forma ácido es la suma de la [CO2] disuelto en el plasma y de la [H2CO3], y la forma sal es la [HCO3

−]. El equilibrio se desarrolla según la siguiente reacción:

CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3− + H+

7

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Los procesos metabólicos intracelulares

producen ácidos, es decir, sustancias

capaces de liberar iones H+, por oxidación

de los hidratos de carbono y las grasas; si

es completa da lugar a ácido carbónico

(C03H2) y si es incompleta, a ácidos

orgánicos, como pirúvico, láctico,

acetoacético, betahidroxibutirico, etcétera;

también a expensas de los compuestos

orgánicos de las proteínas (a partir del

fósforo y el azufre que contienen), se

forman ácidos.

De igual manera, se forman sustancias

capaces de aceptar iones H +, llamadas

bases, de lo que resulta la existencia de un

justo equilibrio entre la producción de

unos (ácidos) y otras (bases), lo que

permite un estado normal de neutralidad

de los líquidos corporales.

El equilibrio ácido-base del organismo es

posible merced a la interrelación de tres

sistemas:

1. Tampones intra y extracelulares,

que amortiguan la intensidad de

los cambios agudos del equilibrio

ácido-base.

2. La compensación respiratoria,

íntimamente relacionada con el

sistema anterior.

3. La excreción renal del exceso de

ácidos.

La concentración de iones H+, existentes en

el líquido extracelular, se simboliza por pH,

estando su valor entre 7,35 y 7,45; la vida

humana se desenvuelve entre límites muy

estrechos de pH.

Acidosis

La acidosis es un término clínico que indica

un trastorno hidroelectrolítico que puede

conducir a acidemia, y que viene definido

por un pH sanguíneo inferior a 7.35. La

acidosis puede ser metabólica o

respiratoria.

Con el nombre de acidosis se conoce

aquellas situaciones clínicas en las que

existe una alteración en la que predomina

un aumento en la concentración de

hidrogeniones.

Alteraciones en el equilibrio ácido-base

8

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Acidosis metabólica

Es debida al aumento de hidrógeno que

supera las posibilidades de excreción por el

organismo, que produce una retirada de

bicarbonato de los líquidos.

La acidosis metabólica se produce como

resultado de un aumento marcado en la

producción endógena de ácidos como

ocurre en la cetoacidosis o en la acidosis

láctica, por la pérdida de los depósitos de

bicarbonato como ocurre en las diarreas o

por acumulación progresiva de ácidos

endógenos cuya excreción está alterada

por una insuficiencia renal progresiva.

Acidosis respiratoria

La acidosis respiratoria es debida a

aumento del ácido carbónico circulante, al

no producirse una eliminación normal del

dióxido de carbono por vía respiratoria

como resultado de una hipoventilación

alveolar por insuficiencia respiratoria.

Cuando el CO2 se une con el agua, por

medio de la anhidrasa carbónica se

convierte en ácido carbónico, un ácido

débil que se disocia parcialmente en

bicarbonato y cationes Hidrógeno, estos

iones de hidrógeno son los causantes de

incremento de acidez plasmático. Al

realizarse esto, se libera hidrógeno. El

exceso de hidrógeno disminuye el pH y por

lo tanto el bicarbonato, llevando a una

acidosis metabólica. Una forma para

recordar esto es que, el pH es una medida

de la concentración de cationes Hidrógeno.

Esto quiere decir que cuando aumenta el

pH disminuye el hidrógeno y viceversa. La

disminución de hidrógenos produce

alcalosis metabólica. La alcalosis

respiratoria por su parte se caracteriza por

exceso de eliminación del CO2. Esto impide

su unión con el agua y evita la formación

de hidrógenos, aumentando el pH y

produciendo alcalinización.

Los síntomas de la acidosis respiratoria son

disnea, tos y en casos graves confusión,

irritabilidad, letargo, coma y muerte por

paro cardiorespiratorio.

Alcalosis

La alcalosis (o alcalemia) es un término

clínico que indica un trastorno

hidroelectrolítico en el que hay un

aumento en la alcalinidad (o basicidad) de

los fluidos del cuerpo, es decir, un exceso

de base (álcali) en los líquidos corporales.

Esta condición es la opuesta a la producida

por exceso de ácido (acidosis). Se puede

originar por diferentes causas.

El mecanismo subyacente consiste en la

acumulación de bases o pérdida de ácidos

sin una pérdida equivalente de bases en los

líquidos del organismo, lo que provoca una

reducción en la concentración de iones

hidrógeno en el plasma sanguíneo arterial.

Generalmente se utiliza este término en

aquellos casos en que el pH arterial es

mayor a 7,45.

Siendo los pulmones y los riñones los que

regulan el estado ácido/básico del cuerpo,

la disminución en el nivel de dióxido de

carbono o el aumento del nivel de

bicarbonato son las causas directas de este

fenómeno.

Alcalosis respiratoria

La alcalosis respiratoria se debe a una

ventilación excesiva de los pulmones. Se

produce también cuando una persona

asciende a altitudes elevadas. El bajo

contenido de oxígeno del aire estimula la

respiración, lo que hace que se pierda

9

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

demasiado CO2 y aparezca una alcalosis

respiratoria leve. El riñón trata de

compensar esa alcalosis con un aumento

en la excreción de bicarbonato.

Alcalosis metabólica

La alcalosis metabólica es ocasionada por

un exceso de bicarbonato en la sangre.

La alcalosis hipoclorémica (baja

concentración del ion cloro en el plasma

sanguíneo) es aquella causada por una

deficiencia o pérdida extrema de cloruro

(que puede ser debido a vómitos

persistentes). En esos casos, los riñones

compensan la pérdida de cloruros

mediante la conservación de bicarbonato.

La alcalosis hipopotasemica se debe a la

reacción del riñón a una deficiencia o

pérdida extrema de potasio que puede ser

provocada por el uso de algunos

medicamentos diuréticos.

La alcalosis compensada se presenta

cuando el cuerpo ha compensado

parcialmente la alcalosis, alcanzando el

equilibrio normal ácido/básico, aun cuando

los niveles de bicarbonato y dióxido de

carbono permanezcan anormales en

términos absolutos.

Todos los aminoácidos componentes de las

proteínas son L-alfa-aminoácidos. Por lo

tanto, están formados por un carbono alfa

unido a un grupo carboxilo, a un grupo

amino, a un hidrógeno y a una cadena

(habitualmente denominada Radical

alquilo o arilo) de estructura variable, que

determina la identidad y las propiedades

de los diferentes aminoácidos; existen

cientos de cadenas R por lo que se conocen

cientos de aminoácidos diferentes, pero

sólo 20 forman parte de las proteínas y

tienen codones específicos en el código

genético.

La unión de varios aminoácidos da lugar a

cadenas llamadas polipéptidos o

simplemente péptidos, que se denominan

proteínas cuando la cadena polipeptídica

supera los 50 aminoácidos o la masa

molecular total supera las 5.000 uma.

La estructura general de un aminoácido se

establece por la presencia de un carbono

central alfa unido a: un grupo carboxilo

(rojo en la figura), un grupo amino (verde),

un hidrógeno (en negro) y la cadena lateral

(azul):

"R" representa la cadena lateral, específica

para cada aminoácido. Técnicamente

hablando, se los denomina alfa-

aminoácidos, debido a que el grupo amino

(–NH2) se encuentra a un átomo de

distancia del grupo carboxilo (–COOH).

Como dichos grupos funcionales poseen H

Aminoácidos

10

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

en sus estructuras químicas, son grupos

susceptibles a los cambios de pH; por eso,

al pH de la célula prácticamente ningún

aminoácido se encuentra de esa forma,

sino que se encuentra ionizado.

A los aminoácidos que necesitan ser

ingeridos por el cuerpo se les llama

esenciales; la carencia de estos

aminoácidos en la dieta limita el desarrollo

del organismo, ya que no es posible

reponer las células de los tejidos que

mueren o crear tejidos nuevos, en el caso

del crecimiento. Para el ser humano, los

aminoácidos esenciales son:

Valina (Val, V)

Leucina (Leu, L)

Treonina (Thr, T)

Lisina (Lys, K)

Triptófano (Trp, W)

Histidina (His, H) *

Fenilalanina (Phe, F)

Isoleucina (Ile, I)

Arginina (Arg, R) *

Metionina (Met, M)

A los aminoácidos que pueden ser

sintetizados o producidos mediante la

síntesis de aminoácidos por el cuerpo se

los conoce como no esenciales y son:

Alanina (Ala, A)

Prolina (Pro, P)

Glicina (Gly, G)

Serina (Ser, S)

Cisteína (Cys, C) **

Asparagina (Asn, N)

Glutamina (Gln, Q)

Tirosina (Tyr, Y) **

Ácido aspártico (Asp, D)

Ácido glutámico (Glu, E)

Los aminoácidos proteicos, canónicos o

naturales son aquellos que están

codificados en el genoma; para la mayoría

de los seres vivos son 20: alanina, arginina,

asparagina, aspartato, cisteína,

fenilalanina, glicina, glutamato, glutamina,

histidina, isoleucina, leucina, lisina,

metionina, prolina, serina, tirosina,

treonina, triptófano y valina.

Sin embargo, hay unas pocas excepciones:

en algunos seres vivos el código genético

tiene pequeñas modificaciones y puede

codificar otros aminoácidos. Por ejemplo:

selenocisteína y pirrolisina.

¿Cuales son las funciones básicas de los

aminoácidos?

Todos los aminoácidos participan en la

síntesis de las proteínas pero a la vez cada

uno de ellos tiene una serie de funciones

muy concretas.

Ácido Glutámico: sirve principalmente

como "combustible" del cerebro y ayuda a

absorber el exceso de amoníaco (afecta a

las funciones cerebrales)

Alanina: es uno de los aminoácidos no

esenciales que interviene en el

metabolismo de la glucosa.

Arginina: interviene en los procesos de

detoxificación del organismo, en el ciclo de

la urea y en la síntesis de creatinina.

Estimula la producción y liberación de la

hormona de crecimiento.

Asparagina: este tipo de aminoácidos se

forma a partir del ácido aspártico. Ayuda

también a eliminar el amoníaco del

organismo actúa (protegiendo así el

sistema nervioso) y mejora la resistencia a

la fatiga.

Carnitina: este aminoácido colabora en

disminuir niveles altos de colesterol; puede

prevenir o mejorar arritmias cardíacas y

también es útil en algunos casos de

sangrado de encías y piorreas.

11

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Cisteína: ayuda al organismo a eliminar los

metales pesados. Es uno de los

aminoácidos que interviene en el

crecimiento y la salud del cabello y

también forma parte del factor de

tolerancia a la glucosa.

Citrulina: participa en el ciclo de la urea y

síntesis de creatinina

Fenilalanina: pertenece al grupo de

aminoácidos que ayudan a nuestro

organismo a mantener niveles adecuados

de endorfinas que son responsables de la

sensación de bienestar. Este aminoácido

reduce el apetito desmesurado y ayuda a

calmar el dolor.

Glicina: facilita al cuerpo la creación de

masa muscular (útil para la distrofia

muscular) Útil para tratar la hipoglucemia y

para la hiperactividad gástrica.

Glutamina: puede ayuda a mejorar el

coeficiente intelectual y diversos

problemas mentales (desánimo, principios

de demencia senil, etc.) De entre los

aminoácidos destaca por ser de ayuda para

combatir la adicción al alcohol.

Histidina: es un aminoácido precursor de la

histamina. Puede ayudar a mejorar en

algunos casos la artritis reumatoidea,

síntomas alérgicos y úlceras.

Isoleucina: interviene en la síntesis de

hemoglobina y mantiene el equilibrio de la

glucosa en la sangre. Interviene en la

producción de energía y reparación del

tejido muscular.

Leucina: junto a otros aminoácidos como la

Isoleucina interviene en la formación y

reparación del tejido muscular. Colabora

en la curación de la piel y huesos

Lisina: participa junto con la metionina en

la síntesis del aminoácido carnitina y ayuda

a tratar o prevenir los herpes. Incrementa

con la arginina, la producción de la

hormona de crecimiento.

Metionina: su déficit puede ocasionar

algunos tipos de edemas, colesterol y

pérdida de cabello.

Ornitina: colabora, como otros

aminoácidos, en el metabolismo de la

glucosa. En este caso lo hace estimulando

la liberación de insulina. También puede

ayudar a fabricar masa muscular.

Prolina: como otros aminoácidos interviene

en la síntesis de neurotransmisores

cerebrales relacionados con el alivio de la

depresión temporal y colabora también en

la síntesis de colágeno.

Serina: interviene en el metabolismo de

grasas y ácidos grasos así como también

hace de recursor de los fosfolípidos (nutren

el sistema nervioso)

Taurina: es uno de los aminoácidos

condicionalmente esenciales y destaca su

función de neurotransmisor cerebral.

Colabora en la degeneración grasa del

hígado.

Tirosina: destaca entre los aminoácidos por

su función de neurotransmisor y puede

ayudar en caso de ansiedad o depresión.

Treonina: ayuda en los procesos de

desintoxicación junto a los aminoácidos

Metionina y Ácido Aspártico. También

participa en la síntesis del colágeno y de la

elastina.

Triptófano: precursor del neurotransmisor

serotonina. Este aminoácido también actúa

como antidepresivo natural, favorece el

sueño y también puede mejorar los casos

de ansiedad. Útil en terapias contra el

alcoholismo.

12

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Valina: favorece el crecimiento y

reparación de los tejidos musculares.

Puede ser, dentro de los aminoácidos, muy

útil para reducir el apetito y la bulimia.

Las proteínas son macromoléculas

compuestas por carbono, hidrógeno,

oxígeno y nitrógeno. La mayoría también

contienen azufre y fósforo. Son

compuestos muy complejos formados por

cadenas de cientos y miles de aminoácidos

unidos entre sí por enlaces peptídicos. Si

bien sólo los aminoácidos son 20, las

posibilidades de combinarlos son infinitas.

Las propiedades de cada una de las

proteínas al igual que su funcionalidad

dependen de la secuencia de aminoácidos

que la formen.

Junto con el DNA, RNA, los polisacáridos y

los lípidos constituyen una de las cinco

biomoléculas complejas presentes en las

células y tejidos. La polimerización de los L-

aminoácidos por síntesis de enlaces

peptídicos contribuye a la formación

estructural de las proteínas.

Clasificación

Debido a sus funciones, se pueden

clasificar en:

1. Catálisis: Está formado por enzimas

proteicas que se encargan de realizar

reacciones químicas de una manera

más rápida y eficiente. Procesos que

resultan de suma importancia para el

organismo. Por ejemplo la pepsina,

esta enzima se encuentra en el sistema

digestivo y se encargan de degradar los

alimentos.

2. Reguladoras: Las hormonas son un tipo

de proteínas las cuales ayudan a que

exista un equilibrio entre las funciones

que realiza el cuerpo. Tal es el caso de

la insulina que se encarga de regular la

glucosa que se encuentra en la sangre.

3. Estructural: Este tipo de proteínas

tienen la función de dar resistencia y

elasticidad que permite formar tejidos

así como la de dar soporte a otras

estructuras. Este es el caso de la

tubulina que se encuentra en el

citoesqueleto.

4. Defensiva: Son las encargadas de

defender al organismo. Glicoproteínas

que se encargan de producir

inmunoglobulinas que defienden al

organismo contra cuerpos extraños, o

la queratina que protege la piel, así

como el fibrinógeno y protrombina que

forman coágulos.

5. Transporte: La función de estas

proteínas es llevar sustancias a través

de todo el organismo donde son

requeridas. Proteínas como la

hemoglobina que lleva el oxígeno por

medio de la sangre.

Proteínas

13

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

6. Receptoras: Este tipo de proteínas se

encuentran en la membrana celular y

llevan a cabo la función de recibir

señales y para que la célula así pueda

realizar su función. El acetilcolina que

recibe señales para producir la

contracción muscular.

Funciones

Las proteínas ocupan un lugar de máxima

importancia entre las moléculas

constituyentes de los seres vivos

(biomoléculas). Prácticamente todos los

procesos biológicos dependen de la

presencia o la actividad de este tipo de

moléculas. Bastan algunos ejemplos para

dar idea de la variedad y trascendencia de

las funciones que desempeñan. Son

proteínas:

Casi todas las enzimas,

catalizadores de reacciones

químicas en organismos vivientes;

Muchas hormonas, reguladores de

actividades celulares;

La hemoglobina y otras moléculas

con funciones de transporte en la

sangre;

Los anticuerpos, encargados de

acciones de defensa natural contra

infecciones o agentes patógenos;

Los receptores de las células, a los

cuales se fijan moléculas capaces

de desencadenar una respuesta

determinada;

La actina y la miosina, responsables

finales del acortamiento del músculo

durante la contracción;

El colágeno, integrante de fibras

altamente resistentes en tejidos de

sostén.

Funciones de reserva. Como la

ovoalbúmina en el huevo, o la caseína

de la leche.

Desnaturalización.

Consiste en la pérdida de la estructura

terciaria, por romperse los puentes que

forman dicha estructura. Todas las

proteínas desnaturalizadas tienen la

misma conformación, muy abierta y

con una interacción máxima con el

disolvente, por lo que una proteína

soluble en agua cuando se

desnaturaliza se hace insoluble en agua

y precipita.

La desnaturalización se puede producir

por cambios de temperatura, (huevo

cocido o frito ), variaciones del pH. En

algunos casos, si las condiciones se

restablecen, una proteína

desnaturalizada puede volver a su

anterior plegamiento o conformación,

proceso que se denomina

renaturalización.

Todas las proteínas realizan

elementales funciones para la vida

celular, pero además cada una de éstas

cuenta con una función más específica

de cara a nuestro organismo.cada 100

g. de alimento.

14

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Se llama fisicoquímica a la parte de la

química que estudia las propiedades físicas

y estructura de la materia, las leyes de la

interacción química y las teorías que las

gobiernan. La fisicoquímica recaba primero

todos los datos necesarios para la

definición de los gases, líquidos, sólidos,

soluciones y dispersiones coloidales a fin

de sistematizarlos en leyes y darles un

fundamento teórico. Luego se establecen

las relaciones de energía en las

transformaciones físicas y químicas y se

tratan de predecir con que magnitud y con

qué velocidad se producen,

determinándose cuantitativamente los

factores reguladores. En este sentido

deben tomarse en cuenta las variables

comunes de la temperatura, presión y

concentración, sino además además los

efectos de la interacción estrecha de la

materia misma en cuanto a su naturaleza y

estructura.

En todos los organismos es preciso

sintetizar macromoléculas a partir de

moléculas sencillas, y para establecer los

enlaces entre éstas se necesita energía.

Esta energía se consigue rompiendo los

enlaces químicos internos de otras

macromoléculas, sustancias de reserva o

alimentos. Todo ello comporta una serie de

reacciones coordinadas cuyo conjunto se

denomina metabolismo.

Dado que las sustancias que intervienen en

estas reacciones son, generalmente, muy

estables, se requeriría una gran cantidad

de energía para que reaccionaran entre sí,

ya que, si no, la velocidad de reacción sería

nula o demasiado lenta. Para acelerar la

reacción en un laboratorio bastaría con

aumentar la temperatura o bien con añadir

un catalizador, es decir, una sustancia que

aumente la velocidad de la reacción. En los

seres vivos, un aumento de temperatura

puede provocar la muerte, por lo que se

opta por la otra posibilidad, es decir, el

concurso de catalizadores biológicos o

biocatalizadores. Las moléculas que

desempeñan esta función son las enzimas.

Las enzimas son, proteínas globulares

capaces de catalizar las reacciones

metabólicas.

Son solubles en agua y se difunden bien en

los líquidos orgánicos. Pueden actuar a

nivel intracelular, es decir, en el interior de

la célula donde se han formado, o a nivel

extracelular, en la zona donde se segregan.

Las enzimas cumplen las dos leyes

comunes a todos los catalizadores: la

primera es que durante la reacción no se

Fisicoquímica

Enzimas

15

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

alteran, y la segunda es que no desplazan

la constante de equilibrio para que se

obtenga más producto, sino que

simplemente favorecen que la misma

cantidad de producto se obtenga en menos

tiempo. Las enzimas, a diferencia de los

catalizadores no biológicos, presentan una

gran especificidad, actúan a temperatura

ambiente y consiguen un aumento de la

velocidad de reacción de un millón a un

trillón de veces.

Proceso enzimático

En toda reacción química se produce una

transformación de unas sustancias

iniciales, denominadas reactivos o

sustratos (S), en unas sustancias finales o

productos (P).

Esta transformación no se verifica

directamente, ya que es necesario un paso

intermedio en el cual el reactivo se active,

de forma que sus enlaces se debiliten y se

favorezca su ruptura. Este paso intermedio

recibe el nombre de complejo activado y

requiere un aporte de energía,

generalmente en forma de calor, que se

conoce como energía de activación

Las enzimas pueden actuar de dos formas:

unas, fijándose mediante enlaces fuertes

energía para romperlos; y otras, atrayendo

a las sustancias reaccionantes hacia su

superficie de modo que aumente la

posibilidad de encuentro y que la reacción

se produzca más fácilmente.

Las enzimas, una vez que han realizado la

transformación del sustrato o sustratos en

productos, se liberan rápidamente de ellos

para permitir el acceso a otros sustratos.

Sistema enzimático

Un sistema enzimático es un conjunto de

varias enzimas cuyas actividades catalíticas

están coordinadas.

Cinemática enzimática

La cinética enzimática estudia la velocidad

de las reacciones químicas que son

catalizadas por las enzimas. El estudio de la

cinética y de la dinámica química de una

enzima permite explicar los detalles de su

mecanismo catalítico, su papel en el

metabolismo, cómo es controlada su

actividad en la célula y cómo puede ser

inhibida su actividad por fármacos o

venenos o potenciada por otro tipo de

moléculas.

Enzimas en el diagnóstico de

enfermedades

Existen variedad de enzimas para el

diagnóstico de enfermedades genéticas e

infecciones que están en desarrollo. Estas

enzimas en su mayoría sirven como

marcadores uniéndose a un sitio de anclaje

determinado haciendo las veces de

epítopo.

Existen diferentes clases como las

isoenzimas que son subunidades que viene

de dos loci genéticos diferentes en

distintas combinaciones para formar la

enzima polimerica activa.

Como isoenzima mas importantes tenemos

la creatinfosfoquinasa es una enzima que

se encuentra en concentraciones elevadas

en el tejido muscular tanto esquelético

como cardíaco y en menor concentración

en otros tejidos. Se puede dividir en tres

16

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

isoenzimas: MM, MB, y BB, y se la emplea

tanto en el diagnóstico de infarto agudo de

miocardio, en las miopatías congénitas y en

cuanto a modo de medida confiable de

enfermedades inflamatorias musculares.

La lactato deshidrogenasa sirve para el

diagnóstico de daño tisular en muchos

tejidos del cuerpo, como el corazón, el

hígado, los riñones, el músculo esquelético,

el cerebro, las células sanguíneas y los

pulmones.

Las aminotransferasas son usadas para el

diagnóstico no invasivo de fibrosis hepática

en niños y adolescentes y enfermedades

hepáticas grasas no alcohólicas.

La fosfatasa ácida tartrato-resistente es un

examen efectuado en las células

sanguíneas o en la médula ósea (biopsia)

para confirmar un diagnóstico de leucemia

de células pilosas o tricoleucemia.

Asimismo, este examen se puede realizar

en el plasma sanguíneo para buscar signos

de descomposición ósea.

Las amilasas que ayudan en el diagnóstico

de pancreatitis aguda (excepto en necrosis

fulminante). En la úlcera gástrica

penetrante en páncreas y en la parotiditis.

Otras enzimas usadas en el diagnóstico

clínico:

1. La amilasa.- Son enzimas que

catalizan la hidrólisis de los

polisacáridos y su medición en

suero y orina es muy importante

en la evaluación de la pancreatitis

aguda. la amilasa encontrada en la

sangre, es principalmente

elaborada por las glándulas

salivales y el práncreas.

2. Lactato deshidrogenada (LDH).-

Elevada en patologías musculares,

cardíacas, renales, hepáticas y en

anemias hemolíticas.

3. Transaminasas o

aminotransferasas.- Se reconocen

dos clases de enzimas: la aspartato

aminotranferasa denominada

tambien transaminasa glutámico

oxalacética (TGO) se encuentra en

el hígado, corazón y musculo. La

alanino aminotransferasa o

transaminasa glutámico pirúvica se

encuentra principalmente en el

hígado.

Son enzimas que resultan buenos

indicadores dediagnóstico de

enfermedades hepatocelulares.

Elevada en enfermedades

hepáticas, como la hepatitis viral, o

la cirrosis.

4. Alfa glutamil - transferasa (alfa -

GT).- elevada en enfermedades

hetatobiliares y en el alcoholismo.

Es la utilizada para evaluar el

funcionamiento hepático sobre

todo en los pacientes alcohólicos.

5. Fosfatasa alcalina: elevada en las

hepatopatías.

6. Fosfatasa ácida: se eleva en el

cáncer de próstata.

7. Acetilcolinesterasa: disminuida tras

la intoxicación o envenenamiento

con insecticidas o elementos

organofosforados.

17

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

El metabolismo comprende una serie de

transformaciones químicas y

procesosenergéticos que ocurren en el ser

vivo. Para que sucedan cada una de esas

transformaciones se necesitan enzimas que

originen sustancias que sean a su vez

productos de otras reacciones. El conjunto

de reacciones químicas y enzimáticas se

denomina ruta o vía metabólica.

El metabolismo se divide en:

El catabolismo es el metabolismo

de degradación de sustancias con

liberación de energía.

El anabolismo es el metabolismo

de construcción de sustancias

complejas con necesidad de

energía en el proceso.

En las rutas metabólicas se necesitan

numerosas y específicas moléculas que van

conformando los pasos y productos

intermedios de las rutas. Pero, además,

son necesarios varios tipos de moléculas

indispensables para su desarrollo final:

1. Metabolitos (moléculas que

ingresan en la ruta para su

degradación o para participar en la

síntesis de otras sustancias más

complejas),

2. Nucleótidos (moléculas que

permiten la oxidación y reducción

de los metabolitos),

3. Moléculas energéticas (ATP y GTP

o la Coenzima A que, al almacenar

o desprender fosfato de sus

moléculas, liberan o almacenan

energía),

4. Moléculas ambientales (oxígeno,

agua, dióxido de carbono, etc. que

se encuentran al comienzo o final

de algún proceso metabólico).

Cada célula desarrolla miles de reacciones

químicas que pueden ser exergónicas (con

liberación de energía) o endergónicas (con

consumo de energía). Si las reacciones

químicas dentro de una célula están

regidas por las mismas leyes

termodinámicas... entonces, ¿cómo se

desarrollan las vías metabólicas?

1. Las células asocian las reacciones:

las reacciones endergónicas se

llevan a cabo con la energía

liberada por las reacciones

exergónicas.

2. Las células sintetizan moléculas

portadoras de energía que son

capaces de capturar la energía de

las reacciones exergónicas y las

llevan a las reacciones

endergónicas.

3. Las células regulan las reacciones

químicas por medio de

catalizadores biológicos: ENZIMAS.

Metabolismo Celular

18

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

EL CATABOLISMO

El catabolismo comprende el metabolismo

de degradación oxidativa de las moléculas

orgánicas, cuya finalidad es la obtención de

energía necesaria para que la célula pueda

desarrollar sus funciones vitales. Debe

existir una última molécula que capte los

electrones o los hidrógenos desprendidos

en las reacciones de oxidación.

Si el aceptor de electrones es el oxígeno

molecular la ruta o el catabolismo es

aeróbico y si es otra molécula es

catabolismo anaeróbico

El catabolismo aeróbico

El catabolismo aerobio está formado por

varias rutas

metabólicas que

conducen

finalmente a la

obtención de

moléculas de

ATP. Estas

moléculas de

ATP más tarde

serán

imprescindibles

para dar energía

en las rutas anabólicas. La energía que no

se usa se disipará en forma de calor.

El catabolismo anaeróbico

Cuando el catabolismo se realiza en

condiciones anaeróbicas, es decir cuando

el último aceptor de hidrógenos o

electrones no es el oxígeno, sino una

molécula orgánica sencilla, las rutas de

degradación de la glucosa se llaman

fermentaciones.

En un mismo organismo pluricelular

pueden darse rutas aeróbicas o

anaeróbicas, según las condiciones

ambientales de la célula. Por ejemplo, la

célula muscular puede funcionar con

oxígeno hasta que éste llega con dificultad

al tejido. Trabaja entonces en condiciones

anaerobias produciendo ácido láctico.

19

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

EL ANABOLISMO

La construcción de biomoléculas propias

exclusivas sólo pueden llevarla a cabo los

seres vivos a base de capturar

determinadas sustancias del medio en que

viven (autótrofos). En muchos seres vivos

la nutrición solo puede realizarse mediante

la ingestión de otros seres vivos

(heterótrofos).

Nuestra vida en el planeta tierra depende

de la función de unos seres vivos muy

especiales, que son capaces de fabricar su

propia materia a partir de la luz. Se trata de

plantas verdes y algas que realizan la

fotosíntesis. Los organismos fotosintéticos

utilizan la luz del sol y transforman su

energía luminosa en energía para formar

glúcidos y otras moléculas orgánicas. Estas

moléculas orgánicas forman sus tejidos que

sirven de alimento a los seres vivos no

fotosintetizadores.

El anabolismo o biosíntesis es una de las

dos partes del metabolismo, encargada de

la síntesis o bioformación de moléculas

orgánicas (biomoléculas) más complejas a

partir de otras más sencillas o de los

nutrientes, con requerimiento de energía,

al contrario que el catabolismo.

El anabolismo es el responsable de:

• La formación de los componentes

celulares y tejidos corporales y por

tanto del crecimiento.

• El almacenamiento de energía

mediante enlaces químicos en

moléculas orgánicas.

Las células obtienen la energía del medio

ambiente mediante tres tipos distintos de

fuente de energía que son:

• La luz solar, mediante la

fotosíntesis en las plantas.

• Otros compuestos orgánicos

como ocurre en los organismos

heterótrofos.

• Compuestos inorgánicos como

las bacterias quimiolitotróficas que

pueden ser autótrofas o

heterótrofas.

El anabolismo se puede clasificar

académicamente según las biomoléculas

que se sinteticen en:

• Replicación o duplicación de ADN.

• Síntesis de ARN.

• Síntesis de proteínas.

• Síntesis de glúcidos.

• Síntesis de lípidos.

20

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Los hidratos de carbono son una familia de

sustancias ampliamente difundidas entre

los alimentos que se caracterizan por

obedecer a la fórmula empírica CnH2nOn →

Cn(H2O)n. Por tanto están constituidos por

carbono, hidrógeno y oxígeno en

proporción tal que pueden representarse

como si cada átomo de carbono estuviese

unido a una molécula de agua, cosa que no

responde en absoluto a la realidad.

En realidad estas sustancias químicamente

son polihidroxialdehidos o

polihidroxicetonas constituidas por una o

más unidades fundamentales

(nonosacáridos) que a su vez son moléculas

sw polihidroxialdehidos o

polihidroxicetonas simples derivadas

cadenas lineales de hidrocaburo que en las

sustancias más habituales contienen 5 ó 6

átomos de carbono.

La isomería posicional que presentan es

extremadamente importante en estos

compuestos. Sustancias con la misma

formula empírica pueden tener

propiedades muy diferentes con sólo una

diferencia en un carbono asimétrico.

Los hidratos de carbono constituyen, por

volumen de producción y consumo, la

parte más importante de la tecnología

agroalimentaria, especialmente teniendo

en cuenta que, comparados con grasas y

lípidos, muchos hidratos de carbono

requieren procesos de extracción y/o

purificación (azúcar, almidón, jarabes,

dextrinas, etc).

Como alimentos, los hidratos de carbono

son los más baratos, se obtienen con

facilidad y en abundancia y son más fáciles

de digerir en comparación con los demás

nutrientes.

Por su naturaleza química, es conveniente

considerar los diferentes tipos de hidratos

de carbono divididos por orden de

creciente complejidad. Los HC más

complejos están constituidos por unidades

de HC sencillos, por lo que es necesario

comprender la química de estos últimos

para poder entender los más complejos.

Tradicionalmente, los HC se han dividido

en los siguientes grupos:

• Mono y disacáridos

• Oligosacáridos

• Polisacáridos

• Otros

Mono y disacáridos:

Son las moléculas más simples que

consisten en un esqueleto de cadenas

carbonadas lineales de 3 a 8 carbonos

(siendo 5 y 6 con mucho los más habituales

en TA) que son polihidroxialdehidos y

polihidroxicetonas.

Carbohidratos

21

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Los monosacáridos aparecen muy a

menudo en los alimentos enlazados de dos

en dos (de forma que se explicará en

detalle más adelante) en moléculas que se

denominan disacáridos. El azúcar de mesa

(sacarosa) es un ejemplo de disacárido que

puede ser obtenido de la caña de azúcar y

de algunas variedades de remolacha.

Oligosacáridos:

Se denominan de esta forma a las cadenas

de monosacáridos que contienen desde

unas pocas unidades hasta varios cientos

de estos monómeros enlazados. Aparecen

en fuentes naturales aunque en mucha

menos frecuencia y cantidad que los mono,

di y polisacáridos

Polisacáridos:

Son largas cadenas poliméricas de

monosacáridos (fundamentalmente

glucosa exclusivamente en los

polisacáridos que más nos interesan) que

constituyen los tejidos de reserva de

plantas y, en alguna medida, de animales.

Los polisacáridos también tienen una gran

importancia en los tejidos de sostén de la

planta.

Entre los polisacáridos más importantes

encontramos los siguientes.

El almidón es un polímero de glucosa que

constituye el tejido de almacenamiento

más importante en las plantas. Es la

sustancia más importante que existe desde

el punto de vista de la alimentación

humana por su volumen de consumo,

disponibilidad, precio y disposición.

Estructura

Los glúcidos son compuestos formados en

su mayor parte por átomos de carbono e

hidrógeno y en una menor cantidad de

oxígeno. Los glúcidos tienen enlaces

químicos difíciles de romper llamados

covalentes, mismos que poseen gran

cantidad de energía, que es liberada al

romperse estos enlaces. Una parte de esta

energía es aprovechada por el organismo

consumidor, y otra parte es almacenada en

el organismo.

En la naturaleza se encuentran en los seres

vivos, formando parte de biomoléculas

aisladas o asociadas a otras como las

proteínas y los lípidos.

Funciones

Las funciones que los glúcidos cumplen en

el organismo son, energéticas, de ahorro

de proteínas, regulan el metabolismo de

las grasas y estructural.

Energeticamente, los

carbohidratos aportan 4 KCal

(kilocalorías) por gramo de peso

seco. Esto es, sin considerar el

contenido de agua que pueda

tener el alimento en el cual se

22

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

encuentra el carbohidrato.

Cubiertas las necesidades

energéticas, una pequeña parte se

almacena en el hígado y músculos

como glucógeno (normalmente no

más de 0,5% del peso del

individuo), el resto se transforma

en grasas y se acumula en el

organismo como tejido adiposo.

Se suele recomendar que

minimamente se efectúe una

ingesta diaria de 100 gramos de

hidratos de carbono para

mantener los procesos

metabólicos.

Ahorro de proteínas: Si el aporte

de carbohidratos es insuficiente, se

utilizarán las proteínas para fines

energéticos, relegando su función

plástica.

Regulación del metabolismo de las

grasas: En caso de ingestión

deficiente de carbohidratos, las

grasas se metabolizan

anormalmente acumulándose en el

organismo cuerpos cetónicos, que

son productos intermedios de este

metabolismo provocando así

problemas (cetosis).

Estructuralmente, los

carbohidratos constituyen una

porción pequeña del peso y

estructura del organismo, pero de

cualquier manera, no debe

excluirse esta función de la lista,

por mínimo que sea su

indispensable aporte.

Digestión y Absorción de Carbohidratos.

La digestión es importante por contener a

la amilasa salival o ptialina, enzima que

hidroliza diversos tipos de polisacáridos. El

pH de la saliva es cercano a la neutralidad,

por lo que en el estómago esta enzima se

inactiva totalmente, lo cual los

carbohidratos no sufren modificaciones de

importancia en este órgano. Es hasta el

intestino donde los disacáridos y los

polisacáridos deben ser hidrolizados en sus

unidades monoméricas para poder

atravesar la pared intestinal y tomar así el

torrente sanguíneo para llegar a las células

e ingresar al interior para ser utilizados en

cualquiera de las funciones en que

participan (energética, de reconocimiento,

estructural o como precursor de otras

moléculas). En el duodeno se vierte el jugo

pancréatico que contiene entre otros

muchos elementos, amilasa pancreática

(Su pH óptimo es de 7.1 y rompe al azar los

enlaces alfa,1-4 del almidón), diastasa o

amilopsina, esta última muy parecida a la

enzima salival. En la digestión de los

carbohidratos intervienen diferentes

enzimas que desempeñan cada una

funciones diferentes y que por tanto,

tienen especificidades diferentes. Para

romper las ramificaciones se necesita a la

amilo-1-6-glucosidasa.

La reacción de hidrólisis, consiste en el

rompimiento de uniones covalentes por

medio de una molécula de agua. La

hidrólisis de un enlace glucosídico se lleva a

cabo mediante la disociación de una

molécula de agua. El hidrógeno del agua se

une al oxígeno del extremo de una de las

moléculas de azúcar; el OH se une al

carbono libre del otro residuo de azúcar. El

resultado de esta reacción, es la liberación

de un monosacárido, dos si la molécula

hidrolizada fue un disacárido o bien el

polisacáridon-1, dependiendo de la

molécula original.

23

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

La glucólisis o glicolisis, es la vía metabólica

encargada de oxidar la glucosa con la

finalidad de obtener energía para la célula.

Consiste en 10 reacciones enzimáticas

consecutivas que convierten a la glucosa

en dos moléculas de piruvato, el cual es

capaz de seguir otras vías metabólicas y así

continuar entregando energía al

organismo.

Reacción general

El proceso más importante de la segunda

etapa del catabolismo es la ``glucólisis'', la

que puede generar ATP en ausencia de

oxígeno. Durante este proceso una

molécula de glucosa con seis átomos de

carbono se convierte en dos moléculas de

piruvato, cada una de ellas con tres átomos

de carbono. Esta conversión involucra una

secuencia de 9 pasos enzimáticos en los

que se crean intermediarios que contienen

fosfatos. La célula hidroliza dos moléculas

de ATP para poner en marcha los primeros

pasos del proceso, pero al final produce

cuatro moléculas de ATP, por lo que hay

una ganancia neta de ATP.

La secuencia de reacciones que constituyen

la glucólisis puede dividirse en 3 partes. En

la primera parte la glucosa es convertida en

dos moléculas de gliceraldehído trifosfato

(una molécula con tres átomos de

carbono). Esta parte requiere invertir

energía: la hidrólisis del ATP es la que

provee los dos fosfatos que se necesitan.

En la segunda parte el grupo aldehído de

cada molécula de gliceraldehído trifosfato

se oxida formando ácido carboxílico y la

energía liberada en cada una de estas

reacciones se acopla a la de la fosforilación

de ADP para formar ATP. En la última

parte, los dos fosfatos que habían sido

usados para formar las dos moléculas de

gliceraldehído trifosfato son transferidos al

ADP para formar ATP. Por lo tanto, como

resultado neto de la glucólisis se obtiene

una ganancia neta de dos moléculas de

ATP por cada molécula de glucosa.

Para la mayoría de las células animales, la

glucólisis es sólo una porción de la segunda

etapa del catabolismo, ya que el ácido

pirúvico que se genera al final, entra

rápidamente en las mitocondrias para ser

completamente oxidado y convertido en

CO y H O. En el caso de los organismos

anaeróbicos o en tejidos tales como el de

algunos músculos que funcionan en

condiciones anaeróbicas, la glucólisis

puede ser la principal fuente de ATP de la

célula. Estas reacciones anaeróbicas que

generan energía se llaman fermentaciones.

En estos casos, las moléculas de piruvato

permanecen en el citosol y, dependiendo

del organismo, pueden convertirse en

etanol (como en la levadura) o en lactato

(como en el músculo).

Funciones

Las funciones de la glucólisis son:

La generación de moléculas de alta

energía (ATP y NADH) como fuente

de energía celular en procesos de

+

Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2

2Piruvato + 2NADH + 2ATP + 2H+ + 2H2O

Glucólisis

24

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

respiración aeróbica (presencia de

oxígeno) y fermentación (ausencia

de oxígeno).

La generación de piruvato que

pasará al ciclo de Krebs, como

parte de la respiración aeróbica.

La producción de intermediarios de

6 y 3 carbonos que pueden ser

utilizados en otros procesos

celulares.

Las mitocondrias son las “centrales

energéticas” de las células. Allí, algunas

moléculas como la glucosa se oxidan y se

rompen en trozos más pequeños. En esta

reacción se liberan átomos de hidrógeno

(se liberan electrones, pero suelen ir

acompañados de protones:

electón+protón= 1 átomo de H). Este

hidrógeno se une al oxígeno y se forma

moléculas de agua.

El metabolismo energético es el conjunto

de reacciones que hay en un lado. Pueden

ser reacciones:

Anabólica: El anabolismo es el

conjunto de procesos metabólicos

constructivos en donde se utiliza la

energía liberada por el catabolismo

de sintetizar moléculas complejas.

En general, las complejas

moléculas que componen las

estructuras celulares se construyen

paso a paso a partir de precursores

pequeñas y sencillas. El anabolismo

involucra tres etapas básicas. En

primer lugar, la producción de

precursores como aminoácidos,

monosacáridos, isoprenoides y

nucleótidos, en segundo lugar, su

activación en forma reactiva

utilizando la energía del ATP, y en

tercer lugar, el conjunto de estos

precursores en moléculas

complejas como las proteínas,

polisacáridos, lípidos y ácidos

nucleicos .

Los organismos difieren en cuanto

a muchas de las moléculas en las

células que pueden construir por sí

mismos. Autótrofos como las

plantas pueden construir las

moléculas orgánicas complejas en

las células como los polisacáridos y

proteínas a partir de moléculas

simples como el dióxido de

carbono y agua. Heterótrofos, en

cambio, requieren una fuente de

Metabolismo Energético

25

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

sustancias más complejas, como

monosacáridos y aminoácidos,

para producir estas moléculas

complejas. Los organismos pueden

ser clasificados por última fuente

de su energía: fotoautótrofos y

photoheterotrophs obtener

energía de la luz, mientras que

quimioautótrofos y

quimioheterótrofos obtener

energía de las reacciones de

oxidación inorgánica.

Catabólicas: El catabolismo son

procesos metabólicos de

degradación, en los que las

moléculas grandes, que proceden

de los alimentos o de las propias

reservas del organismo, se

transforman en otras más

pequeñas. En los procesos

catabólicos se produce energía.

Una parte de esta energía no es

utilizada directamente por las

células, sino que se almacena

formando unas moléculas

especiales. Estas moléculas

contienen mucha energía y se

utilizan cuando el organismo las

necesita. En el catabolismo se

produce, por ejemplo, la energía

que tus células musculares utilizan

para contraerse, la que se emplea

para mantener la temperatura de

tu cuerpo, o la que se consume en

los procesos anabólicos.

El consumo de energía es el trabajo

externo más la energía almacenada más le

calor que se produce (porque muchas

reacciones son exotérmicas).

Mitocondria

Las mitocondrias son pequeños cuerpos

ubicados en el citoplasma (la materia que

ocupa el espacio entre las paredes internas

de la célula y el exterior del núcleo) de la

célula que suelen presentar diferentes

formas: filamentos, bastoncitos o esféricas

y su tamaño suele variar entre 0.2 y 5

micras. Una característica resaltante de las

mitocondrias es que contienen su propio

ADN.

Las mitocondrias no permanecen estáticas

en la célula, al contrario, se mueven,

cambian de tamaño y forma, se fusionan

con otras mitocondrias o se dividen en

otras más pequeñas. Su número suele ser

variable, pudiendo ser sólo unas pocas o

pasar del millar por célula.

La función principal de las mitocondrias es

la de producir energía (aportan cerca del

90% de la energía que necesita la célula)

por medio de la utilización de ciertas

enzimas capaces de transformar los

materiales nutrientes en moléculas ATP

(trifosfato de adenosina) las cuales son

aprovechadas por la célula como fuente

directa de energía.

Las mitocondrias están cubiertas por dos

membranas, la membrana interna presenta

una gran cantidad de pliegues a los cuales

se les llama crestas mitocondriales. En la

superficie de estos pliegues se producen

las reacciones respiratorias, en donde se

presenta el consumo de oxigeno y la

producción de dióxido de carbono. La

26

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

membrana externa, por otra parte, es lisa y

sirve para demarcar el límite exterior.

Descarboxilación del piruvato

La secuencia de reacciones catalizadas por

el complejo multienzimático piruvato

deshidrogenasa, que está formado por tres

enzimas, necesita de otras cinco es como

sigue:

1. Piruvato deshidrogenasa: E1, tiene

a la tiamina pirofosfato (TPP),

como coenzima. Cataliza las dos

primeras reacciones; formación de

hidroxietil-TPP y CO2. Y la

transferencia de dos equivalentes

reductores a E2, por reducción de

la lipoamida y transferencia del

acetato a esta última, la CoA se

une al acetato.

2. Dihidrolipoil transacetilasa: E2, el

grupo hidroxietil es transferido de

E1 a E2 que tiene al ácido lipóico

como coenzima. La reacción ocurre

por el ataque del carbanion del

hidroxietil, seguido de la

eliminación del TTP, para formar

acetil-dihidrolipoamida y regenerar

E1.

3. Dihidrolipoamida deshidrogenasa:

E3 tiene al FAD como coenzima.

Recibe a los equivalentes

reductores de E2

4. Coenzima A (CoA): Es la molécula

acarreadora del acetato.

5. Nicotinamida adenina dinucleótido

(NAD+): Aceptor final de los

equivalentes reductores que se

transfieren en esta reacción.

En resumen, la piruvato deshidrogenasa

cataliza las reacciones en las que en

piruvato:

1. Se oxida

2. Pierde un Carbono en forma de

CO2, el fragmento de dos carbonos

sobrante (acetato) se une a la

coenzima A para dar Ac-CoA., esta

última puede entrar al ciclo de

Krebs para producir equivalentes

reductores y dos CO2, o puede salir

de la mitocondria para formar

ácidos grasos.

En la segunda parte de la glucólisis: la

hexosa difosforilada se divide por mitades

(triosas), estas son fosforiladas y

deshidrogenadas, donan sus grupos fosfato

en fosforilaciones a nivel de sustrato en las

que el ADP se fosforila, se producen dos

moléculas de piruvato y cuatro de ATP.

Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del

ácido cítrico o ciclo de los ácidos

tricarboxílicos) es una ruta metabólica, es

decir, una sucesión de reacciones químicas,

que forma parte de la respiración celular

en todas las células aeróbicas. En células

eucariotas se realiza en la mitocondria. En

las procariotas, el ciclo de Krebs se realiza

en el citoplasma, específicamente en el

citosol.

En organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs

es parte de la vía catabólica que realiza la

oxidación de glúcidos, ácidos grasos y

aminoácidos hasta producir CO2, liberando

energía en forma utilizable (poder reductor

y GTP).

27

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

El metabolismo oxidativo de glúcidos,

grasas y proteínas frecuentemente se

divide en tres etapas, de las cuales, el ciclo

de Krebs supone la segunda. En la primera

etapa, los carbonos de estas

macromoléculas dan lugar a moléculas de

acetil-CoA de dos carbonos, e incluye las

vías catabólicas de aminoácidos (p. ej.

desaminación oxidativa), la beta oxidación

de ácidos grasos y la glucólisis. La tercera

etapa es la fosforilación oxidativa, en la

cual el poder reductor (NADH y FADH2)

generado se emplea para la síntesis de ATP

según la teoría del acomplamiento

quimiosmótico.

El ciclo de Krebs también proporciona

precursores para muchas biomoléculas,

como ciertos aminoácidos. Por ello se

considera una vía anfibólica, es decir,

catabólica y anabólica al mismo tiempo.

Reacción 1: Citrato sintasa (De

oxalacetato a citrato)

El sitio activo de la enzima, activa el acetil-

CoA para hacerlo afín a un centro

carbonoso del oxalacetato. Como

consecuencia de la unión entre las dos

moléculas, el grupo tioéster (CoA) se

hidroliza, formando así la molécula de

citrato.

La reacción es sumamente exoergónica

(ΔG'°=-31.4 kJ/mol), motivo por el cual este

paso es irreversible. El citrato producido

por la enzima, además, es capaz de inhibir

competitivamente la actividad de la

enzima. Incluso estando la reacción muy

favorecida (porque es exoergónica), la

citrato sintasa puede ser perfectamente

regulada. Este aspecto tiene una notable

importancia biológica, puesto que permite

una completa regulación del ciclo de Krebs

completo, convirtiendo a la enzima en una

especie de marcapasos del ciclo.

Reacción 2: Aconitasa (De citrato a

isocitrato)

La aconitasa cataliza la isomerización del

citrato a isocitrato, por la formación de cis-

aconitato. La enzima cataliza también la

reacción inversa, pero en el ciclo de Krebs

tal reacción es unidireccional a causa de la

ley de acción de masa: las concentraciones

(en condiciones estándar) de citrato (91%),

del intermediario cis-aconitato (3%) y de

isocitrato (6%), empujan decididamente la

reacción hacia la producción de isocitrato.

En el sitio activo de la enzima está presente

un clúster hierro-azufre que, junto a

algunos residuos de aminoácidos polares,

liga el sustrato. En concreto, la unión al

sustrato se asegura por la presencia de un

resto de serina, de arginina, de histidina y

de aspartato, que permiten sólo la unión

estereospecifica del citrato 1R,2S,

rechazando la forma opuesta.

28

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Reacción 3: Isocitrato deshidrogenasa (De

isocitrato a oxoglutarato)

La isocitrato deshidrogenasa mitocondrial

es una enzima dependiente de la presencia

de NAD+ y de Mn2+ o Mg2+. Inicialmente,

la enzima cataliza la oxidación del

isocitrato a oxalsuccinato, lo que genera

una molécula de NADH a partir de NAD+.

Sucesivamente, la presencia de un ión

bivalente, que forma un complejo con los

oxígenos del grupo carboxilo en posición

alfa, aumenta la electronegatividad de esa

región molecular. Esto genera una

reorganización de los electrones en la

molécula, con la consiguiente rotura de la

unión entre el carbono en posición gamma

y el grupo carboxilo adyacente. De este

modo se tiene una descarboxilación, es

decir, la salida de una molécula de CO2,

que conduce a la formación de α-

cetoglutarato, caracterizado por dos

carboxilos en las extremidades y una

cetona en posición alfa con respecto de

uno de los dos grupos carboxilo.

Reacción 4: α-cetoglutarato

deshidrogenasa (De oxoglutarato a

Succinil-CoA)

Después de la conversión del isocitrato en

α-cetoglutarato se produce una segunda

reacción de descarboxilación oxidativa, que

lleva a la formación de succinil CoA. La

descarboxilación oxidativa del α-

chetoglutarato es muy parecida a la del

piruvato, otro α-cetoácido.

Ambas reacciones incluyen la

descarboxilación de un α-cetoácido y la

consiguiente producción de una unión

tioéster a alta energía con la coenzima A.

Los complejos que catalizan tales

reacciones son parecidos entre ellos.

La α-cetoglutarato deshidrogenasa (o, más

correctamente, oxoglutarato

deshidrogenasa), está compuesta de tres

enzimas diferentes:

1. Subunidad E1: las dos

cetoglutarato deshidrogenasas.

2. Subunidad E2: la transuccinilasa.

(La subunidad E1 y E2 presentan una gran

homología con las de la piruvato

deshidrogenasa.)

3. Subunidad E3: la dihidrolipoamida

deshidrogenasa, que es el mismo

polipéptido presente en el otro

complejo enzimático.

Reacción 5: Succinil-CoA sintetasa (De

Succinil-CoA a succinato)

El succinil-CoA es un tioéster a alta energía

(su ΔG°′ de hidrólisis está en unos -33.5 kJ

mol-1, parecido al del ATP que es de -30.5

kJ mol-1). La citrato sintasa se sirve de un

intermediario con tal unión a alta energía

para llevar a cabo la fusión entre una

molécula con dos átomos de carbono

29

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

(acetil-CoA) y una con cuatro (oxalacetato).

La enzima succinil-CoA sintetasa se sirve de

tal energía para fosforilar un nucleósido

difosfato purinico como el GDP.

La energía procedente del tioéster viene

convertida en energía ligada a una unión

fosfato. El primer paso de la reacción

genera un nuevo intermediario a alta

energía, conocido como succinil fosfato.

Sucesivamente, una histidina presente en

el sitio catalítico remueve el fosfato de la

molécula glucídica, generando el producto

succinato y una molécula de fosfohistidina,

que dona velozmente el fosfato a un

nucleósido difosfato, recargándolo a

trifosfato. Se trata del único paso del ciclo

de Krebs en el que se produce una

fosforilación a nivel de sustrato.

El GTP está implicado principalmente en las

rutas de transducción de señales, pero su

papel en un proceso energético como el

ciclo de Krebs es, en cambio,

esencialmente trasladar grupos fosfato

hacia el ATP, en una reacción catalizada

por la enzima nucleósido difosfoquinasa.

Reacción 6: Succinato deshidrogenasa (De

succinato a fumarato)

La parte final del ciclo consiste en la

reorganización de moléculas a cuatro

átomos de carbono hasta la regeneración

del oxalacetato. Para que eso sea posible,

el grupo metilo presente en el succinato

tiene que convertirse en un carbonilo.

Como ocurre en otras rutas, por ejemplo

en la beta oxidación de los ácidos grasos,

tal conversión ocurre mediante tres pasos:

una primera oxidación, una hidratación y

una segunda oxidación. Estos tres pasos,

además de regenerar oxalacetato,

permiten la extracción ulterior de energía

mediante la formación de FADH2 y NADH.

La primera reacción de oxidación es

catalizada por el complejo enzimático de la

succinato deshidrogenasa, la única enzima

del ciclo que tiene como aceptor de

hidrógeno al FAD en vez de al NAD+. El FAD

es enlazado de modo covalente a la enzima

por un residuo de histidina. La enzima se

vale del FAD ya que la energía asociada a la

reacción no es suficiente para reducir el

NAD+.

El complejo enzimático también es el único

del ciclo que pasa dentro de la membrana

mitocondrial. Tal posición se debe a la

implicación de la enzima en la cadena de

transporte de los electrones. Los

electrones pasados sobre el FAD se

introducen directamente en la cadena

gracias a la unión estable entre la enzima y

el cofactor mismo.

Reacción 7: Fumarasa (De fumarato a L-

malato)

La fumarasa cataliza la adición en trans de

un protón y un grupo OH- procedentes de

una molécula de agua. La hidratación del

fumarato produce L-malato.

30

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Reacción 8: Malato deshidrogenasa (De L-

malato a oxalacetato)

La última reacción del ciclo de Krebs

consiste en la oxidación del malato a

oxalacetato. La reacción, catalizada por la

malato deshidrogenasa, utiliza otra

molécula de NAD+ como aceptor de

hidrógeno, produciendo NADH.

La energía libre de Gibbs asociada con esta

última reacción es decididamente positiva,

a diferencia de las otras del ciclo. La

actividad de la enzima es remolcada por el

consumo de oxalacetato por parte de la

citrato sintasa, y de NADH por parte de la

cadena de transporte de electrones.

Cadena Respiratoria

La cadena respiratoria se abastece de

poder reductor Las células eucariotas y

procariotas obtienen energía,

principalmente bajo forma de ATP, a partir

del poder reductor (o H2) presente en las

moléculas de glúcidos, lípidos y

aminoácidos, entre otras. El aceptor final

de los H2 es el O2, se trata de un ejemplo

de célula aerobia. Sin embargo, hay otros

tipos de células en que los aceptores

finales de H2 son moléculas diferentes del

O2, esas células son anaerobias y

fermentativas. Ahora vamos a centrar el

estudio en células aerobias.

Los azúcares, ácidos grasos y

aminoácidos cuando son oxidados

(degradados) proveen de poder

reductor, de manera más o menos

directa, a la cadena respiratoria.

Así, se reducen cofactores como el

NAD y el FAD dando inicio a la

transferencia del poder reductor

(H2) hasta el aceptor final, que en

los organismos aerobios es el O2.

La variación de energía de los

electrones desde los precursores

reducidos (aminoácidos, glúcidos y

ácidos grasos) hasta el agua, es un

proceso exergónico, que impulsa la

reacción endergónica de síntesis de

ATP a partir del ADP y P (

Diagrama que muestra la convergencia del

poder reductor (H2) desde moléculas

reducidas (aminoácidos, glúcidos y ácidos

31

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

grasos) hasta el oxígeno. Parte de la

energía liberada se onserva como ATP.

La cadena respiratoria esta formada por

tres complejos

1. NADH deshidrogenos

2. Complejo citocromo b-c1

3. Complejo citocromo – oxidasa

Formado por proteínas

El NADH dona sus electrones (2) a la

cadena respiratoria a una proteína,

llamada NADH deshidrogenasa.

El transporte de electrones a través de la

membrana aumenta la carga de electrones

generándose un gradiente, disminuye el PH

y se va a generar un potencial en la matriz.

Esta fuerza protón matriz impulsa la

síntesis del ATP. El O2 es el último aceptor

de electrón para formar nuevamente H2O.

La cabeza de la ATP sintetaza es la

responsable de la formación de ATP y a su

vez lo hidroliza.

Las materias primas para la cadena

respiratoria son:

Piruvato (proveniente de la

glucolisis

Ácido graso.

Fosfato inorgánico y ADP.

La cadena respiratoria en las células

eucariotas ocurre en mitocondrias.

La mitocondria en un organelo

presente en las células de

vegetales, animales y hongos, es

decir en todas las eucariotas. Su

número por célula es variable, y

está limitada por dos membranas,

una externa y otra interna. Estas

membranas delimitan dos

espacios: la cámara externa o

espacio intermembrana y la matriz

(Figura 4).

En la membrana interna se localiza

la cadena respiratoria, que consta

de una serie de transportadores de

electrones como el NAD, CoQ,

citocromos y diversas enziamas. En

las bacterias la cadena respiratoria

está asociada a la membrana

celular.

La cadena respiratoria siempre

está asociada a una membrana,

porque para su funcionamiento es

necesario un ordenamiento

espacial bien definido de los

transportadores y proteínas que la

integran, como se verá más

adelante.

Fosforilación Oxidativa

La fosforilación oxidativa es la

transferencia de electrones de los

equivalentes reducidos NADH y FADH,

obtenidos en la glucólisis y en el ciclo de

Krebs hasta el oxígeno molecular, acoplado

con la síntesis de ATP. Este proceso

metabólico está formado por un conjunto

de enzimas complejas, ubicadas en la

membrana interna de las mitocondrias,

que catalizan varias reacciones de óxido-

reducción, donde el oxígeno es el aceptor

final de electrones y donde se forma

finalmente agua.

La fosforilación oxidativa es un proceso

bioquímico que ocurre en las células. Es el

proceso metabólico final (catabolismo) de

la respiración celular, tras la glucólisis y el

ciclo del ácido cítrico. De una molécula de

32

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

glucosa se obtienen 38 moléculas de ATP

mediante la fosforilación oxidativa.

Dentro de las células, la fosforilación

oxidativa se produce en las membranas

biológicas. En procariotas es la membrana

plasmática y en eucariotas es la membrana

interna de las dos de que consta la

mitocondrial. El NADH y FADH2, moléculas

donadores de electrones que "fueron

cargadas" durante el ciclo del ácido cítrico,

se utilizan en un mecanismo intrincado

(que implica a numerosas enzimas como la

NADH-Q reductasa, la citocromo c oxidasa

y la citocromo reductasa), gracias a la

bomba H+ que moviliza los protones contra

un gradiante de membrana.

La teoría quimiosmotica establece que

ambos procesos -(F.O y CTe-) están

acoplados energéticamente. Por Ej, la

Oligomicina se une a la Fracción Fo de la

Atpasa e inhibe la síntesis de ATP, por lo

tanto detendrá también a la cadena de

transporte de electrones. Por lo tanto

disminuirá el consumo de O2. Hay

sustancias que actuan como desacoplantes

de estos dos procesos, para que puedan

actuar de manera individual. Por ejemplo

siguiendo con el caso anterior, si ahora se

agregara 2,4-dinitrofenol, que es un ácido

débil que actúa como desacoplante, el

consumo de O2 se reestablecería, ya que

tenderá a liberar la cadena de transporte

de electrones, aunque la oligomicina

continue bloqueando la producción de

ATP. La fracción Fo está formada por

proteinas transmembrana en la membrana

mitocondrial interna (MMI), y es

básicamente un poro que permite el paso

de H+. La fracción F1 se encuentra del lado

interno de la MMI y es la encargada de

utilizar la disipación del gradiente

electroquímico para fosforilar ADP + Pi y

liberar ATP.

Los nucleótidos entran y salen de la

mitocondria a través de transportadores

específicos.

Un gran complejo proteico llamado ATP-

sintasa situado en la membrana

mitocondrial interna (MMI), permite a los

protones pasar a través en ambas

direcciones; genera el ATP cuando el

protón se mueve a favor de gradiente.

Debido a que los protones se han

bombeado al espacio intermembranoso de

la mitocondria en contra de gradiente,

ahora pueden fluir nuevamente dentro de

la matriz mitocondrial y mediante la vía

ATP-sintasa, se genera ATP en el proceso.

La reacción es:

ADP3- + H+ + Pi ↔ ATP4- + H2O

Cada molécula de NADH contribuye

suficientemente a generar la fuerza motriz

de un protón que produzca 2,5 moléculas

de ATP. Cada molécula de FADH2 produce

1,5 moléculas de ATP.[1] Todas juntas, las

10 moléculas de NADH y las 2 FADH2

provenientes de la oxidación de la glucosa

(glucólisis, descarboxilación oxidativa de

piruvato en acetil-CoA y ciclo de Krebs) a

formar 28 de las 36 moléculas totales de

ATP transportadoras de energía. Hay que

decir que estos valores de moléculas de

ATP son máximos. En realidad cada

molécula de NADH contribuye a formar

entre 2 y 3 moléculas de ATP, mientras que

cada FADH2 contribuye a un máximo de 2

moléculas de ATP.

33

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

El estrés oxidativo es causado por un

desequilibrio entre la producción de

especies reactivas del oxígeno y la

capacidad de un sistema biológico de

detoxificar rápidamente los reactivos

intermedios o reparar el daño resultante.

Todas las formas de vida mantienen un

entorno reductor dentro de sus células.

Este entorno reductor es preservado por

las enzimas que mantienen el estado

reducido a través de un constante aporte

de energía metabólica. Desbalances en

este estado normal redox pueden causar

efectos tóxicos a través de la producción

de peróxidos y radicales libres que dañan a

todos los componentes de la célula,

incluyendo las proteínas, los lípidos y el

ADN.

En el ser humano, el estrés oxidativo está

involucrado en muchas enfermedades,

como la aterosclerosis, la enfermedad de

Parkinson, encefalopatía miálgica,

sensibilidad química múltiple, y la

enfermedad de Alzheimer y también puede

ser importante en el envejecimiento. Sin

embargo, las especies reactivas de oxígeno

pueden resultar beneficiosas ya que son

utilizadas por el sistema inmunitario como

un medio para atacar y matar a los

patógenos. Las especies reactivas del

oxígeno son también utilizadas en la

señalización celular. Esta es denominada

señalización redox.

Efectos químicos y biológicos

En términos químicos, el estrés oxidativo

es un gran aumento (cada vez más

negativo) en la reducción del potencial

celular o una gran disminución en la

capacidad reductora de los pares redox

celulares como el glutatión. Los efectos del

estrés oxidativo dependen de la magnitud

de estos cambios, si la célula es capaz de

superar las pequeñas perturbaciones y de

recuperar su estado original. Sin embargo,

el estrés oxidativo severo puede causar la

muerte celular y aún una oxidación

moderada puede desencadenar la

apoptosis, mientras que si es muy intensa

puede provocar la necrosis.

Un aspecto particularmente destructivo del

estrés oxidativo es la producción de

especies de oxígeno reactivo, que incluyen

los radicales libres y los peróxidos. Algunas

de las menos reactivas de estas especies

(como el superóxido) pueden ser

convertidas por una reacción redox con

metales de transición u otros compuestos

de ciclo redox en quinonas, especie radical

más agresiva que puede causar extenso

daño celular. La mayoría de estas especies

derivadas del oxígeno se producen en un

nivel bajo en condiciones normales de

metabolismo aeróbico y el daño que

causan a las células es reparado

constantemente. Sin embargo, bajo los

graves niveles de estrés oxidativo que

causa la necrosis, el daño produce

Estrés Oxidativo

34

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

agotamiento de ATP impidiendo la muerte

celular por apoptosis controlada,

provocando que la célula simplemente se

desmorone.

La gluconeogénesis es una ruta metabólica

anabólica que permite la síntesis de

glucosa a partir de precursores no

glucídicos. Incluye la utilización de varios

aminoácidos, lactato, piruvato, glicerol y

cualquiera de los intermediarios del ciclo

de los ácidos tricarboxílicos o CICLO de

Krebs como fuentes de carbono para la vía

metabólica. Todos los aminoácidos,

excepto la leucina y la lisina, pueden

suministrar carbono para la síntesis de

glucosa.

Algunos tejidos, como el cerebro, los

eritrocitos, el riñón, la córnea del ojo y el

músculo, cuando el individuo realiza

actividad extenuante, requieren de un

aporte continuo de glucosa, obteniéndola a

partir del glucógeno proveniente del

hígado, el cual solo puede satisfacer estas

necesidades de 10 a 18 horas. Después de

este periodo, el glucógeno almacenado en

el hígado disminuye drásticamente. Debido

a ello comienza la formación de glucosa a

partir de sustratos diferentes al glucógeno.

Precursores.

Los precursores gluconeogénicos son

moléculas que pueden dar origen a una

síntesis neta de glucosa. Estas moléculas

incluyen a todos los intermediarios de la

gluconeogénesis y del Ciclo del ácido

cítrico. El glicerol, lactato y alfa-cetoácidos

obtenidos de la desaminación de los

aminoácidos glucogénicos son los

precursores más importantes para la

formación de glucosa.

Glucogénesis

35

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

El glicerol es liberado en el tejido adiposo

durante la hidrólisis de los triacilglicéridos y

es entregado por el torrente sanguíneo al

hígado. Esta molécula de tres átomos de

Carbono, es fosforilada a glicerol-fosfato, el

cual es oxidado a dihidrixiacetona fosfato,

un intermediario de la glucólisis.

El lactato es liberado por el músculo

esquelético en condiciones de ejercicio y

por células que no contienen mitocondrias

como los eritrocitos. En el ciclo de Cori el

músculo esquelético en condiciones de

ejercicio, degrada a la glucosa hasta

lactato, el cual difunde por el torrente

sanguíneo. El lactato es incorporado al

hígado y convertido en glucosa, la cual es

liberada a la circulación sanguínea.

Los a-cetoácidos como el piruvato,

oxaloacetato y alfa-cetoglutarato, derivan

del metabolismo de los aminoácidos

glucogénicos. Estas moléculas pueden

entrar al Ciclo del ácido citrico y formar

oxaloacetato, un precursor directo del

fosfoenolpiruvato.

Ciclo de Cori

La contracción del músculo está sostenida

por el consumo de ATP, que se regenera

por la fosforilación oxidativa en las

mitocondrias en las fibras musculares rojas

y por la glicolisis, que da lugar a lactato, en

las fibras musculares blancas. Las rojas

también producen lactato cuando la

demanda excede la capacidad de

producción de ATP por la fosforilación

oxidativa. El lactato se transfiere a través

de la sangre, al hígado, donde se convierte

en piruvato por la lactato deshidrogenasa y

después en glucosa por la gluconeogénesis.

Gracias al torrente sanguíneo, el hígado y

el músculo participan de un ciclo

metabólico conocido como el ciclo de Cori.

Esto sería el ciclo fútil

glicolisis/gluconeogénesis pero ahora no

ocurren en el mismo lugar (célula) sino en

diferentes (tejidos). El ATP del hígado se

utiliza para resintetizar glucosa a partir del

lactato producido en el músculo, y la

glucosa resintetizada vuelve de nuevo al

músculo para ser utilizada o almacenada

en forma de glucógeno. Este ciclo también

tiene lugar de manera importante en los

eritrocitos. La formación de lactato ahorra

tiempo y desvía parte de la carga

metabólica desde el músculo hasta el

hígado.

6 ATP hígado + 2 (ADP + Pi) eritrocito ® 6

(ADP + Pi)hígado + 2 ATPeritrocito

Ciclo de la Alanina.

El ciclo de la alanina resulta del transporte

de la alanina por la sangre relacionando el

músculo y el hígado. En el músculo se

forma alanina a partir del piruvato

producido en la glicolisis. La Ala al llegar al

hígado da lugar a piruvato y amonio. Este

último por la ureogénesis da lugar a urea

que se segrega en la sangre para ir al riñón,

mientras que el Pyr da lugar a glucosa a

través de la gluconeogénesis. En este caso

el NADH generado en la formación de Pyr

no se utilizan para formar lactato, sino que

se pueden utilizar para la producción de

ATP, en contraste con el ciclo de Cori,

donde el NADH se gasta en formar lactato

a partir de Pyr. El ciclo de la alanina es más

36

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

eficiente que el ciclo de Cori, aunque hay

que tener en cuenta que la formación de

urea es bastante costosa energéticamente

hablando.

10 ATPhígado + 6-8 (ADP + Pi)músculo + O2

músculo ® 10 (ADP + Pi)hígado + 6-8

ATPmúsculo

Estos ciclos son funcionales solo entre el

hígado y tejidos que no oxiden la glucosa

completamente a CO2 y H2O.

La ruta de la pentosa fosfato, también

conocida como lanzadera de fosfatos de

pentosas, es una ruta metabólica

estrechamente relacionada con la EMP

durante la cual se utiliza la glucosa para

generar ribosa, que es necesaria para la

biosíntesis de nucleótidos y ácidos

nucleicos. Además, también se obtiene

poder reductor en forma de NADP+ que se

utilizará como coenzima de enzimas

propias del metabolismo anabólico.

De esta manera, este proceso metabólico,

el cual es regulado por insulina, tiene una

doble función, ya que la glucosa se usa

para formar NADPH, mientras que también

se puede transformar en otros

componentes del metabolismo,

especialmente pentosas, utilizadas para la

síntesis de nucleótidos y de ácidos

nucleicos. Así, se forma un puente entre

rutas anabólicas y catabólicas de la

glucosa.1

La ruta de la pentosa fosfato tiene lugar en

el citosol, y puede dividirse en dos fases:

Fase oxidativa: se genera NADPH.

Fase no oxidativa: se sintetizan

pentosas-fosfato y otros

monosacáridos-fosfato

Fase oxidativa

Durante fase oxidativa, a partir de glucosa-

6-fosfato obtenida mediante la

fosforilación de la glucosa libre, se obtiene

NADPH y finalmente se forma la pentosa

ribulosa-5-fosfato, motivo por el cual este

proceso metabólico se denomina “la ruta

de la pentosa fosfato”.

La primera reacción es la oxidación de la

glucosa-6-fosfato, llevada a cabo por la

enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa.

En este primer paso se deshidrogena el

grupo C1 para dar un grupo carboxilo, el

cual, junto al C5, forma una lactona, es

Ciclo de las pentosas

37

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

decir, un éster intramolecular. Es aquí

donde se liberan dos hidrógenos de los

cuales se transfiere un protón (H+) y dos

electrones (e-) (hidridión) al NADP+ que

actua como aceptor de electrones

reduciéndose hasta formar la primera

molécula de NADPH; el protón sobrante

queda libre en el medio.

Acto seguido, se produce la hidrólisis de la

lactona gracias a la actuación de la

lactonasa, con lo que se obtiene el ácido

libre 6-fosfoglucanato. Seguidamente, éste

último se transforma en ribulosa-5-fosfato

por acción de la 6-fosfoglucanato

deshidrogenasa. Aquí se obtiene la

segunda molécula de NADPH, además de la

liberación de una molécula de CO2 debido a

la descarboxilación oxidativa del ácido

libre.

Finalmente, la enzima pentosa-5-fosfato

isomerasa, mediante un intermediario

endiol, isomeriza la ribulosa-5-fosfato y la

convierte en ribosa-5-fosfato, gracias a la

transformación del grupo cetosa en aldosa.

Esta última reacción prepara un

componente central de la síntesis de

nucleótidos para la biosíntesis de RNA,

DNA y cofactores de nucleótidos. Al mismo

tiempo, lleva a cabo la transición hacia la

fase no oxidativa de la ruta metabólica de

la pentosa fosfato.

De este modo se acaba obteniendo dos

moléculas de NADPH que, además de su

uso en la biosíntesis reductiva, también es

responsable del mantenimiento de un

medio reductor en la célula. Esto puede

verse si hay un déficit de glucosa-6-fosfato

deshidrogenasa, producido por un defecto

en un gen que se encuentra en el

cromosoma X, pudiendo afectar con mayor

proporción a los varones.

Los glóbulos rojos de la sangre necesitan

grandes cantidades de NADPH para la

reducción de la hemoglobina oxidada y

para poder regenerar el glutatión reducido,

un antioxidante que presenta importantes

funciones como la eliminación de

peróxidos y la reducción de

ferrihemoglobina (Fe3+). Estas necesidades

se ven cubiertas gracias a la ruta de la

pentosa fosfato con el intermediario de

reducción NADPH. Sin embargo, si existe

este defecto genético, debido a la ingesta

de algún determinado medicamento, como

el antimalárico primaquina, o algunos

vegetales, como por ejemplo las habas, los

eritrocitos se distribuyen en un lugar de

debilidad, pudiendo desenvolver en una

grave anemia hemolítica. Esta mutación

genética podría aumentar la producción de

peróxidos y con ello también habría la

oxidación de los lípidos de membrana,

junto a la aceleración de la degradación de

los eritrocitos. De este modo, se puede

observar como la ruta de la pentosa fosfato

es la única vía metabólica por la cual estas

células pueden producir NADPH.

A pesar de todo, los afectados por este

problema congénito se ven altamente

favorecidos en un aspecto. Estos suelen

vivir en zonas tropicales, ya que son

mejores protectores contra infecciones de

malaria. Esto puede verse explicado por la

necesidad inmediata de los plasmodios

hacia un medio reducido para su

metabolismo, ya que los parásitos resisten

mucho menos el estrés oxidativo respecto

a sus células huésped.

Fase oxidativa de la ruta de la pentosa fosfato.

38

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Fase no oxidativa

La fase no oxidativa de la ruta de la

pentosa fosfato se inicia en caso que la

célula necesite más NADPH que ribosa-5-

fosfato. En este segundo proceso se

encuentran una compleja secuencia de

reacciones que permiten cambiar los

azúcares C3, C4, C5, C6 y C7 de las

pentosas para poder formar finalmente

gliceraldehído-3-fosfato y fructosa-6-

fosfato, los cuales podrán seguir

directamente con la glucólisis.

Esta fase conlleva toda una serie de

reacciones reversibles, el sentido de las

cuales depende de la disponibilidad del

sustrato. Asimismo, la isomerización de

ribulosa-5-fosfato a ribosa-5-fosfato es

también reversible. Esto nos permite poder

eliminar el excedente de ribosa-5-fosfato

para acabar transformándolo en productos

intermediarios de la glucólisis.

La primera reacción llevada a cabo es la

epimerización, regulada mediante la

enzima pentosa-5-fosfato epimerasa, que

convertirá la ribulosa-5-fosfato, producto

de la fase oxidativa, en xilulosa-5-fosfato,

generando así el sustrato necesario para la

siguiente reacción controlada por la

transcetolasa, la cual actúa junto a la

coenzima pirofosfato de tiamina (TPP). Ésta

convertirá la xilulosa-5-fosfato en ribosa-5-

fosfato y, mediante la transferencia de una

unidad de C2 de la cetosa a la aldosa, se

producirá gliceraldehído-3-fosfato y

sedoheptulosa-7-fosfato.

Sucedido esto, la transaldolasa, con la

ayuda de un resto lisina en su centro

activo, transfiere una unidad C3 de la

sedoheptulosa-7-fosfato a gliceraldehído-

3-fosfato, con lo que se formarán la tetrosa

eritrosa-4-fosfato, además de uno de los

primeros productos finales: la hexosa

fructosa-6-fosfato, la cual se dirigirá hacia

la glucólisis.

Acto seguido, la enzima transcetolasa

vuelve a transferir una unidad C2, desde la

xilulosa-5-fosfato a eritrosa-4-fosfato,

consiguiendo así formar otra molécula de

fructosa-6-fosfato y un gliceraldehído-3-

fosfato, ambos intermediarios de la

glucólisis. De esta manera, se cierra la fase

no oxidativa de esta ruta metabólica.2

Esta fase de la ruta conectará los procesos

metabólicos que generan NADPH con los

que originan NADH/ATP. Por otra parte, el

gliceraldehído-3-fosfato y la fructosa-6-

fosfato pueden intervenir, en vez de en el

glucólisis, en la gluconeogénesis para

formar una nueva síntesis de glucosa.

Fase no oxidativa de la ruta de la pentosa fosfato.

39

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Fase oxidativa de la ruta de la pentosa fosfato.

Fase no oxidativa de la ruta de la pentosa fosfato.

En el momento que los azucares pasan al

torrente sanguíneo, los receptores

específicos captan ese aumento de

concentración, y la respuesta inmediata es

la liberación de insulina. La glucosa

entonces sale de la sangre y entra en las

células, con lo cual la glucemia retorna a la

normalidad.

Regulación de la glucemia

40

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Hormonas pancreáticas.

El páncreas endocrino (islotes de

Langerhans) elabora dos hormonas que

influyen en el metabolismo de la glucosa

(azúcar), según las necesidades del

cuerpo.Una de ellas es la insulina -

hormona producida por células beta de los

islotes-, que disminuye el nivel de glucosa

en la sangre. Y la otra es el glucagón -

hormona producida por células alfa-, que

aumenta los niveles de azúcar, extrayendo

desde el hígado todas las reservas de

glucosa que se van al flujo sanguíneo. La

somatostatina -otra hormona del

páncreasproducida por células delta-

interviene indirectamente en la regulación

de la glucosa, disminuyendo la secreción

de insulina y glucagón.

Insulina

Una concentración elevada de glucosa en

sangre produce la secreción de la insulina:

la glucosa se transporta a las células

corporales.

La absorción de la glucosa por el hígado, el

riñón y las células del cerebro se realiza por

difusión y no necesita insulina.

Glucagon

Los efectos del glucagón son opuestos a los

de la insulina.

Hormonas del crecimiento.

La hormona del crecimiento es un péptido

de una sola cadena de aminoácidos,

secretado por la hipófisis anterior o

adenohipófisis en respuesta a la

producción del factor liberador de

hormona del crecimiento (GHRF) en el

hipotálamo. La producción de GH es

controlada casi exclusivamente por el

41

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

sistema nervioso central: se produce en

distintos impulsos de forma que más de la

mitad de la cantidad total liberada

diariamente pasa a la sangre durante el

sueño. La somatostatina, hormona

reguladora de la hipófisis anterior

producida en el hipotálamo, inhibe la

secreción de GH. La deficiencia de GH

produce enanismo y su exceso gigantismo

o acromegalia.

La GH estimula la síntesis proteica en todas

las células, aumenta la movilización de

grasa y la utilización de los ácidos grasos

para obtener energía y disminuye la

utilización de los carbohidratos. Su acción

sobre el crecimiento depende de la

presencia de tiroxina, insulina y

carbohidratos. Las somatomedinas,

proteínas producidas principalmente en el

hígado, ejercen una función muy

importante en el crecimiento esquelético

inducido por la GH, pero la hormona no

puede producir la elongación de los huesos

largos una vez se han cerrado las epífisis,

por lo que la estatura no aumenta tras la

pubertad. La GH acelera el transporte de

aminoácidos específicos hacia el interior de

las células, estimula la síntesis de ARN

mensajero y ARN ribosómico, influye sobre

la actividad de diferentes enzimas,

aumenta el almacenamiento de fósforo y

potasio y promueve una moderada

retención de sodio.

Los lípidos, son un grupo de compuestos

químicamente diversos, solubles en

solventes orgánicos (como cloroformo,

metanol o benceno), y casi insolubles en

agua. La mayoría de los organismos, los

utilizan como reservorios de moléculas

fácilmente utilizables para producir energía

(aceites y grasas). Los mamíferos, los

acumulamos como grasas, y los peces

como ceras; en las plantas se almacenan en

forma de aceites protectores con aromas y

sabores característicos. Los fosfolípidos y

esteroles constituyen alrededor de la mitad

de la masa de las membranas biológicas.

Entre los lípidos también se encuentran

cofactores de enzimas, acarreadores de

electrones, pigmentos que absorben luz,

agentes emulsificantes, algunas vitaminas y

hormonas, mensajeros intracelulares y

todos los componentes no proteícos de las

membranas celulares.

Los lípidos, pueden ser separados

fácilmente de otras biomoléculas por

extracción con solventes orgánicos y

pueden ser separados por técnicas

Lípidos

42

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

experimentales como la cromatografía de

adsorción, cromatografía de placa fina y

cromatografía de fase reversa.

Funciones

La función biológica más importante de

losa lípidos es la de formar a las

membranas celulares, que en mayor o

menor grado, contienen lípidos en su

estructura. En ciertas membranas, la

presencia de lípidos específicos permiten

realizar funciones especializadas, como en

las células nerviosas de los mamíferos. La

mayoría de las funciones de los lípidos, se

deben a sus propiedades de

autoagregación, que permite también su

interacción con otras biomoléculas. De

hecho, los lípidos casi nunca se encuentran

en estado libre, generalmente están unidos

a otros compuestos como carbohidratos

(formando glucolípidos) o a proteínas

(formando lipoproteínas).

Clasificación

Estas importantes biomoléculas se

clasifican generalmente en: Lípidos

saponificables y no saponificables.

Además de los anteriores, existen lípidos

anfipáticos en cuya molécula existe una

región polar opuesta a otra apolar. Estos

lípidos forman las bicapas lipídicas de las

membranas celulares y estabilizan las

emulsiones (liquido disperso en un líquido).

Los ácidos grasos de importancia biológica,

son ácidos monocarboxílicos (ej. Ác laurico:

CH3(CH2)10COOH) de cadenas alifáticas de

diverso tamaño y que pueden contener o

no insaturaciones:

Los ácidos grasos naturales insaturados

(líquidos a temperatura ambiente), son

isómeros geométricos cis que pueden ser

monoinsaturados (ej. Ácido oleíco (ácido 9-

octadecenoíco)

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH) o

poliinsaturados (ej. Ácido araquidónico

(ácido 5,8,11,14-eicosatetraenoico)

CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH).

El código genético

El código genético consiste en la asignación

de tripletes de nucleótidos (codones) en el

RNA mensajero (mRNA) a cada uno de los

aminoácidos que formarán una cadena

polipeptídica.

Existen 64 combinaciones posibles de

codones. El código es redundante, porque

los 20 aminoácidos usualmente presentes

en los seres vivos son codificados por 61 de

estas combinaciones. Los tres codones

restantes actúan como señales de

terminación de la traducción.

Con muy pocas excepciones, el código

genético es el mismo en casi todos los

seres vivos.

Organización del genoma

43

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Flujo genético

El flujo genético (también conocido como

migración) es la transferencia de alelos de

genes de una población a otra.

La migración hacia o desde una población

pueden ser responsables de importantes

cambios en las frecuencias del acervo

genético (el número de individuos con un

rasgo particular). La inmigración puede

resultar en la introducción de nuevo

material genético al acervo genético

establecido de una especie o población

particular y, a la inversa, la emigración

provoca una pérdida de material genético.

Hay un número de factores que afectan al

ritmo del flujo genético entre poblaciones

diferentes. Uno de los factores más

significativos es la movilidad, y los animales

tienden a ser más móviles que las plantas.

Una mayor movilidad tiende a darle más

potencial migratorio a un individuo.

Síntesis del ADN

El proceso de replicación de ADN es el

mecanismo que permite al ADN duplicarse

(es decir, sintetizar una copia idéntica). De

esta manera de una molécula de ADN

única, se obtienen dos o más "clones" de la

primera. Esta duplicación del material

genético se produce de acuerdo con un

mecanismo semiconservativo, lo que indica

que las dos cadenas complementarias del

ADN original, al separarse, sirven de molde

cada una para la síntesis de una nueva

cadena complementaria de la cadena

molde, de forma que cada nueva doble

hélice contiene una de las cadenas del ADN

original. Gracias a la complementacion

entre las bases que forman la secuencia de

cada una de las cadenas, el ADN tiene la

importante propiedad de reproducirse

idénticamente, lo que permite que la

información genética se transmita de una

célula madre a las células hijas y es la base

de la herencia del material genético.

La molécula de ADN se abre como una

cremallera por ruptura de los puentes de

hidrógeno entre las bases

complementarias liberándose dos hebras y

la ADN polimerasa sintetiza la mitad

complementaria añadiendo nucleótidos

que se encuentran dispersos en el núcleo.

De esta forma, cada nueva molécula es

idéntica a la molécula de ADN inicial.

La replicación empieza en puntos

determinados: los orígenes de replicación.

Las proteínas iniciadoras reconocen

secuencias de nucleótidos específicas en

esos puntos y facilitan la fijación de otras

proteínas que permitirán la separación de

las dos hebras de ADN formándose una

horquilla de replicación. Un gran número

de enzimas y proteínas intervienen en el

mecanismo molecular de la replicación,

formando el llamado complejo de

replicación o replisoma. Estas proteínas y

enzimas son homólogas en eucariotas y

arqueas, pero difieren en bacterias.

44

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Mutaciones y reparaciones del ADN

Una de las fuentes de variabilidad genética

que han hecho posible la evolución es la

mutación o cualquier cambio heredable en

la secuencia de nucleótidos del material

genético (ADN) de un organismo. Las

mutaciones suponen la alteración del

genotipo, o constitución genética del

individuo, y en ocasiones también del

fenotipo que son las características

externas del individuo.

Las mutaciones ocurren al azar, esto se

descubrió en un experimento en el que se

hicieron 10 cultivos de 10 (8) células cada

uno. A cada cultivo se le añadió el fago T1,

las células eran de E. coli. Si las mutaciones

no ocurren al azar cabría esperar que el

número de colonias resistentes fuera más

o menos igual en cada cultivo, si la

mutación es al azar se espera gran

variabilidad en el número de colonias

resistentes en cada tubo. Así, se comprobó,

que la mutación era al azar.

Las mutaciones pueden afectar a uno

(puntuales), unos pocos (pseudopuntuales)

o a un gran número de nucleótidos de una

secuencia de ADN (cromosómicas).

TIPOS DE MUTACIONES

Puntuales y pseudopuntuales

Cambios de base

1. transiciones: Purina por purina

y pirimidina por pirimidina

2. transversiones: Purina por

pirimidina y pirimidina por

purina

Desfases (cambio en el número)

1. deleción

2. inserción

Cromosómicas

1. deleciones

2. duplicaciones

3. inversiones

4. translocaciones

Las mutaciones pueden ser espontáneas

mediante varios mecanismos diferentes,

incluyendo errores de replicación del DNA

y lesiones fortuitas de éste; o mediante

mutágenos. Los mutágenos son agentes

que aumentan la frecuencia de

mutagénesis, generalmente alterando el

DNA y en este caso son inducidas.

MUTACIONES ESPONTÁNEAS

Errores en la replicación del DNA

Durante la síntesis del DNA puede

producirse un error en la

replicación porque se forme un

emparejamiento ilegítimo de

nucleótidos como A-C que da lugar

a la sustitución de una base por

otra.

Cada una de las bases aparece en

el DNA en una de varias formas

llamadas tautómeros que son

isómeros que se diferencian en las

posiciones de sus átomos y en los

puentes que se forman entre ellos.

Esas formas están en equilibrio. La

forma ceto es la que se encuentra

normalmente en el DNA mientras

45

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

que las formas imino o enol son

menos frecuentes. La capacidad

del tautómero menos frecuente de

una base de emparejarse

erróneamente y producir

mutaciones durante la replicación

del DNA fue puesta de manifiesto

por primera vez por Watson y

Crick. A estos emparejamientos

erróneos se les llama cambios

tautoméricos.

También pueden ocurrir

emparejamientos erróneos cuando

una de las bases se ioniza, esto

sucede con más frecuencia que los

cambios tautoméricos.

Transiciones

Todos los emparejamientos

erróneos anteriores producen

mutaciones por transición, en las

que una purina es sustituida por

otra purina y una pirimidina es

sustituida por otra pirimidina.

Transversiones

No pueden realizarse por

emparejamientos erróneos como

los debidos a cambios

tautoméricos.

Pero sí pueden realizarse si una

base sufre un cambio tautomérico

mientras que la otra base rota

sobre su enlace glucosídico y

quedan enfrentadas sus cargas.

Desaminación

Es una de las más frecuentes

debido a la inestabilidad química,

afectando gravemente a la

replicación del ADN provocando

transiciones. En este caso la base

se modifica antes de la replicación

debido a los radicales que provoca

el metabolismo.

La desaminación de citosina

produce uracilo, así los resíduos de

uracilo que no sean reparados se

emparejarán con adenina durante

la replicación produciendo la

conversión de un par GC en uno

AT, se produce una transición.

Cambios de fase

Estas mutaciones pueden ser

inserciones o deleciones.

Las inserciones se producen por un

deslizamiento o "resbalón" de la

cadena sintetizada con lo que se

forma un lazo de varios pares de

bases. En la siguiente ronda de

replicación se añadirán tantas

bases como comprenda el lazo ya

que cuando se produce el

"resbalón" sigue replicándose por

donde se quedó antes del

"resbalón".

Las deleciones se producen por un

deslizamiento o "resbalón" de la

cadena molde, como las que hay

que copiar no se pueden no se

añaden a la caden hija.

Despurinización

El ADN pierde de alguna manera

alguna de sus bases y si hay un

hueco la reparación introduce una

base.

La frecuencia de las mutaciones

espontáneas es generalmente baja.

EFECTOS DE LOS CAMBIOS

Se expresan cuando el gen pasa a su

proteína correspondiente. Los efectos de

los cambios pueden ser:

Cambios de sentido: se cambia un

aminoácido por otro

Sin sentido: la mutación se

produce porque se transforma en

un codón de terminación.

Desfases: si hay una deleción de la

base, la pauta de lectura cambia y

46

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

se produce un gran cambio en la

proteína y es muy grave.

Mutaciones silenciosas: son

mutaciones sin efecto: UUU (Phe)--

-> UUC (Phe)

El aminoácido que cambia es muy

parecido y la proteína sigue

funcionando.

En eucariotas tienen un efecto muy grave

ya que pueden provocar enfermedades, se

dan sobre todo, cuando hay una deleción

de 5.000 pb (pares de bases) que afecta a

dos genes y producen la enfermedad como

problemas respiratorios de inteligencia.

MUTACIONES INDUCIDAS

Existen puntos de un gen donde la

mutación es más frecuente se llaman

PUNTOS CALIENTES. Al genotipo silvestre o

salvaje se le utiliza como patrón y en el que

se produce la variación se le llama

mutante.

Una estirpe mutante puede cambiar a otra

y luego volver a la inicial, a esto se le llama

regresión. Los mutantes se inducen con

mutágenos que son de varios tipos y cada

uno induce una mutación distinta, aunque

suele ser al azar.

Los mutágenos son de varios tipos:

Mutágenos Químicos

Análogos de bases:

Algunos compuestos químicos son

suficientemente parecidos a las

bases nitrogenadas normales del

DNA para, ocasionalmente,

incorporarse a éste en lugar de las

bases normales, tales compuestos

se llaman análogos de bases. Una

vez en su sitio tienen propiedades

de emparejamiento distintas de

aquellas a las que han sustituido,

de este modo, causan mutaciones

al provocar que, durante la

replicación, se inserten frente a

ellas nucleótidos incorrectos. El

análogo de base original sólo están

en una cadena sencilla pero puede

provocar el cambio de un par de

nucleótidos que se replica en todas

las copias de ADN descendientes

de la cadena original. Ejemplos

son: 5-bromurouracilo, 2-

aminopurina.

Modificadores de bases:

Ácido nitroso: provoca una

desaminación que modifica las

bases C-->U, G--->X, con lo que se

produce un apareamiento erróneo.

Hidroxilamina: provoca una

transición de G-->A y se da

principalmente en bacterias.

Agentes alquilantes: introducen

grupos alquilo a las cuatro bases en

muchas posiciones, produciendo

transiciones, etilmetanosulfonato y

la nitrosoguanidina.

Agentes intercalantes: son

moléculas planas que imitan pares

de bases y son capaces

deddeslizarse entre las bases

nitrogenadas apiladas en el núcleo

de la doble hélice, mediante un

proceso de intercalación. En esta

posición el agente puede producir

deleciones o deleciones de un par

de nucleótidos. Algunos agentes

intercalantes son: proflavina,

naranja de acridina y ICRs.

Pérdida del emparejamiento

específico: Un gran número de

mutágenos dañan una o más

bases, haciendo imposible el

posterior emparejamiento

específico. El resultado es un

47

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

bloqueo en la repliación, puesto

que la síntesis del DNA no sigue

más allá de una base que no puede

especificar una complementaria

mediante puentes de hidrógeno.

Este fallo es replicado por el

mecanismo SOS.

Radiaciones UV: que producen

dímeros de timina, rayos X y las

radiaciones gamma que rompen el

DNA.

MECANISMOS DE REPLICACIÓN

Reparación directa

Son sistemas que eliminan

directamente el daño del UV en el

DNA, como es el caso de los

dímeros de timina. La luz visible

activa la fotoliasa que rompe los

dímeros de timina.

Otro ejemplo son las

alquiltransferasas y su actividad

consiste en eliminar los grupos

alquilo, también se repara la

despurinización gracias a las

glicosidasas del ADN.

Dependiente de replicación

Todas las células contienen

endonucleasas que atacan los sitios

que quedan tras la pérdida

espontánea de resíduos de purina

o pirimidina. Por comodidad, los

sitios sin purina o sin pirimidina se

denominan sitios AP. Las

endonucleasas AP son vitales para

la célula porque, como se apuntó

con anterioridad, la

despurinización espontánea es un

hecho relativamente frecuente.

Estas enzimas introducen

hendiduras en la cadena mediante

la rotura de enlaces fosfodiésteres

en los sitios AP. Esto promueve un

proceso de reparación por escisión

medidado por otras tres enzimas:

una exonucleasa, la polimerasa de

DNA I y la ligasa de DNA.

Escisión

Esta vía de reparación está

determinada por tres genes

denominados uvrA, uvrB y uvrC.

Este sistema reconoce cualquier

lesión que cree una distorsión

importante en la doble hélice de

DNA. Una endonucleasa

denominada nucleasa uvrABC

realiza una incisión alejada varios

pares de bases a cualquier lado de

la base dañada, eliminándose a

continuación un fragmente de DNA

de cadena sencilla. El pequeño

hueco se rellena entonces

mediante síntesis de reparación y

queda sellado por la ligassa de

DNA.

Sistema GO

Dos glucosilasas actúan

conjuntamente para eliminar las

mutaciones causadas por las

lesiones que produce en el DNA el

8-oxodG. Las glucosilasas junto al

producto del gen mutT forman el

sistema GO.

Cuando se originan lesiones GO en

el DNA, por daño oxidativo

espontáneo, una glucosilasa

cifrada en el gen mutM elimina la

lesión. Aún así persisten algunas

lesiones GO que emparejan

erróneamente con adenina. Una

segunda glucosilasa producto del

gen mutY elimina la adenina de

este emparejamiento erróneo

específico, llevando al

restablecimiento de la citosina

correcta por síntesis de reparación.

Sistema SOS

En E. coli depende de los genes

recA, umuC y umuD. Cuando se

48

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

encuentra un tramo sin cifrar actúa

el sistema SOS.

Se activa la proteína recA que

induce la presencia de las

proteínas SulA y SulB que

interaccionan con la DNA pol III.

Ésta hace que pierda afinidad y

prosiga la síntesis de ADN y

dejando el hueco y sin que la célula

muera.

Reparación postreplicativa

Algunas vías de reparación

reconocen errores incluso después

de que haya tenido lugar la

replicación. Uno de estos sistemas,

denominado sistema de reparación

de emparejamientos erróneos.

Para averiguar cual de las dos

bases es la errónea debe

diferenciar entre la cadena

progenitora y la cadena hija. Lo

diferencia porque la enzima

metiladora metilasa de la adenina

tarda varios minutos en metilar la

cadena hija.

Las proteínas mut S y mut L

interaccionan con el sitio mal

emparejado y una proteína mutH

rompe la cadena recién sintetizada.

Alrededor del emparejamiento

erróneo, las cadenas de DNA se

separan con ayuda de una proteína

denominada MutU y se estabilizan

con SSB. Y las polimerasas copian

el segmento de DNA.

Transcripción

La transcripción: del DNA al RNA

La transcripción es el proceso de síntesis de

RNA a partir de DNA. Sigue el mismo

principio de apareamiento de bases que la

replicación del DNA, pero se reemplaza la

timina por el uracilo. En cada transcripción,

sólo una de las cadenas del DNA se

transcribe. La RNA polimerasa cataliza la

adición de ribonucleótidos al extremo 3´ de

la cadena de RNA, de modo que esta

última es antiparalela a la cadena molde de

DNA.

Transcripción del DNA

En la región del promotor, punto de unión

de la enzima RNA polimerasa, la doble

hélice de DNA se abre y, a medida que la

RNA polimerasa avanza a lo largo de la

molécula de DNA, se separan las dos

cadenas. Los ribonucleótidos, que

constituyen los bloques estructurales, se

ensamblan en la dirección 5' a 3' a medida

que la enzima lee la cadena molde de DNA.

Nótese que la cadena de RNA recién

sintetizada es complementaria, no idéntica,

a la cadena molde a partir de la cual se

transcribe; su secuencia, sin embargo, es

idéntica a la cadena codificante de DNA (no

transcrita), excepto por un detalle: en el

RNA, la timina (T) se reemplaza por uracilo

(U). El RNA recién sintetizado se separa de

la cadena molde de DNA.

La RNA polimerasa no necesita un cebador

para iniciar la síntesis. Se une al DNA en

una secuencia específica, el promotor, que

define el punto de inicio de la transcripción

y su dirección.

En los procariontes, el proceso de

transcripción continúa hasta que la

polimerasa encuentra una secuencia que

constituye la señal de terminación. En los

49

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

eucariontes, el proceso termina cuando el

RNA es cortado en una secuencia

específica. Al finalizar la transcripción, la

RNA polimerasa se detiene y libera la

cadena molde de DNA y el mRNA

sintetizado.

En los eucariontes, los transcritos primarios

sufren diversas modificaciones durante la

transcripción. Entre ellas se encuentran la

adición del CAP, la poliadenilación y el

splicing. Este último proceso consiste en el

corte y la eliminación de ciertas secuencias,

los intrones, y el posterior empalme de las

secuencias restantes, los exones. Sólo los

exones forman parte del mRNA maduro.

Un mismo transcrito primario puede ser

procesado por splicing de distintas

maneras. Este empalme alternativo

permite que una molécula de mRNA

inmadura pueda originar diferentes

moléculas de mRNA maduro.

Traducción

La traducción: del RNA al polipéptido

La traducción es la conversión de la

secuencia de nucleótidos del RNA en la

secuencia de aminoácidos de un

polipéptido. En este proceso participan los

mRNA, los RNA ribosómicos (rRNA) y los

RNA de transferencia (tRNA).

Los ribosomas están formados por rRNA y

proteínas. Cada uno está formado por dos

subunidades de diferente tamaño que,

además, en los procariontes son más

pequeñas que en los eucariontes.

El mRNA y el tRNA iniciador se unen a la

subunidad ribosómica menor. Luego se les

une la subunidad mayor y cataliza la unión

peptídica entre aminoácidos. En la

subunidad mayor existen tres sitios a los

que se une el tRNA: el sitio A

(aminoacílico), el sitio P (peptidílico) y el

sitio E (de salida).

Los tRNA son moléculas pequeñas, con una

estructura secundaria semejante a la hoja

de un trébol, que presentan dos sitios de

unión. Uno de ellos es el anticodón, que se

aparea con el codón del mRNA. El otro

sitio, ubicado en el extremo 3´, se acopla a

un aminoácido particular en forma muy

específica. Así, los tRNA permiten la

alineación de los aminoácidos de acuerdo

con la secuencia de nucleótidos del mRNA.

El grupo de enzimas aminoacil-tRNA

sintetasas catalizan la unión entre el

aminoácido y el tRNA y forman el complejo

aminoacil-tRNA. Este complejo se une a la

molécula de mRNA, apareando el

anticodón con el codón del mRNA en forma

antiparalela. Así, el tRNA coloca al

aminoácido específico en su lugar. El

enlace entre el aminoácido y el tRNA se

rompe cuando se forma el enlace entre el

aminoácido recién llegado y el último de la

cadena polipeptídica en crecimiento.

En los procariontes, el proceso de

traducción comienza antes de que haya

finalizado el de transcripción. En los

eucariontes, ambos procesos están

separados en el tiempo y en el espacio: la

transcripción ocurre en el núcleo y la

traducción, en el citoplasma.

Tanto en procariontes como en

eucariontes, la síntesis de polipéptidos

50

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

ocurre en tres etapas: iniciación,

elongación y terminación.

Hacia el final del mRNA hay un codón que

actúa como señal de terminación. No

existe ningún tRNA que tenga un anticodón

que se aparee con este codón. Existen, en

cambio, factores de liberación que se unen

al codón de terminación y provocan la

separación del polipéptido y el tRNA.

Finalmente, las dos subunidades

ribosómicas también se separan.

Importancia de la tecnología del

DNA recombinante en el área de la

biomedicina.

El ADN recombinante, o ADN recombinado,

es una molécula de ADN artificial formada

de manera deliberada in vitro por la unión

de secuencias de ADN provenientes de dos

organismos de especies diferentes que

normalmente no se encuentran juntos. Al

introducirse este ADN recombinante en un

organismo se produce una modificación

genética que permite la adición de un

nuevo ADN al organismo conllevando a la

modificación de rasgos existentes o la

expresión de nuevos rasgos. La producción

de una proteína no presente en un

organismo determinado y producidas a

partir de ADN recombinante se llaman

proteínas recombinantes.

El ADN recombinante es resultado del uso

de diversas técnicas que los biólogos

moleculares utilizan para manipular las

moléculas de ADN y difiere de la

recombinación genética que ocurre sin

intervención dentro de la célula. El proceso

consiste en tomar una molécula de ADN de

un organismo, sea un virus, planta o una

bacteria y en el laboratorio manipularla y

ponerla de nuevo dentro de otro

organismo. Esto se puede hacer para

estudiar la expresión de un gen, para

producir proteínas en el tratamiento de

una enfermedad genética, vacunas o con

fines económicos y científicos vector que

se utiliza contiene secuencias de ADN que

al ser replicadas confieren resistencia a

antibióticos específicos. Esta técnica ha

sido ampliamente utilizada en el campo de

la medicina y ha permitido el desarrollo de

importantes avances terapéuticos como

por ejemplo la producción de insulina

recombinante.

Permite además la posibilidad de utilizar

plantas y alimentos transgénicos, así como

microorganismos modificados

genéticamente para producir fármacos u

otros productos de utilidad para el

hombre, entre los que se pueden citar: la

insulina humana, la hormona del

crecimiento, interferones, la obtención de

nuevas vacunas o la clonación de animales.

El uso de ADN recombinantes puede

también tener un impacto perjudicial que

un uso inadecuado podría provocar en el

ser humano y en el propio planeta.

Con el uso de ADN recombinante se ha

logrado obtener plantas transgénicas

resistentes a insectos, hongos, bacterias y

herbicidas, con mejores características de

calidad durante poscosecha y con alto

contenido nutricional. También ha

permitido la clonación, expresión y

producción mediante esta técnica de

diversos antígenos, por ejemplo, la vacuna

51

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

contra la hepatitis B5 y la vacuna contra el virus del papiloma humano.

Clásicamente, la homeostasis se definía

como el conjunto de funciones que

mantienen dentro de un cierto rango los

valores de las variables controladas del

medio interno en cada situación fisiológica

y consiguen con ello una supervivencia

óptima del organismo. Esta definición

sistémica de la homeostasis debe

ampliarse incluyendo los mecanismos de

homeostasis celular: reparación del ADN,

reparación de proteínas, degradación

proteica en el proteasoma y en los

lisosomas, senescencia celular, apoptosis y

regeneración celular. Sin la homeostasis

celular sería imposible la homeostasis del

organismo.

Para el mantenimiento de la homeostasis

del organismo las células de los diferentes

tejidos deben regular estrechamente la

proliferación, la diferenciación, la

supervivencia y la territorialidad. El exceso

de proliferación, la falta de diferenciación,

la supervivencia excesiva y la pérdida de

territorialidad, con capacidad de invadir

territorios vecinos o colonizar tejidos

distantes, son características de los

tumores malignos, que acaban con la

homeostasis del organismo. Para mantener

la homeostasis sistémica, resulta pues

necesario preservar la homeostasis celular

Las células de los diferentes tejidos tienen

mecanismos de supervivencia frente a

diferentes agresiones externas o internas,

por ejemplo las debidas a la producción de

agentes oxidantes. Si se altera el ADN, las

células responden con mecanismos de

reparación que devuelven la integridad a la

molécula. Como consecuencia de las

alteraciones del ADN, las células pueden

entrar en un estado denominado

senescencia mitótica en el que las células

dejan de dividirse de forma irreversible. Las

alteraciones del ADN pueden

desencadenar también un proceso de

muerte celular programada denominado

apoptosis. Otra consecuencia de las

agresiones que experimenta la célula es la

desnaturalización de las proteínas. Las

proteínas desnaturalizadas pueden

repararse gracias a la acción

renaturalizante de las proteínas

denominadas chaperoninas. En situaciones

de estrés (hipertermia, estrés oxidativo)

aumenta la expresión de chaperoninas. Las

proteínas desnaturalizadas pueden

eliminarse por degradación en el

proteasoma, después de su conjugación

con moléculas de ubicuitina, o en los

lisosomas (autofagia). La autofagia puede

ser dependiente o independiente de las

chaperoninas. Gracias a los mecanismos de

senescencia y de apoptosis se evita la

formación de tumores pero disminuye el

número de células. El mantenimiento de la

homeostasis requiere reemplazar las

células perdidas activando los mecanismos

de regeneración. Las células madre son

responsables de la regeneración de los

tejidos.

Estas células son particularmente

resistentes a las agresiones. Son capaces

de neutralizar agentes genotóxicos y de

Homeostasis celular

52

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

expulsarlos fuera de la células. Poseen

además eficientes mecanismos de

reparación y son muy resistentes a la

apoptosis.

El metabolismo es el ensamble de las

transformaciones moleculares y de

transferencia de energía que se desarrollan

sin interrupciones dentro de la célula o del

organismo. Los procesos son ordenados,

interviniendo procesos de degradación

(catabolismo) y de síntesis orgánica

(anabolismo). Se puede distinguir el

metabolismo basal (durante el sueño) y el

metabolismo en actividad (actividad

cotidiana).

Toda actividad celular y del organismo

requiere de energía, pero también, de

nutrimentos específicos (proteínas, ácidos

nucleicos, lípidos, minerales, vitaminas),

que deben moverse a través de

membranas, con frecuencia contra un

gradiente de concentración, lo que implica

un gasto importante de energía. Los niveles

de energía y las concentraciones de

nutrimentos deben estar disponibles

constantemente y deberán satisfacer la

tasa de actividad y sus variaciones. La

economía y la flexibilidad son los principios

que gobiernan la regulación de las vías

metabólicas. Los organismos deben regular

sus actividades metabólicas

económicamente para evitar deficiencias o

excesos de productos metabólicos. El

organismo debe ser flexible para poder

alterar su metabolismo ante cambios

significativos en su medio (variaciones en

las concentraciones o en el tipo de

nutrientes).

Metabolismo de carbohidratos (CHOs)

Los carbohidratos de la ración

proporcionan más del 50% de la energía

necesaria para el trabajo metabólico, el

crecimiento, la reparación, la secreción, la

absorción, la excreción y el trabajo

mecánico.

El metabolismo de CHOs incluye las

reacciones que experimentan los CHOs de

orígenes alimentarios o los formados a

partir de compuestos diferentes a los

CHOs. La oxidación de este tipo de glúcidos

proporciona energía, se almacenan como

glucógeno, sirven para la síntesis de

aminoácidos no esenciales y ante el exceso

de CHOs se favorece la síntesis de ácidos

grasos.

Metabolismo

53

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

Metabolismo de lípidos

Los ácidos grasos (AG) son los

componentes principales de los lípidos

complejos (triacilgliceroles, fosfolípidos).

Los triacilgliceroles son la forma más

importante de almacenamiento de energía

en los animales. Este tipo de

almacenamiento presenta sus ventajas, al

oxidarse el C de los AG producen más ATP

que cualquier otra forma de C, además, los

lípidos están menos hidratados que los

polisacáridos, por lo que ocupan menos

espacio. Los AG se incorporan a las

membranas celulares. El principal órgano

de interconversión y metabolismo de

lípidos es el hígado.

Metabolismo de proteínas

Las proteínas funcionan como enzimas,

para formar estructuras, pero además los

aminoácidos pueden utilizarse como

fuente de energía o como sustratos para

otras rutas biosintéticas. En los animales

superiores, los aminoácidos provienen de

la proteína de la dieta o por recambio

metabólico de proteína endógena. El

exceso de aminoácidos se degrada

parcialmente para dejar esqueletos de

carbono para biosíntesis o se degradan

totalmente para producir energía.

Los aminoácidos son catabolizados a través

de la remoción del nitrógeno (N), a través

de dos rutas principales: la transaminación

y la desaminación oxidativa. En la

transaminación, un aminoácidos dona su

grupo amino al α-cetoglutarato (ciclo de

Krebs) se forma un α-cetoácido y

glutamato, el coenzima utilizado es

principalmente el piridoxal fosfato. Esta

reacción es reversible y se encuentra

ampliamente distribuida en los tejidos,

especialmente: cerebro, corazón, riñón,

hígado. Sólo la lisina, treonina, prolina e

hidroxiprolina no sufren transaminación. La

regeneración del α-cetoglutarato se

consiguemediante la desaminación

oxidativa del glutamato catalizada por la

glutamato deshidrogenasa unida al NAD.

El amoniaco resultante de la desaminación

de a.a. se transforma en urea en el hígado

para destoxificarlo. En muchos órganos

(cerebro, intestino, músculo esquelético),

la glutamina es el transportador del exceso

de N. En el músculo esquelético existe el

ciclo glucosa-alanina para transportar el

amoniaco al hígado bajo la forma de

alanina.

La formación de urea involucra una serie

de pasos de la ornitina en arginina. La urea

se forma a partir de la arginina. El ciclo de

la urea utiliza cinco enzimas:

argininosuccinato sintasa, arginasa,

arginosuccinato liasa (los tres se

encuentran en el citosol), ornitina

transcarbamoilasa y carbamoilfosfato

sintasa (presentes en la mitocondria). El

amonio libre formado en la desaminación

oxidativa del glutamato se convierte en

carbamoil fosfato, reacción catalizada por

la carbamoil fosfato sintetasa I y que

requiere dos ATP. El carbamoil fosfato

transfiere su grupo amino a la ornitina y

forma citrulina.

Ésta debe transportarse a través de la

membrana mitocondrial al citosol, donde

se formará la urea

En cada vuelta del ciclo de la urea se

eliminan dos N, uno que se origina de la

desaminación oxidativa del glutamato y el

otro del aspartato. Como el se hidroliza, se

necesitan 4 fosfatos de alta energía para

formar una molécula de urea. El fumarato

54

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

es el vínculo entre el ciclo de la urea y el de

Krebs.

Después de la desaminación, el esqueleto

de carbono de los aminoácidos puede ser

utilizado para la producción de energía. El

catabolismo de los aminoácidos involucra

su conversión a intermediarios en el ciclo

de Krebs, su conversión a piruvato o a

acetil-CoA. Este último puede oxidarse en

el ciclo de Krebs o puede convertirse en

acetoacetato y lípidos. Los aminoácidos

que forman acetoacetato son cetogénicos,

ya que no pueden convertirse en glucosa.

Los aminoácidos que forman α-

cetoglutarato o ácidos dicarboxílicos de

cuatro carbonos estimulan el

funcionamiento del ciclo de Krebs y son

considerados glucogénicos. La tabla 1

presenta algunos productos derivados de

los aminoácidos.

Principalmente se debe resaltar el

facilitamiento que le han brindado las

nuevas tecnologías a los seres humanos.

Resaltando las tecnologías no sería muy

complicado aplicarlas en nuestra vida

profesional, ya que la biología

involucrándola con las tecnologías

podríamos observar videos sobre los inicios

de la vida de los seres vivos su evolución y

cada proceso que se presenta durante su

ciclo de vida.

Como bien sabe químicamente el cuerpo

humano está formada por miles de

millones de moléculas cada molécula

representa complicados compuestos

químicos que al ser analizados

tecnológicamente podrían llegar hacer mas

fáciles de comprender en el ámbito

estudiantil, si el docente se encuentra

capacitado tecnológicamente con este

objetivo.

Para terminar aquellas ciencias como la

biología, la química y la bioquímica serian

más fácil su asimilación, e interpretación

tanto para profesionales es su ámbito

laboral, como para estudiantes en su vida

estudiantil y el mejor aprendizaje de estos

temas.

Objetivo de la nanotecnología

El nanoanálisis, en especial el análisis de

nanomaterial y el uso de nanotecnología

analíticas para ser desarrollado los

principios de la máquina de los nanos

materiales, nanocristales, nanotubos,

sistemas supra moleculares etc. En donde

la nanotecnología proporcionaría un

conocimiento amplio sobre los nuevos

procedimientos de análisis en micro fluidos

y se considerara de forma detallada las

posibilidades de estas nuevas tecnologías

Relación entre la Bioquímica y la Nanotecnología.

55

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

(nanotecnología) en lo que es tener buenos

análisis químicos, biológicos y bioquímicos

en el desarrollo de la nanotecnología.

Nanomedicina

Una de las vertientes más prometedoras

dentro de los potenciales nuevos avances

tecnologicos en la medicina. Podríamos

aventurar una definición situándala como

rama de la nanotecnología que permitiría

la posibilidad de curar enfermedades

desde dentro del cuerpo y al nivel celular o

molecular.

Se considera que determinados campos

pueden ser objeto de una autentica

revolución, especialmente: monitorización

(imágenes), reparación de tejidos, control

de la evolución de las enfermedades,

defensa y mejora de los sistema biológicos

humanos; diagnóstico, tratamiento y

prevención, alivio del dolor, prevención de

la salud, adeministración de medicamentos

a las células, etc. etc. Todos ellos

constituirían nuevos avances tecnologicos

en la medicina que la posicionarían en una

nueva era científica y asistencial.

La descripción de algunos últimos avances

científicos lleva a lo que hace poco sería

considerado ciencia ficción dentro de la

Medicina. Biosensores, nuevas formas de

administrar medicamentos más directas y

eficaces y el desarrollo de nuevos

materiales para injertos, entre otras, son

algunos de los avances en lo que se trabaja

en la actualidad en multitud de

laboratorios de los centro de

nanotecnología en todo el mundo.

El siguiente párrafo recoge de forma clara

algunas de sus aplicaciones:

La posibilidad de diseñar sensores que se

activan cuando cambien determinadas

constantes biológicas cambian. Por

ejemplo, los pacientes diabéticos podrían

verse favorecidos al recibir insulina

encapsulada en células artificiales, que la

dejen salir cuando aumente la glucosa en la

sangre.

Esto también permite realizar exámenes en

forma muy sencilla, incluso en la casa para

un autodiagnóstico. “Los biosensores se

han utilizado para muchas aplicaciones,

por ejemplo, para detectar la presencia de

ántrax (...) La silicona porosa también

puede utilizarse como sistema de

administración de medicamentos

inteligentes. A diferencia de la tradicional,

es biocompatible y no tiene efectos tóxicos.

La característica de porosa fue creada con

nanotecnología. Además con ella se

pueden hacer injertos. “Es una plataforma

espectacular, muy útil y además la silicona

es barata”, afirma Ford.... Otros vehículos

son los dendrímeros que consisten en

polímeros con ramificaciones. Cada cabo

puede tener distintas propiedades. Los

dendrímeros podrían tragarse y realizar

56

Ingeniería en Nanotecnología - UAQ

Trabajo Final – Bioquímica 3er

Semestre

Ricardo Navarro López

diferentes funciones bastante complicadas,

como buscar daños dentro del organismo y

repararlos. (Recogido en Clínica Alemana).

El objetivo del Instituto Nacional de Cáncer

de los Estados Unidos es utilizar la

nanotecnología, para eliminar, antes de

2015, las muertes y el sufrimiento

causados por el cáncer. Las investigaciones

actuales se centran en como utilizar la

nanotecnología para cambiar de forma

radical la capacidad de la medicina para

diagnosticar, comprender y tratar el cáncer

(Ver: Avances Tecnológicos:

Nanotecnología y cáncer).

La Nasa impulsa actualmente programas

para el diseño de un prototipo de célula

artificial.

La nanomedicina se convierte así en una

rama fundamental de las prometedoras

aplicaciones de la nanociencia.

Probablemente una de las de mayor

alcance para el ser humano. No son pocos

los que alertan de riesgos no despreciables

que pueden estar ligados a estos avances.