Apuntes de Bioquimica I - Medicina - Universidad de Sevilla.
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Tema 1: Concepto de bioquímica y su relación con las demás ciencias
experimentales.
Introducción: Historia
Durante muchos años había imperado el vitalismo. El vitalismo consistía en
creer que los seres vivos estaban compuestos por elementos diferentes al de los seres
inertes.
A principios de siglo XX, Watson y Crick llegaron a proponer estructuralmente
la cadena de ADN, la encargada de transmitir la información genética. Anteriormente se
pensaba que las proteínas transmitían la información genética
Composición de los seres vivos: Bioelementos.
Los bioelementos son elementos químicos que se encuentran en los seres vivos.
Éstos lo conforman unos 20 elementos. Los seres vivos están formados básicamente por
agua (65 – 90%), lo que hace que el oxígeno sea porcentualmente el elemento más
abundante. El carbono es mucho más abundante en los seres vivos que en el resto del
universo. El porcentaje de cada uno de estos varía de un organismo a otro.
Dependiendo de la abundancia con la que se encuentren en los seres vivos podemos
distinguir tres tipos de bioelementos:
• Bioelementos primarios: son los más abundantes. Forman el 97% de nuestro
cuerpo. Son el C, H, O, N.
• Bioelementos secundarios: Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe. También están presentes
en los seres vivos pero en menor cantidad. Son muy esenciales en los seres
vivos, su falta en el organismo produce patologías.
• Oligoelementos: Mn, I, Cu, Zn, F, Mo, Se. La diferencia con los anteriores es
que algunos no son esenciales en todos los organismos. Aparecen en cantidades
trazas (cantidades muy pequeñas).
Funciones:
1. Plásticas/estructurales:
Forman parte del tejido, los huesos… son el C, O, H, N y también el S, P, Co.
2. Catalíticas:
• Fe: Participa en el transporte de oxígeno y electrones.
• Zn: es el cofactor de muchas enzimas. En el punto donde se produce la
reacción de la enzima se encuentran estos iones (centro catalítico o centro
activo). Su falta podría producir una patología.
• I: forma parte de las hormonas tiroideas.
3. Osmótica:
Destacan el Na y el K en forma iónica. Intervienen en procesos como la
distribución del agua en compartimentos intracelulares y extracelulares, en el
mantenimiento de potenciales de membrana… (hacen pasar productos que no
necesitan en el organismo a la orina por reacciones iónicas). Curiosidad: cuando la
sangre se introduce en el agua, las células que la forman se rompen porque tienen
distinta concentración, sueltan la hemoglobina y se pone roja. Se debe a que los
iones causan mucha presión en la membrana y se rompe. 2
Carbono
El carbono es uno de los componentes mayoritarios de los seres vivos. Esta
abundancia se debe a distintas causas:
• Tiene 4 valencias con lo que tiene más posibilidades de unirse con otros
elementos (muchos enlaces) y pueden formar enlaces fuertes.
• No es abundante en la corteza terrestre, está en estado puro o formando parte de
las rocas. Sin embargo sí es muy abundante en los seres vivos.
• Es capaz de formar macromoléculas de muy bajo peso molecular.
• Forma parte del CO2 que es la fuente de carbono para todas las moléculas
orgánicas halladas en los organismos.
• Puede formar enlaces covalentes consigo mismo y así dar lugar a largas cadenas
de carbono.
• Sin embargo, el CO es tóxico porque interfiere en la capacidad de la
hemoglobina de unirse al oxígeno.
Hace 150 años se denominó compuesto inorgánico.
Biomoléculas
Los bioelementos que forman parte de los seres vivos se unen para formar las
biomoléculas o principios inmediatos (elementos que se obtienen del organismo a través
de procesos físicos).
Características:
• La mayoría son compuestos orgánicos.
• Los carbonos pueden formar cadenas lineales, ramificadas y circulares.
• Al esqueleto carbonado se le añaden grupos de otros átomos, llamados grupos
funcionales.
• Las propiedades químicas vienen determinadas por los grupos funcionales.
Una falta de estas biomoléculas puede producir patologías. Según su naturaleza, se
pueden clasificar en dos grupos:
• Biomoléculas orgánicas o principios inmediatos orgánicos: hidratos de carbono,
proteínas, lípidos y ácidos nucleicos.
• Biomoléculas inorgánicas o principios inmediatos inorgánicos: agua, gases (CO
o el CO2) y sales inorgánicas (fosfatos, carbonatos…).
Enlaces químicos presentes en las biomoléculas.
Los enlaces presentes en las biomoléculas pueden ser de distintos tipos:
• Iónicos: se produce entre átomos que ceden o captan electrones en sus orbitales
periféricos para alcanzar mayor estabilidad electrónica. Ej: NaCl.
• Covalentes: Se produce entre átomos que comparten electrones de sus orbitales
periféricos, para alcanzar mayor estabilidad electrónica. Es el más frecuente en
las biomoléculas y es más fuerte y resistente que el iónico al entre átomos
pequeños H, O, N, C (1, 2, 3, 4 enlaces respectivamente).
• No covalentes: se establecen entre iones, moléculas (intermoleculares) o partes
de moléculas, generalmente para el mantenimiento de las estructuras
(...)
La zona óptima de trabajo está en el pKa ± 1 unidad de pH.
La capacidad amortiguadora de un tampón para un pH específico depende de:
1. La naturaleza del ácido débil que la integra, es decir de su grado de
disociación o pKa.
2. De la proporción relativa sal/ácido, pero no de las concentraciones absolutas
de estos componentes. Por ej.: un sistema amortiguador 2 M en sal y 1 M en
ácido, regula el mismo pH que un sistema amortiguador 4 M en sal y 2 M en
ácido, debido a que la relación [sal] / [ácido] es igual.
3. De la concentración molar del par ácido/base conjugada (suma de las
concentraciones del ácido más base conjugada, [AH] + [A-]). Es decir, para un
mismo pH, cuanto mayor sea la concentración del tampón, mayor es su
capacidad tamponante. Un tampón 0,1 M tiene mucha mayor capacidad de
tamponamiento que otro 0,01 M del mismo ácido.
4. La mayor capacidad se obtiene cuando la relación entre las
concentraciones de sal y ácido es 1. Es decir, cuando el valor del pKa = pH se
tiene la mayor capacidad tampón. Este hecho tiene importancia cuando se desea
preparar una solución tampón. Para ello, se debe seleccionar el ácido cuyo pKa
esté lo más cercano posible a la zona de pH que se desee controlar.
- Rango de efectividad de un tampón
Un tampón es más o menos efectivo en un rango de aproximadamente 1 unidad de
pH respecto al valor del pKa del ácido débil. 11
Tema 3.Tampones fisiológicos: fosfato, bicarbonato y proteínas.
Equilibrio ácido-base
El mantenimiento del pH del medio interno es de vital importancia para los seres
vivos.
El metabolismo intermedio genera una gran cantidad de ácidos aunque la
concentración de hidrogeniones [H+
] va a permanecer fija, dentro de unos limites
estrechos por:
• Los tampones: actúan de forma inmediata .El tampón intracelular mas importante
es el sistema fosfato y el principal extracelular es el sistema bicarbonato, también
actúan como tampones ciertas proteínas como la hemoglobina.
• Los mecanismos de regulación pulmonar y renal actúan en última instancia en la
regulación del pH.
Amortiguadores fisiológicos.
El pH del líquido extracelular fluctúa entre 7,35-7,45 ya que todos los líquidos
del organismo son ligeramente alcalinos o básicos, el pH de la sangre arterial es de 7,42
y el de la sangre venosa 7,36.
Acidemia: pH sanguíneo <7,35 y >6,9
Alcalemia: pH sanguíneo >7,45 y <7,7
Un pH sanguíneo <6,9 o >7,7 es incompatible con la vida, por lo que mantenerlo
constante es esencial.
La acidosis es un termino clínico que indica un trastorno que puede conducir a la
acidemias da un aumento de los hidrogeniones en el organismo que puede estar
compensado para mantener el pH sanguíneo dentro de unos limites normales.
La acidosis es compatible con un pH sanguíneo normal.
Acidosis y alcalosis se refieren a las patologias, que normalmente acaba en
acidemia y alcalemia, cuando son permanentes y no pueden ser compensadas.
Tampón fosfato
La disociación del ácido fosfórico, ácido triprótico débil, se desarrolla con la
pérdida de un protón en cada equilibrio establecido, al que le corresponde un pKa
determinado.
Estos equilibrios son:
H3PO4 ↔ H2PO4
‐ ↔ HPO4
2‐ ↔ PO4
3‐
+ H+
pKa1 = 2.21 pKa2 = 7.4 pKa3 = 12.70
A efectos de regulación fisiológica, el equilibrio que más interesa es el segundo
par (H2PO4
‐
/HPO4
2‐
), ya que el pKa2 que lo gobierna a 37º C es de 6.8, es el más
cercano al pH 7.4, del medio extracelular. Aplicando la ecuación de
Henderson‐Hasselbalch: 12
7.4 = 6.8 + log [ HPO4
2‐
/ H2PO4‐ ] [HPO4
2‐
] /[H2PO4
‐
] = 4
Es decir, a pH fisiológico de 7,4, la concentración de HPO4
2‐
es 4 veces superior
(80%) a la de H2PO4
‐
(20%). Así pues, el tampón fosfato es un sistema muy eficaz para
amortiguar ácidos. La concentración de fosfato en la sangre es baja (2 mEq/l) por lo que
tiene escasa capacidad de tamponar si lo comparamos con otros tampones (ej. el
bicarbonato). En cambio, a nivel intracelular, las concentraciones de fosfato son
elevadas, lo que le convierte en un tampón eficiente a este nivel. Las grandes cantidades
de fosfato dentro de las células corporales y en el hueso hacen que el fosfato sea un
depósito grande y eficaz para amortiguar el pH.
Las personas que tienen variaciones de pH, sufren una descalcificación, ya que
el hueso suelta sales de fosfato para amortiguar el pH. En las personas mayores
femeninas postmenopausicas tienen más tendencia a la fractura de huesos debido a una
alteración hormonal tras la menopausia, ya que cae la producción de estas. Esas
fracturas se deben a una bajada de la densidad ósea.
Si ingieres grandes cantidades de productos ácidos eres más vulnerable a una
descalcificación ósea, ya que los huesos tienen que soltar fosfatos para amortiguar el
pH.
Tampón bicarbonato
La formación de iones bicarbonatos en sangre a partir de CO2 y H2O permite la
transferencia de CO2 desde los tejidos a los pulmones, donde será exhalado con la
respiración. El ác. Carbónico se forma a partir de CO2 disuelto con H2O. La relación
entre el ác. Carbónico y la formación de iones bicarbonato es:
CO2 + H2O ↔ CO3H2 pka: 2
CO3H2 ↔ H+
+ HCO3
‐
pka:9,6
CO2 + H2O ↔ CO3H2 ↔ HCO3
‐
+ H+
Estas reacciones ocurren predominantemente en los eritrocitos. Casi todo el CO2
que sale de los tejidos, vía el endotelio capilar, es captado por estas células, donde la
formación de ác. Carbónico y la posterior ionización del ác. carbónico, en bicarbonato
es catalizada por la anhidrasa carbónica, enzima metaloproteica (contiene Zn2+),
enzima que incrementa enormemente la velocidad de esta reacción (fija 600.000 mol
CO2/sg), aunque también puede ocurrir de forma espontánea (en plasma).
CO2Total = CO2 (d) + [HCO3
‐
]
El contenido total de CO2 de una muestra de plasma se determina a partir de la
medida del volumen de CO2 gas liberado por la acidificación con un acido fuerte.
El ác. carbónico es un ácido moderadamente fuerte, con un pKa de 3.5 a 37ºC.
Sin embargo, la concentración real de ác. carbónico en el plasma es tan pequeña que la
podemos ignorar, aprovechando que su concentración es proporcional a la de CO2
disuelto (CO2dis). A su vez, el CO2 (dis) es proporcional a la presión parcial de CO2
(pCO2) corregido con un factor, la constante de solubilidad (Ksol) del CO2 en el agua
que a 37ºC es ~0.03 mmHg.
CO2 (dis) = (pCO2) x 0.03 mmHg
(...)
Apuntes de bioquímica de la Universidad de Sevilla, Facultad de Medicina
Homomultímero -una sola clase de cadenas
Heteromultímero - dos o más cadenas diferentes.
Ejemplo: La Hemoglobina es un heterotetrámero que tiene dos cadenas α (A) de 21
residuos y dos cadenas β (B) de 30 residuos, unidas por dos puentes disulfuro
intercatenarios
o Clasificación de las Proteínas
La clasificación de las proteínas es bastante diversa, debido a su gran número y
diferencias que presentan. Pueden clasificarse atendiendo a varios criterios.
1) Según la Composición:
Simples: sólo aminoácidos formando una o varias cadenas polipeptídicas.
Conjugadas: además de aminoácidos tiene un componente de distinta naturaleza
llamado grupo prostético:
• Glicoproteínas: contienen glúcidos (inmunoglobulinas)
• Lipoproteínas: contienen lípidos
• Fosfoproteínas: contienen grupos fosfato (caseína)
• Nucleoproteínas: contienen ácidos nucleicos
• Metaloproteínas: contienen iones como Fe, Ca, Cu, etc..
• Otras moléculas: hemoproteínas, flavo proteínas, etc.…
Incluso pueden coexistir distintos componentes en una misma proteína (Ej.:
metaloglicoproteínas)
2) Según la Forma:
Es muy importante porque nos da la idea de la solubilidad de esa molécula y así
sabemos como son las proteínas que viajan por nuestros fluidos o que forman parte de
nuestros tejidos.
- Globulares: de forma esférica u ovoide, son en general solubles:
• Albúminas: proteínas de origen animal que son solubles en agua fría o en
disoluciones salinas diluidas.
• Globulinas: proteínas de origen animal que requieren concentraciones salinas
más elevadas para permanecer en disolución.
• Glutelinas: De origen vegetal, sólo se disuelven en disoluciones ácidas o
básicas diluidas.
• Prolaminas, solubles en alcoholes de bajo tamaño molecular.
• Protaminas: proteínas básicas presente en los líquidos seminales, solubles en
agua y amoniaco diluido.
• Histonas: proteínas básicas asociadas al ADN, pequeñas y solubles en agua y
ácidos diluidos.
• Escleroproteínas: Insolubles en todos los medios mencionados, solo se
solubilizan por medios drásticos, con agentes hidrolíticos, suelen coincidir con
las proteínas fibrosas. 18
- Fibrosas: forma alargada, insolubles y son la base de los tejidos estructurales.
3) Según la Función biológica:
Son muy heterogéneas por el gran número de funciones que desempeñan en los
organismos vivos, los principales grupos son:
1. Enzimáticas: son las proteínas catalizadoras de las reacciones metabólicas.
2. Transportadoras: las hay de dos grandes tipos:
• De iones o metabolitos a través de las membranas celulares.
• De iones o metabolitos a distancia mediante los líquidos biológicos
3. De reserva: son almacenes energéticos (Ej.: ovoalbúmina, lacto albúmina…)
4. Contráctiles: cambian de longitud de forma reversible (Ej.: actina, miosina…)
5. Estructurales: mantienen la morfología del organismo (Ej.: colágeno).
6. Cromosómicas: como las histonas y otras proteínas de interacción con el ADN,
que favorecen su empaquetado.
7. De defensa: defienden de infecciones: Como las inmunoglobulinas o las del
sistema de complemento.
8. Toxinas: abundante en microorganismos, insectos, reptiles, etc.
9. Hormonales: con funciones reguladoras del metabolismo (Insulina,…)
10. Receptoras: a las que se unen específicamente hormonas o factores tróficos,
recibiendo y transduciendo las señales del exterior al interior celular.
11. Factores tróficos: relacionadas con el desarrollo de tejidos.
12. Factores de transcripción: controlan la expresión de genes y diferenciación
(...)
Cromatografía en columna
La cromatografía es una técnica que se emplea en el fraccionamiento de
proteínas.
Consiste en la aplicación de una muestra compleja de proteínas a una columna
de cristal en la que se ha situado una matriz sólida porosa que está inmersa en el
solvente.
A continuación se bombea una gran cantidad de solvente a través de la columna.
- Las diferentes proteínas se van retrasando de manera distinta según sus interacciones
con la matriz, por lo que pueden ser recogidas separadas a medida que son eluidas por el
fondo de la columna.
Según la matriz escogida, las proteínas se pueden separar de acuerdo a su carga,
su hidrofobicidad, su tamaño o su capacidad de unirse a grupos químicos particulares.
Electroforesis en SDS -PAGE
La posibilidad de determinar el peso molecular de una macromolécula
comparando su movilidad electroforética con patrones adecuados es posible
transformando una mezcla cualquiera de proteínas en una colección de isómeros de
tamaño. Esto se consigue mediante su tratamiento con el detergente SDS.
Este detergente se asocia a la elevada concentración al esqueleto de la cadena
polipeptídica (1 molécula de SDS por cada dos aminoácidos, o 1,4 g SDS/g proteína,
aproximadamente).
Al tratar una mezcla compleja de proteínas con SDS resultan dos efectos:
1) Las proteínas se desnaturalizan completamente, con lo que todas las cadenas
polipeptídicas adquieren una conformación similar: se disponen en forma de cadena
estadística.
2) La relación Q/R tiende a igualarse en todos los polipéptidos de la mezcla, ya que las
múltiples cargas negativas del SDS asociado enmascaran las cargas eléctricas debidas a
los aminoácidos del propio polipéptido; con esto la densidad de carga resulta
sensiblemente igual para todas las moléculas de la muestra.
En resumen, se consigue tener un conjunto de moléculas que se comportan como
isómeros de tamaño con lo que, a partir de la comparación de su movilidad con la de
una serie de patrones es posible determinar su tamaño.
Isoelectroenfoque
Se basa en el desplazamiento de las moléculas en un gradiente de pH.
- Las moléculas anfotéricas, como los aminoácidos, se separan en un medio en el que
existe una diferencia de potencial y un gradiente de pH . La región del ánodo es ácida y
la del cátodo es alcalina. Entre ambos se establece un gradiente de pH tal que las
moléculas que se han de separar tengan su punto isoeléctrico dentro del rango.
- Las sustancias que inicialmente se encuentran en regiones de pH inferior a su punto
isoeléctrico estarán cargadas positivamente y migraran hacia el cátodo, mientras
aquéllas que se encuentran en medios con pH más altos que su punto isoeléctrico
tendrán carga negativa y migrarán hacia el ánodo.
- La migración las conducirá a una región donde el pH coincidirá con su punto
isoléctrico, tendrán una carga neta nula y se detendrán. De esta forma las moléculas
(...)
reactivo de Sanger de, al ser aplicado sucesivamente sobre el péptido, poder
determinar la secuencia completa de pequeñas proteínas o de pequeños
fragmentos hidrolizados.
4. Determinación del residuo C-terminal:
1. Hidrazina: Todos los grupos carbonilo, unidos en enlace peptídico, reaccionan
con hidrazina para formar hidrazonas, excepto el aminoácido C-terminal.
2. Carboxipeptidasa: Corta secuencialmente los enlaces peptídicos comenzando
desde el extremo C-terminal. El aminoácido C-terminal será, por lo tanto, el
primer aminoácido liberado por la carboxipeptidasa.
Fragmentación por hidrólisis parcial
La aplicación continuada de varios ciclos de degradación de Edman permite la
secuenciación de todo el péptido, siempre que este no tenga más de 20 o 30 aá. Por ello,
se hace necesaria la hidrólisis del péptido en pequeños fragmentos.
La fragmentación se realiza, en la mayoría de los casos, mediante proteasas,
enzimas que hidrolizan selectivamente determinados enlaces peptídicos o bien
reactivos químicos específicos:
1. La tripsina
2. La quimotripsina
3. La pepsina
4. La termolisina
5. El bromuro de cianógeno (BrCN)
No obstante los actúales requerimientos de secuenciación de gran cantidad de
péptidos en poco tiempo, han dado origen al desarrollo de nuevos métodos de
secuenciación basados en la espectrometría de masas, desarrollados principalmente
para afrontar proyectos como el del proteoma humano.
Espectrometría de masas
La espectrometría de masas (MS) permite analizar la composición de diferentes
elementos químicos e isótopos atómicos, separando los núcleos por su relación masacarga.
Presenta numerosas ventajas frente al método de Edman: es más sensible,
permite analizar directamente las mezclas proteicas y ofrece un mayor rendimiento por
muestra.
Por ello, es el método utilizado en una de las técnicas de identificación de
proteínas más comunes.
Tema 6. Estructura secundaria de las proteínas. Helice alfa, plegamiento beta y
conformación al azar. Estructuras supersecundarias.
Estructura secundaria:
La estructura secundaria define las disposiciones regulares y, por tanto, con
ciertos elementos de simetría, que pueden encontrarse en todas, o al menos, en una parte
de la proteína.
Las restricciones debidas a la planaridad del enlace peptídico y a impedimentos
esféricos para alojar las cadenas laterales de los aminoácidos, reducen mucho las
posibilidades de plegamiento, haciendo que la cadena adopte normalmente una
disposición zizagueante, donde los parámetros que cambian son los ángulos Fi (Φ) y Psi
(Ψ), para ubicar lo más establemente posible a las cadenas laterales. 31
Cuando el valor de esos ángulos se repite de forma constante en un fragmento de
la estructura primaria, se obtiene una estructura espacial con cierta simetría, a lo que
llamamos estructura secundaria.
Las estructuras secundarias más frecuentes son la hélice alfa y la hoja plegada (o
lámina) beta.
Hélice alfa:
• Pauling y Corey predijeron la estructura de la Hélice Alfa seis años antes de que
se viera mediante difracción con rayos X.
• Existen distintos tipos de hélices en los polipéptidos, pero la más común es la
hélice alfa.
• Esta estructura en forma de cilindro posee una cadena polipeptídica que se
pliega firmemente en forma de espiral con rotación dextrógira, que se estabiliza
por puentes de hidrógeno.
• Estos puentes de hidrógeno se sitúan entre el -CO de un residuo y el -NH del
cuarto residuo siguiente.
• Cada residuo se relaciona con el siguiente por un incremento de 1,5 Å en el paso
de hélice y una rotación de 100º, lo que equivale a unos 3,6 res/vuelta de hélice
y encierra 13 átomos.
• Fi (Φ) = 60 º y Psi (Ψ) = 45º
• El paso de hélice α es de 5.4 Å (1,5 Å x 3,6 residuos/giro = 5,4 Å)
• El sentido de giro es dextrógira (agujas de un reloj), favorecida estérica y
energéticamente.
• La estructura se inestabiliza cuando en ella hay Pro o algún aminoácido muy
cargado (Lys o Glu).
• Las hélices α sencillas suelen tener < 45 Å de longitud. A veces se unen dos o
más hélices α, entrelazándose en una estructura muy estable que puede tener una
longitud de 1.000 Å (0,1µm) o más, formando superhélices α, como las que se
encuentran en la miosina o la tropomiosina.
Tipos de hélice alfa:
1. Hélice Alfa antipática: Un lado apolar y otro hidrófugo (ej:
flavodoxína)
2. Hélice Alfa apolar: Citrato sintasa
3. Hélice Alfa polar: Carmodulína
Factores que afectan a la estabilidad de la hélice alfa:
1. Repulsión o atracción electrostática entre residuos.
2. Impedimento esférico entre residuos adyacentes y residuos separados por tres o
cuatro aminoácidos.
3. Prolina y glicina tienen un efecto desestabilizador de la hélice alfa.
Hélice 310:
• Es la otra hélice importante en las proteínas globulares. 32
• Se origina cuando Φ=120º y Ψ=150º
• Tiene 3 res/vuelta (n=3) y los puentes de H2 se establecen entre el residuo i + 3
lo que produce un núcleo de 10 átomos.
• El grupo –CO apunta hacia fuera de la hélice. Por ello, el puente de H2 está
doblado y no es muy favorable.
• Es mucho menos favorable que la hélice alfa para estructuras periódicas largas.
Sin embrago, son frecuentes pequeños trozos de hélice 310
• Proteínas como la: Hb, lisozima o anhidrasa carbónica, contienen fragmentos de
este tipo de hélice.
(...)
de tropocolágeno está formada por 3 cadenas peptídicas (cadenas α) trenzadas,
muy ricas en Gly y Pro o Hyp (hidroxiprolina), con un paso de rosca mucho más
largo que las hélice α, llamada hélice de colágeno.
La gelatina es un derivado desnaturalizado por ebullición del colágeno, con poco
valor nutricional debido a su pobreza en aá.
• Composición: Los colágenos son moléculas, homo y heterotriméricas,
compuestas por tres cadenas α con unos 1 000 residuos/cadena.
Estas cadenas α (no confundir con hélice α) son péptidos con una estructura
secundaria única: son levógiras, tienen 3,3 residuos aá/vuelta, una distancia entre
vueltas de 0,95 nm y una longitud de ~300 nm.
En el colágeno las 3 cadenas polipeptídicas α están entrelazadas entre si, formando
la triple hélice de tropocolágeno, que está súper enrollado pero en sentido
contrario a las cadenas α, es decir en sentido dextrógiro.
2.1 Secuencia de aminoácidos del colágeno.
Posee una composición especial, contiene una gran cantidad de Gly (33%) y
Pro, así como un alto porcentaje de aá que no fueron insertados inicialmente, como la
Hyp e Hyl (HidroxiPro e HidroxiLys). Estos aá derivados de la Pro y Lys son
generados por modificaciones postraduccionales, mediante procesos enzimáticos en los
que se requiere la vitamina C.
La secuencia de aminoácidos del colágeno corresponde a la repetición del
tripéptido Gly-X-Y, la Pro suele ocupar la posición X, mientras que Hyp o Hyl ocupan
la posición Y.
Gracias a su estructura anular rígida, la Pro estabiliza la hélice en cada una de
sus cadenas α. La Gly, sin embargo, ocupa un lugar cada tres residuos, se sitúan a lo
largo de la región central y debido a su pequeño tamaño (no tiene cadena lateral),
favorecen el denso empaquetamiento de las tres cadenas α para la formación de la súper
hélice de colágeno. Lo que le proporciona más fuerza que un cable de acero de la misma
sección.
2.2 Características de la molécula de colágeno
La secuencia de las cadenas-α de la molécula de colágeno (tropocolágeno) se
caracteriza por:
- La repetición del triplete Gly-X-Y, donde X suele ser Pro e Y residuos de Hyp o
Hyl.
- Tres hélices levógiras de cadenas α formando la triple hélice dextrógira de
colágeno de 300 nm de longitud, en estructura helicoidal continua y rígida, salvo
en los extremos (no helicoidal, ni rica en Gly, Pro ni Hyp).
- En la sección transversal de la triple hélice se muestra la localización interior de
los residuos de Gly de dos tripletes consecutivos.
- En la molécula precursora, el procolágeno, se distinguen los dos dominios no
colagenosos de los extremos amino y carboxilo terminal (péptidos de extensión).
2.3 Formación de la molécula de tropocolágeno. 36
Las cadenas α que constituyen el tropocolágeno se sintetizan en forma de
polipéptidos precursores denominados pro α1(I) y pro α2 (I),(para colágeno tipo I).
Estos precursores de las cadenas α contienen unos péptidos adicionales en los
extremos N y C-terminal de las cadenas α
1. Los péptidos de extensión se entrelazan entre sí, facilitando la formación de la
triple hélice de procolágeno y, a la vez, impiden la polimerización de las
mismas en el interior del fibroblasto.
2. La formación de puentes disulfuro intercatenarios entre las extensiones Cterminal
de los propéptidos, ayudan a la alineación las tres cadenas pro α, para
formar la triple hélice.
3. Posteriormente, ya en el espacio extracelular, unas procolágeno peptidasas
hidrolizarán estas extensiones generando las moléculas de tropocolágeno.
2.4 Superfamilias de los colágenos
En la siguiente tabla se recogen los distintos tipos de colágenos agrupados según
las estructuras macromoleculares que forman.
También se indican la composición en cadenas polipeptídicas de las formas
mayoritarias de cada una de las familias de colágenos.
2.5 Puentes de hidrógeno intercatenarios
Los puentes de hidrógeno intercatenarios son los encargados de estabilizar la
molécula de tropocolágeno. Las 3 cadenas-α que constituyen el tropocolágeno
interaccionan entre sí mediante estas uniones.
Se produce: entre los hidrógenos de los grupos NH peptídicos de la Gly (que se
encuentran casi perpendiculares al eje longitudinal de la triple hélice) y los oxígenos de
los grupos CO peptídicos de otros residuos (habitualmente Pro), de una cadena
adyacente (no se pueden formar puentes de hidrógeno entre los grupos de la misma
cadena).
De esta forma aparecen las interacciones cooperativas, ya que cada puente de
hidrógeno es débil por sí solo, pero unidos logran la estabilización de la triple hélice,
formando un entramado trabecular de cadenas de tropocolágeno, lo que le confiere una
tremenda resistencia mecánica.
La alternancia de enlaces peptídicos y Cα, conforma una hélice muy estirada.
2.6 Etapas intracelulares de la biosíntesis del colágeno
La biosíntesis de cadenas α y el procesamiento intracelular de las mismas, hasta formar
la molécula de procolágeno, transcurren en diferentes compartimentos subcelulares.
Principalmente en el retículo endoplasmático rugoso pero también en otros como el
Aparato de Golgi.
- Retículo endoplasmático rugoso (lumen): se producen reacciones de
hidroxilación y glicosilación así como la formación del procolágeno tras la
alineación de las cadenas con formación de puentes disulfuro mediante la
proteína disulfuro isomerasa).
- Aparato de Golgi: se empaquetan dichas moléculas en vesículas secretoras, que
(...)
Bioquímica. Apuntes. Universidad de Sevilla. Medicina.
ánicos. En vertebrados constituyen la mayoría del peso seco de: cabello, lana, uñas,
garras, cañones de las plumas, pezuñas, cuernos, picos etc...).
Pertenecen a la gran familia de Proteínas de Filamento Intermedio (FI)
• son proteínas intracelulares
• Son ricas en ricas en: Ala, Val, Leu, Ile, Met y Phe.
• la hélice de la α-queratina es una hélice α dextrógira.
• F. Crick y L. Pauling, sugirieron que dos hebras de α-queratina orientadas en paralelo,
se enrollan una sobre la otra, en sentido levógiro, formando una superhélice, lo que la
hace más resistente (cuerdas de una soga) y se mantienen unidas por puentes disulfuro
entre restos de Cys. Cuanto más duro sea el tejido > nº de restos de Cys (cuerno de
rinoceronte 18% de los restos son Cys
• Las superficies donde las dos hebras entran en contacto está formada por residuos
hidrofóbicos, con un patrón de entrecruzamiento regular, lo que permite un
empaquetamiento muy compacto de las cadenas polipeptídicas.
La ondulación que se produce, en realidad, no es permanente ya que al crecer el cabello
en el cabello nuevo se vuelve a presentar el patrón natural de enlaces disulfuro no
ondulado.
β- QUERATINAS
Pauling y Corey postularon su modelo de hoja β plegada tras analizar los datos de
difracción de rayos X de la fibroína de la seda, proteína formada capas de hojas-β
antiparalelas, ricas en Gly (50%) Ala (30%) y Ser, que entrelazan sus cadenas laterales
de forma alternante, lo que permite un empaquetamiento muy compacto de sus fibras y
una gran flexibilidad ya que son mantenidos exclusivamente por numerosas
interacciones débiles (puentes de H2 e interacciones de van der Waals). No tienen Cys.
• Suelen ser extracelulares (a diferencia de las α-queratinas)
• Son fuertes, flexibles y poco o nada extensibles, ya que la conformación β ya está
altamente extendida.
• Suelen tener secuencias repetidas alternantes (Ser-Gly-Ala-Gly)n lo que coloca en un
lado de la hoja las cadenas laterales de la Gly y en el otro las de Ser y Ala.
Tema 8. Estructura terciaria de las proteínas. Mioglobina. Estructura del grupo
hemo. Cinética de saturación por oxígeno de la mioglobina. Chaperonas.
Estructura terciaria de las proteínas
Define el plegamiento total espacial de la cadena peptídica, no solo
fragmentos, e incluye el conjunto de interacciones, covalentes o de otro tipo (uniones
salinas, enlaces de Hidrógeno, puentes disulfuro, catión-π, fuerzas de Van der Waals e
interacciones hidrofóbicas, iónicas o electrostáticas, etc.), que gobiernan dicho
plegamiento y que, actuando conjuntamente, proporcionan gran estabilidad a la
proteína. 43
La menor energía de estas interacciones las hacen importantes ya que
pueden romperse y volverse a formar durante las interacciones moleculares, las
cuales dependen de un rápido recambio de parejas moleculares que podría no producirse
si las interacciones fuesen más fuertes. El número de combinaciones entre grupos y
cadenas laterales de aminoácidos es casi infinito.
En muchas proteínas, sobre todo las globulares, la estructura terciaria presenta
zonas de plegamiento compacto con una entidad topológica propia, que pueden repetirse
en varias proteínas de la misma familia y se llaman dominios. Estos corresponden a un
nivel de organización intermedio entre la estructura secundaria y la terciaria, puesto que
agrupan distintos fragmentos con estructura secundaria determinada, pero no definen la
estructura completa de la cadena. Un ejemplo sería la estructura de la inmunoglobulinas
(en sus cadenas existen unos dominios que se denominan constantes, que son comunes a
todas, y otros variables, que son específicos de cada una y la base estructural de que
reconozcan diferentes antígenos.
La estructura terciaria también engloba y describe las interacciones con los
posibles grupos prostéticos que puedan estar presentes en las proteínas conjugadas y
los dominios y fragmentos peptídicos.
En las proteínas fibrosas, las cadenas suelen tener la misma estructura terciaria
en toda o casi toda su extensión, por lo que la suele coincidir prácticamente en un 100%
con su estructura secundaria (Ej.: las queratinas).
Enlaces que mantienen la estructura terciaria
• Enlace covalente: Consiste en una compartición de electrones, siendo siempre un
enlace fuerte, que da lugar a una estabilidad de la proteica cadena proteica. El más
importante es el enlace disulfuro, que se forma entre residuos de Cysteína.
• Enlace iónico: Es un puente salino. Se debe a dos grupos polares de las cadenas
de aminoácidos, que según el pH poseerán carga eléctrica positiva o negativa. Estos
enlaces no son demasiado numerosos ya que, al estar los aá en disolución, tendrán
sus propios grupos polares saturados por los dipolos moleculares del agua.
• Enlaces por puentes de hidrógeno: Se forman entre el C=O del grupo
carboxílico y el grupo de la cadena que tenga H activo. Son muy numerosos y son de
capital importancia en la estabilización de la molécula, dada su cuantía.
• Enlaces por fuerzas de Van der Waals: Se forman entre las cadenas laterales
que poseen radicales. Aunque los restos hidrocarbonados son polares, tienen
interacciones débiles por este tipo de fuerzas. Estas interacciones son debidas a
irregularidades en la distribución de los electrones alrededor del núcleo, dando lugar
a dipolos instantáneos que implican atracciones y repulsiones de tipo electrostáticos.
• Catión-π: Ocurre entre la nube electrónica (negativa) de una cadena lateral
aromática y la carga positiva de un aminoácido catiónico, siendo mayoritariamente
una fuerza atractiva, aunque a muy corta distancia puede ser repulsiva.
• Enlaces hidrofóbicos: Son interacciones entre las cadenas laterales no polares de
aminoácidos como ala, val, etc., dentro de envolturas de agua. Estas interacciones
pueden tener lugar entre cadenas laterales de varias moléculas o se pueden presentar
entre las cadenas de una misma molécula; ocurren ante la incapacidad de las cadenas
laterales no polares de interaccionar con el agua, ya sea iónicamente o a través de
(...)
tabilidad del enlace peptídico o la acción de proteasas, en un proceso distinto de la
desnaturalización que se denomina degradación o digestión parcial o total, según
los productos sean fragmentos peptídicos o aminoácidos libres.
- Si la desnaturalización permite que la proteína vuelva a adoptar su forma
nativa se denomina desnaturalización reversible.
- Si la desnaturalización no le permite a la proteína adoptar su forma
nativa, se denomina desnaturalización irreversible o renaturalización.
Los mecanismos que dirigen a una cadena polipeptídica a adoptar su
conformación nativa es un proceso complejo, y se rige por principios fisicoquímicos,
como la tendencia de la cadena a alcanzar estados de mínima energía.
Uno de los factores más importantes es la naturaleza hidrofóbica / hidrofílica de
las cadenas laterales de los aminoácidos, que hace que las regiones ricas en aminoácidos
polares o hidrofílicos tiendan a quedar en contacto con el medio acuoso, mientras que
los no polares o hidrofóbicos tiendan a protegerse del agua, buscando su oclusión en el
interior del glóbulo proteico y su interacción mutua.
En la cadena existen posiciones críticas que actúan de centros de nucleación y
guían el plegamiento de la cadena. Pero estos centros de nucleación no son evidentes
cuando la proteína está desplegada después de la desnaturalización. Por ello, la
renaturalización es un proceso muy poco frecuente.
El plegamiento no es espontáneo, y cuando la proteína está sintentizando en la
célula existen una seria de proteínas llamadas chaperonas que dirigen el plegamiento
correcto de la cadena. Así se explica la irreversibilidad de la mayoría de las
desnaturalizaciones.
Anfinsen demostró a finales de los años 60 que al desplegar la enzima
ribonucleasa A con urea y mercaptoetanol aumentaba su volumen aparente y
desaparecían sus propiedades catalíticas. Al dializar la proteína volvía a plegarse, con lo
que el plegamiento de las proteínas no está inducido por la célula, siendo la
ribonucleasa un ejemplo de desnaturalización reversible.
Renaturalización de las proteínas
Paradoja de Levinthal, Cyrus Levinthal en 1968, realizó un cálculo aproximado,
imaginó una proteína de 100 residuos en la que cada p q aminoácido fuese capaz de
adoptar tres conformaciones distintas. El nº total de conformaciones seria de 3100
(5·1047). Si consideramos que el tiempo que necesita una conformación para
transformarse en otra es de 10‐13 s, el tiempo total de búsqueda de la estructura de
menor energía seria de 5·1047 x 10-13 o sea de 5·1034 s (1.6 · 1027 años)*. No
obstante, proteínas de estas características se pliegan in vivo en menos de un minuto, es
decir, concluyó que “el plegamiento de las proteínas no se realiza por la búsqueda al
azar de la estructura nativa”.
En la actualidad, datos experimentales sugieren que la ruta de plegamiento en la
mayoría de las proteínas no es única. Teniendo en cuenta estos datos, se ha propuesto
una solución alternativa a la paradoja de Levinthal. Se supone que la superficie de
energía de la proteína se asemeja a un embudo y que la proteína se pliega por rutas
diferentes dependiendo de la conformación en la que se encuentre
(...)
Fracción de albúminas
· Pre-albúmina o RBP (retinol binding protein): La PAB es una glicoproteína sintetizada
en el hígado, en razón de su baja concentración en el suero, más de 100 veces menor
que la albúmina, ejerce poca influencia sobre el patrón normal de electroforesis. Tiene
una vida media corta de aproximadamente de 2 días lo que la hace un indicador sensible
de algunos cambios que afectan sus síntesis y catabolismo, es decir, es un marcador de
desnutrición proteico – calórica (DPC), de enfermedad hepática e inflamación aguda.
Se le atribuye la transportación de aproximadamente 1/3 de la hormona tiroidea activa y
retinol, siendo esta la forma precursora de la vitamina A. El rango de normalidad de la
Pre-albúmina es de 17 a 42 mg/dl.
Además la pre-albúmina se transforma en albúmina al desprenderse de ciertos restos
aminoacídicos.
· Albúminas séricas: es una proteína sintetizada en el hígado, permanece en circulación
unos diecinueve días, hasta que es metabolizada en los tejidos para los que es fuente de
aminoácidos. Se encuentra en mayor concentración en el plasma sanguíneo
constituyendo el 53 - 66% del total de las proteínas plasmáticas. Sus funciones más
importantes guardan relación con su tamaño, que la mantiene dentro del torrente
circulatorio, contribuyendo a transportar moléculas de pequeño tamaño (ácidos grasos,
aminoácidos, enzimas, hormonas tiroideas, drogas, etc.). Es la más homogénea, soluble,
estable y de mayor movilidad electroforética, pues es el componente más
electronegativo de todas las proteínas plasmáticas. También es de vital importancia para
el mantenimiento de la presión oncótica de la sangre (la presencia de un valor normal de
albúmina en sangre impide el pasaje de agua desde la sangre a los tejidos), de este modo
mantiene el equilibrio de líquidos entre compartimentos intravasculares y
extravasculares del organismo.
Las moléculas de albúmina ofrecen una superficie total importante para la absorción de
tóxicos lo que les otorga la capacidad de unirse a muchos iones (cobre, zinc y cadmio 60
por ejemplo), y otros compuestos para que estos puedan ser transportados. También
transportan dinitro- y ortocresoles, los derivados nitro- y halogenados de hidrocarburos
aromáticos y los fenoles, por lo que las albúminas contribuyen al proceso de
detoxificación del organismo fijando estas sustancias toxicas para su eliminación de los
tejidos.
- El aumento de la concentración de albúmina tiene lugar en caso de
deshidratación
- La disminución de la misma ocurre por enfermedades renales, hepáticas,
infecciones crónicas, neoplasia (proliferación anómala de células), hemorragias,
inanición, desnutrición.
· Fracción alfa globulinas
La Fracción alfa-1 globulina aumenta durante los procesos de inflamatorios
agudos, neoplasia, infartos y necrosis:
· Alfa-1 glicoproteína ácida: Esta presente en secreciones mucosas y en diferentes
tejidos, también conocida por ello como orosomucoide, es un reactante de fase aguda
sintetizado en el hígado como respuesta a la inflamación y daño del tejido.
· Alfa-1 lipoproteína: De alta densidad constituidas aproximadamente por un 50% de
proteínas y el otro 50% por lípidos: fosfolípidos y colesterol por eso se encarga de
transporta colesterol y vitaminas liposolubles. Aumenta en la hiperlipidemias y
disminuye en enfermedades hepáticas.
· Alfa-1 antitripsina: Glucoproteína sintetizada en el hígado que constituye el 80% de la
α1- globulina sérica, y junto a otras antiproteasas del suero es importante para la
inactivación de proteasa tripsina ,liberadas por los leucocitos en el pulmón, el páncreas
u otros órganos, y proteasas plasmina (enzimas lisosomales). Aumenta en reacciones
inflamatorias, pues es una proteína de fase aguda, y disminuye en enfermedades
(...)
Los enzimas aunque se conoce la existencia de RNAs con acción enzimática
(ribozimas), son generalmente proteínas globulares solubles en agua y de alto Pm, que
actúan como catalizadores en las reacciones químicas que se producen en los
organismos es decir, biocatalizadores.
• Actúan con gran eficiencia, acelerando las reacciones químicas (108 a 109
veces).
• Funcionan en cantidades extremadamente pequeñas.
• No sufren modificaciones químicas irreversibles durante la catálisis
• Pueden ser altamente específicas (pueden reconocer entre isómeros D y L)
• Al ser en su mayoría proteínas, cambios en su conformación estructural y/o
espacial suelen ir asociados a cambios en su actividad catalítica.
• Son termolábiles y su actividad depende, en ciertos casos, del pH del medio.
• Están sujetas a una gran variedad de controles celulares, genéticos y
alostéricos.
• Algunas necesitan, para su actividad, un cofactor o coenzima, los cuales
suelen ser iones metálicos o bien vitaminas o derivados de las mismas
respectivamente. Entonces se les llaman holoenzimas y a la parte proteica
(inactiva) se le llama apoenzima.
Características de las reacciones enzimáticas
La unión del sustrato se hace a una región concreta de la enzima, llamada centro
activo. Este comprende:
a) un sitio de unión formado por los aminoácidos que están en contacto directo con el
sustrato y
b) un sitio catalítico, formado por los aminoácidos directamente implicados en el
mecanismo de la reacción. Una vez formado el o los productos, el enzima sale indemne
y puede comenzar un nuevo ciclo catalítico.
La especificidad enzimática
Los enzimas, a diferencia de los catalizadores inorgánicos, catalizan reacciones
específicas. Sin embargo, hay distintos grados de especificidad. Las enzimas pueden
tener:
a) Especificidad absoluta: Hay enzimas que actúan exclusivamente sobre un
sustrato siendo incapaz de actuar sobre otro, aunque están estrechamente
relacionados. Un enzima actúa con máxima eficacia sobre su sustrato natural.
b) Especificidad relativa: hay enzimas que pueden actuar sobre un grupo de
sustratos análogos estructurales o sobre determinados tipos de enlace. En estos
casos actúan con menor eficacia sobre los sustratos análogos.
Los enzimas: catalizadores biológicos
Un catalizador es la sustancia que acelera la velocidad de una reacción
disminuyendo la energía de activación, sin modificar las condiciones del equilibrio y, al 74
final de ella, se recupera sin modificarse. En los seres vivos estos catalizadores son
sustancias de carácter proteico que denominamos enzimas.
Para que una reacción química tenga lugar, las moléculas de los reactantes deben chocar
con una energía y una orientación adecuadas. La actuación de la enzima:
1. Permite que los reactantes (sustratos) se unan a su centro activo con una orientación
óptima para que la reacción se produzca.
2. Modifica las propiedades químicas del sustrato unido a su centro activo, debilitando
los enlaces existentes y facilitando la formación de otros nuevos, los productos.
El producto tendrá menor energía interna. Esta diferencia de energía se
denomina Energía libre de Gibbs (∆Gº‘) y para que la transformación tenga lugar, el
sustrato (S) debe activarse o tener suficiente energía interna para pasar a un estado de
transición (S*) de alta energía. La energía necesaria para que se active el sustrato se
denomina Energía de activación.
Velocidad de las reacciones enzimáticas
La velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de
sustrato activado: v = k [S*].
Cuanto mayor sea el salto energético (energía de activación o EA) que necesite
el S para que alcance el estado transitorio S*, que será el que se transforme en P, más
lenta es la reacción. Cuanto más bajo sea el salto energético, más rápida será la
reacción.
En las reacciones catalizadas por enzimas, estos se unen al sustrato, formando un
complejo enzima-sustrato (ES). Esta unión tiene la ventaja de estabilizar al sustrato en
el estado transitorio, con un nivel energético más bajo que si no estuviera catalizada,
necesitando menor energía de activación, lo que le permite transformarse en producto
mucho antes. La enzima crea un microentorno en donde la configuración del sustrato
activado (S*) es menos desfavorable energéticamente.
Un enzima no tiene por qué actuar siempre a igual velocidad. Su actividad puede estar
modulada por el pH, temperatura, presencia de cofactores o coenzimas.
Unidades de actividad enzimática
• Actividad de un enzima: moles de sustrato transformados por unidad de tiempo. Se
expresa en µmoles/min o unidades de actividad enzimática (U). Por lo tanto, la cantidad
de una enzima se expresa usando unidades de Velocidad.
• Katal (kat): 1 katal = 60·106 U, es la unidad del Sistema Internacional de Unidades
para actividad catalítica. Esta unidad es muy grande, de forma que suele utilizarse
submúltiplos, como el µkat (10-6 kat) o el ηkatal (10-9 kat).
• Actividad específica de un enzima: es la actividad enzimática por mg de proteínas
totales del tejido µmoles/min/mg proteína o lo que es lo mismo UI/mg prot.
• Concentración de un enzima: cantidad de enzima por unidad de volumen, o en su
defecto la actividad enzimática por unidad de volumen UI/ml. Muy útil en el caso de
enzimas séricas: UI/ml de suero.
Modelos de acción enzimática
(...)
Cinética de los enzimas no michelianos
Hay enzimas que no obedecen la ecuación de Michaelis-Menten. Se dice que su
cinética no es Michaeliana.
Esto ocurre con los enzimas alostéricos (aquellos que además de los centros
activos tienen otros), cuya gráfica V frente a [S] no es una hipérbola, sino una
sigmoides.
En la cinética sigmoidea, pequeñas variaciones en la [S] en una zona crítica
(cercana a la KM) se traduce en grandes variaciones en la velocidad de reacción.
Es decir, pequeñas variaciones de la concentración del sustrato no son
proporcionales a la velocidad; si no lo son cuando superan un cierto límite.
Apuntes de bioquímica en la Universidad de Sevilla. Facultad de Medicina.
Modificación covalente: fosforilación
La fosforilación se emplea como un mecanismo de regulación en prácticamente
todos los procesos de las células eucariotas. Los enzimas que intervienen en esta
reacción son las proteínas quinasas que catalizan la unión de grupos fosforilo a residuos
aminoácidos específicos de una proteína.
En una proteína, los oxígenos de un grupo fosforilo pueden formar enlaces de
hidrógeno con uno o varios grupos, generalmente los grupos amida de la cadena
peptídica al inicio de una hélice alfa o con los grupos guanidinio cargados de la cadena
lateral de la Arg. La doble cargada negativa de la cadena lateral
(...)
Tema 19. Organización del genoma.
Estructura génica en procariotas y eucariotas. Empaquetamiento del ADN en los
cromosomas procariotas y eucariotas. Estructura y dinámica del nucleosoma.
La región codificadora del ADN es discontinua, estando interrumpida por
segmentos de ADN no codificador, viéndose diferencias entre los genes procariotas y
eucariotas.
Los genes de los eucariotas, están formados por moléculas codificadoras, los
exones, separadas de las no codificantes, que se llaman intrones. Los exones no se
eliminan en los procesos de maduración del ARNm, permaneciendo en el mismo. Los
exones extremos (primero y último) existen regiones no codificables que corresponden
con las denominadas regiones terminales no traducidas (UTR).
Los genes de los mamíferos son fragmentados, siendo el nº de intrones por gen y
su longitud muy variable. En algunos genes humanos, el nº de intrones por gen es muy
bajo (2 genes de globinas o 4 en la eritropoyetina), mientras en otros tienen un nº muy
alto (25 en el gen factor VIII, o más de 40 en la de la tiroglobulina).
También el tamaño de los intrones y exones es variable. En general la cantidad
de ADN de los intrones de un gen es mayor que la de los exones.
El gen comprende toda la región transcrita (unidad de transcripción), incluyendo
regiones codificadoras contenidas en los exones, todos los intrones y las regiones
flanqueantes 5´ y 3´ de la región codificadora del primer y último exón respectivamente.
El genoma es la suma total del material genético presente en un organismo
particular, incluye ADN presente en los cromosomas y en las orgánulos subcelulares
(ej: mitocondrias, cloroplastos) y el genoma del ARN de algunos virus. Un gen es una
secuencia de ADN genómico o de ARN que es esencial para especificar una
determinada función.
El código genético es universal. Los virus con ARN actúan como ADN
procariótico o eucariótico (capacidad de replicación), producir ADN a partir de ARN.
(...)
Genoma bacteriano
Las bacterias no tienen membrana nuclear. Por ello, las bacterias tienen dos tipos
de genoma en el citoplasma:
1. Una estructura muy densa denominada nucleoide, organizada en un único
cromosoma circular y de doble hebra (organismos haploides)
2. Más otros elementos extracromosómicos plásmidos, transposones,
cloroplastos. Pequeñas molécula de ADN dúplex circular.
El genoma bacteriano está empaquetado porque es más
grande que el compartimiento que lo contiene. Por ej.: El
ADN de E. Coli tiene una única molécula de ADN circular
con 4 Mb (megabases) y una longitud de 1.4 nm (700 veces
superior a la bacteria), por lo que debe empaquetarlo en
cromosomas.
Excepcionalmente algunas especies tienen dos
cromosomas y otras especies tienen un cromosoma lineal.
Los genomas bacterianos contienen de media unos 4.000
genes. Con un tamaño medio de 1 Kb (kilobase = 1.000 pb).
Presentan replicación semiconservativa. En algunas bacterias
se han encontrado proteínas con características muy
semejantes a las histonas de los organismos eucariotas. Por
esta causa se piensa que estas proteínas podrían unirse al
ADN y formar una especie de cromatina primitiva.
(...)
Gen
Unidad básica de la herencia, y porta la información genética necesaria para la
síntesis de una proteína (genes codificantes) o de un ARN no codificante (genes de
ARN). Está formado por:
• una secuencia promotora, que regula su expresión.
• una secuencia que se transcribe, compuesta a su vez por:
- secuencias UTR (regiones flanqueantes no traducidas) necesarias para la
traducción y la estabilidad del ARNm,
- exones (codificantes)
- intrones, que son secuencias de ADN no traducidas, situadas entre dos exones,
que serán eliminadas en el procesamiento y maduración del ARNm.
La densidad media de genes es de 1 gen cada 100 kb, con un tamaño medio de
20‐30 kb, y un número de exones promedio de 7‐8 por cada gen, con un tamaño
medio de 150 nucleótidos.
Se estima que el genoma humano contiene entre 20.000‐25.000 genes
codificantes de proteínas, estimación muy inferior a las predicciones iniciales que
hablaban de unos 100.000 genes o más (paradoja del valor C).
Sin embargo, las células humanas recurren ampliamente al splicing alternativo,
mecanismo por el que se puede producir varias proteínas distintas a partir de un mismo
gen: nº proteínas > nº genes.
(...)
Primasa.
La síntesis de los fragmentos de Okazaki en la hebra rezagada pone en juego
compleja reacciones enzimaticas. La helicasa DnaB y la primasa DnaG constituyen una
unidad fundamental dentro del complejo de replicación denominado primosoma.
Replicación simultánea de las dos hebras del dúplex
• Hebra guía o conductora
• Hebra retardada
Fragmento de Okazaki. Maduración
Las cadenas de ADN siempre son sintetizadas en la dirección 5´ 3´, siendo el
3´-OH libre el punto de elongación del ADN. Debido a que las dos cadenas de ADN son
antiparalelas, la cadena que sirve de molde es leída del extremo 3´ al 5´.
Si las dos fuesen sintetizadas continuamente a medida que se desplaza la
horquilla de replicación, una tendría que ser sintetizada en dirección 3´ 5´. Okazaki
descubrió que una de las cadenas nuevas del ADN se sintetiza en forma de trozos
cortos, denominados fragmentos de Okazaki. Este trabajo condujo finalmente a la
conclusión de que una de las cadenas nuevas de ADN es sintetizada de modo continuo y
la otra de modo discontinuo. La cadena conductora (continua) es aquella cuya síntesis
en dirección 5´ 3´ transcurre en la misma dirección que el movimiento de la horquilla
de replicación. La cadena discontinua, es aquella cuya síntesis en dirección 5´ 3’
transcurre en dirección opuesta a la dirección del movimiento de la horquilla.
Síntesis de fragmentos de Okazaki:
Se produce a intervalos, la primasa sintetiza un cebador de ARN para un nuevo
fragmento de Okazaki: Obsérvese que, si suponemos que las dos hebras molde están
dispuestas paralelamente, la síntesis de la hebra rezagada transcurre en dirección
opuesta al movimiento de la horquilla.
Cada cebador es extendido por la ADN polimerasa III.
La síntesis de ADN continúa hasta que el fragmento se extiende hasta el cebador
del fragmento de Okazaki añadido previamente. Un nuevo cebador es sintetizado cerca
de la horquilla de replicación para empezar de nuevo el proceso.
(...)
1.-Procesamiento de ARN en eucariotas.
A las moléculas de RNA recién sintetizadas se les denominan Transcritos
primarios. Sin embargo, las secuencias que codifican a los polipéptidos, normalmente
no están contiguas (sobre todo en eucariotas), suelen tener que modificar químicamente
algunas de sus bases, añadirles ciertos nucleótidos a sus extremos o eliminar los
fragmentos intercalados no codificantes llamados intrones, a diferencia de los
codificantes o exones. Por ello, generalmente hay que procesarlas, esto es a lo que se
denomina maduración del RNA.
Prácticamente todo el RNA se procesa para su maduración:
• Los rRNA se transcriben juntos y por corte se generan fragmentos menores que
darán lugar, cada uno a tipo de rRNA distinto.
• Los tRNA se procesan mediante modificaciones de sus bases.
• Los mRNA sufre distintos tipos de modificaciones.
o Se le añade la caperuza o casquetes 5’.
o Se les añaden colas poliA.
o Se cortan y empalman los exones (splicing).
o Edición del RNA.
1.1.- Procesamiento de ARNt en eucariotas
La mayoría de las células tienen entre 40-50 ARNt diferentes y en células
eucariotas hay múltiples copias de muchos genes de ARNt.
Los ARN de transferencia proceden de ARN precursores más largos por
eliminación enzimática de nucleótidos de los extremos 5´ y 3´.
La endonucleasa Rnasa P, presente en todos los organismos, elimina ARN del
extremo 5´ de los ARNt. El extremo 3´ de los tRNA es procesado por una o más
nucleasas (Rnasa D).
La etapa final de la maduración del ARNt consiste en la modificación de algunas
bases por metilación, desaminación o reducción.
Es el único ARN que experimenta el corte y empalme por enzimas proteicas.
1.2.- Procesamiento de ARNr en eucariotas.
Los ARN ribosómicos, tanto en eucariotas como en procariotas, se forman a
partir de precursores más largos denominados RNA prerribosómicos o pre-rRNA.
En eucariotas un transcrito de pre-rRNA 45 S se modifica en el nucleolo para
dar la rRNA 18 S, 28 S y 5'8 S, característico de los ribosomas eucarióticos.
El rRNA 5 S de la mayoría de los eucariotas es sintetizado como un transcrito
independiente por la pol II.
(...)
según la reaccion:
Fue la primera enzima sintetizadora de ácido nucléico descubierta. Esta enzima
difiere de otras actividades polimerasas en que no está dirigida por un molde. El enzima
requiere los 5’-NDP, no pudiendo actuar sobre los 5’-NTP homólogos, ni sobre los 5’-
dNDP. La reacción es reversible y contiene enlaces 3’-5’ fosfodiester que pueden ser
hidrolizados por las ribonucleasas.
La función de esta enzima en la célula parece ser la degradación de los mRNA
para formar ribonucleósidos trifosfato Puede utilizar uno o los cuatro NDP y no necesita
molde, por lo que es una herramienta de gran ayuda en el laboratorio para preparar Tema 1
141
polímeros de RNA con diferentes secuencias y frecuencias de bases. Con ella se dedujo
la secuencia del código genético S. Ochoa y su discípulo A. Kromberg (descubridor de
la DNA polimerasa) compartieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1959
por sus respectivos hallazgos.
b) Transcriptasa Inversa.
Ciertos virus de tejidos animales contienen dentro de la partícula vírica una
DNA polimerasa dirigida por RNA por lo que se le ha denominado transcriptasa
inversa. El RNA monohebra vírico ( 10.000 nc de longitud) y la enzima entra en la
célula huésped donde tiene tres actividades catalíticas:
1) Sintetiza una cadena de DNA complementaria al RNA vírico.
2) Degrada la cadena de RNA en el híbrido RNA-DNA formado.
3) Reemplaza el RNA degradado por otra cadena de DNA.
El DNA duplex así formado a menudo queda incorporado al genoma de la célula
huésped eucariota. En ciertas condiciones estos genes víricos silenciosos se activan
generando nuevos virus (infección retrovírica) a estos virus se les conoce como
retrovirus y son los responsables del SIDA y de los oncogenes que generan ciertos tipos
de cáncer.
Tiene 2 subunidades (α y β) y contienen Zn2+ necesitan cebador (tRNA vírico) y no
apuntes de bioquímica de la facultad de medicina de la Universidad de Sevilla
a) Características del Código Genético.
− Está organizado en tripletes o codones: cada aminoácido está
determinado por 3 nucleótidos (codón). Teniendo en cuenta que existen 4
ribonucleótidos diferentes, U, C, G y A, hay 43
= 64 tripletes distintos (Si
4
2
= 16 y hay 20 aá no sería posible codificar los 20 aá). Los codones
están escritos en dirección 5' -> 3'.
− El Código Genético es degenerado: debido a que existen 64 tripletes
distintos y hay solo 20 aá diferentes, un mismo aá puede estar
determinado por más de un triplete o codón.
− El Código Genético no es ambiguo: un triplete de nucleótidos siempre
codifica para el mismo aá.
− Es un código sin superposición o sin solapamientos: dos aá sucesivos no
comparten nucleótidos de sus tripletes.
− La lectura del mRNa es continua, sin interrupciones: cualquier pérdida o
ganancia de un solo ribonucleótido produce, a partir de ese punto, una
modificación de la pauta de lectura, cambiando todos los aá desde el
lugar de la alteración.
− Varios codones tienen funciones especiales: el triplete de iniciación suele
ser AUG que codifica para formil-Met: tambien pueden actuar como
tripletes de iniciación GUG (Val) y UGG (Leu), aunque con menor
eficacia. También hay 3 tripletes sin sentido o de terminación: UAA, UGA
y UAG.
− El primer codón de la secuencia establece el marco o pauta de lectura:
para una secuencia determinada pueden existir 3 marcos de lectura.
ORF = marco de lectura abierto (genes).
− El Código genético nuclear es universal: coincidiendo en todos los
organismos estudiados hasta la fecha. La única excepción a la
universalidad del Código Genético es el Código Genético mitocondrial.
b) Excepciones a la universalidad del Código Genético.
En 1981 se describió que el Código Genético de ciertas mitocondrias (en
ellas existe la maquinaria para sintetizar entre 10 y 20 proteínas mitocondriales,
el resto proviene de información del núcleo), es una variante de código
genético estándar.
Por ejemplo en las mitocondrias de mamíferos, AUA (Ile en el código
estándar) es el codón de iniciación fMet; UGA especifica Trp (en lugar de ser
un codón de terminación); AGA y AGG son señales de terminación (Arg en el
código estándar). De esta manera, las mitocondrias simplifican el código
estándar incrementndo la degeneración.
c) Codones sinónimos.
Los distintos codones que codifican para un mismo aá se denominan
codones sinónimos. Los codones sinónimos tienden a coincidir en uno o dos de
los nucleótidos iniciales, aunque no siempre. Por ejemplo, cuatro de los
codones que codifican para la Ser empiezan por UC.
Muchos sinonimos ocupan el mismo bloque en la tabla de codones, difieren
solamente en su tercer nucleótido.
Las únicas expecciones son Arg, Leu y Ser, que tienen 6 codones cada uno. Tema 1
150
Cambios en la primera posición del codón tienden a especificar aá similares,
muchas veces el mismo.
Codones en los cuales la segunda posición es una pirimidina codifican
principalmente para aá hidrofóbicos. Aquellos cuya segunda posición es una
purina codifican principalmente para aá con cadenas laterales polares cargadas
o no cargadas.
Esto hace que ciertas mutaciones puntuales, las que afectan a nucleótidos
no coincidentes de codones sinónimos, carezcan de consecuencias.
d) Hipótesis del balanceo.
El tRNA reconoce codones mediante el apareamiento de bases del codón
del mRNA y una secuencia de 3 bases del tRNA denominada anticodón.
− El mRna y los tRNA se aparean antiparalelamente. La 1ª base del codón
de encuentra en el extremo 5' (el mRNA va en dirección 5' -> 3') y la 1ª
del tRNA se encuentra en el extremo 3', ya que va en dirección 3' -> 5'.
− El número de tRNAs para cada aá no es el mismo que el número de sus
codones. Además algunos de los tRNA tiene inosinato (I), que contiene la
base poco frecuente hipoxantina. Esta puede aparearse con U, C y A,
aunque son más débiles que los habituales. Las 3ªs
bases de los
codones forman puentes de H bastante débiles con el residuo I del
anticodón.
Crick observó que la tercera base de casi todos los codones del mRNA se
aparea de manera bastante suelta con su correspondiente, es decir, la tercera
base se balancea.
− Las dos primeras bases de un codón, en el mRNA, siempre forman pares
de bases de Watson y Crick con las bases del anticodón del tRNA.
− Dos codones que difieran en alguna de sus dos primeras bases deben de
ser reconocidos por tRNA diferentes.
− La 1ª base del anticodón (5' ->3') determina que un tRNA pueda leer uno,
dos o tres codones.
− Las modificaciones de las bases, tanto en el anticodón como en la
vecindad, influencian la capacidad de apareamiento codón-anticodón.
− La 3ª base es la del balanceo y permite la rápida disociación del tRNA de
su codón durante la síntesis.
− Permite variaciones en la secuencia de DNA sin cambios de la secuencia
de aá.
Parte de la degeneración del Código Genético se debe a la emprecisión del
apareamiento (balanceo) entre la primera base del codón y la tercera del
anticodón. Este hecho explica la ventaja evolutiva que representa la presencia
de un gran número de nucleótidos modificados en el tRNA, como es el caso de
la inosina.
Tema 24. Regulación de la expresión génica en procariotas. El operón de la lactosa.
El operón del triptófano. Mecanismos de atenuación.
1. Introducción. Genotipo y fenotipo. Adaptación al medio
(...)
8. Formación del complejo represor.
Histonas Desacetilasa: quitan grupos acetilos que suelen estar unidos a las Lys de
las histonas. (Lys son aminoácidos básicos, presentan un grupo amino extra.) Cuando
las histonas están acetiladas pierden esa carga positiva.
HDAC
↓
H – Lys – NH – CO – CH3
Las histonas desacetilasa rompen este enlace, dejando las histonas cargadas
positivamente.
H – Lys –NH3+ CH3 – COOAl
cargarse positivamente las histonas, el ADN estará más compactado, debido a
la acción de fuerzas electroestáticas. La cromatina tendrá un estado más compactado
(heterocromatina), lo que implica que la transcripción sea menor. Esto puede afectar a
una porción importante de ADN lo que permite silenciar un conjunto de genes.
8.1. Metilación del ADN.
La metilación de c implica la represión total del gen. Tema 1
160
Epigenética: cambios heredables en la conformación de los genes sin que cambie
su secuencia de bases. La metilación de lo genes puede ser heredables.
Existe otro tipo de modificación pretranscripcional que también es heredable en lo
que se implica las histonas (aunque realmente la metilación también influye sobre ellas.)
Se trata de modificación en las histonas. Se denomina el código de las histonas. Se trata
de modificaciones postraduccionales de las histonas que afectan al estado de la
cromatina y por tanto en la expresión de los genes. Entre estas modificaciones tenemos:
‐ Acetilación de las histonas.
‐ Metilación de las histonas: según el caso puede provocar activación o bien
represión de la transcripción.
‐ Ubiquitinización: unión de una ubiquitina (proteína).
‐ Proteína simo.
‐ Fosforilación.
Existe una enzima, histonas acetiltransferasas, que llevan a cabo la acetilación de
las histonas. Las histonas que más se modifican son las H3 y H4.
HAT
H – Lys – NH3+ ↔ H - Lys – NH – CO – CH3 + H2O
HDAC
Al ser acetiladas, las Lys de las histonas pierden su carga positiva lo que implica
una disminución en la compactación de la cromatina.
Existen también complejos enzimáticos que intervienen en la regulación
pretranscripcional. Son los complejos de remodelación de la cromatina dependientes de
ATP.
Tema 26. Lesiones y reparación del ADN. Agentes mutagénicos. Tipos de mutaciones.
1. Agentes mutagénicos y alteraciones más frecuentes del ADN.
ALTERACIONES MÁS FRECUENTES DEL ADN
1) Despurinizaciones: pérdida del enlace N-glucosídico que une la base con la
pentosa. Se rompe con mucha facilidad, de forma natural ocurre generalmente en las
purinas. Quedan nucleótidos abásicos que han perdido la base nitrogenada.
2) Desaminaciones: en las bases nitrogenadas, los grupos aminos son bastante
inestables, se hidrolizan con facilidad. Excepto T y U todas tienen grupos amino. La
C se convierte en U. La G en xantina que es una base que no está presente de forma
natural en el ADN.
3) Dímeros de pirimidina: alteran la estructura del ADN. Son anillos planos que
producen con cierta frecuencia enlaces covalentes entre ellos, con frecuencia son
dímeros de Timina. Se favorece mucho por la luz UV.
4) Alquilación: unión de grupos alquilo, el más frecuente es el metilo aunque también
etilo o propilo.
AGENTES MUTAGÉNICOS
Todas estas mutaciones están fomentadas por agentes mutagénicos, que son de tres
tipos:Tema 1
161
· Químicos: son los que más mutaciones producen, ya que son a los que más estamos
expuestos. Con el “test de AMOS” determinamos la cantidad de mutaciones que se
producen en el ADN por ese agente químico.
· Físicos: los más importantes son las radiaciones ionizantes (es por ello que en el
diagnóstico actualmente se utiliza el TAC) y las radiaciones UV, procedentes del sol,
por lo que la exposición al mismo no debe ser muy prolongada.
(...)
experimentales.
Introducción: Historia
Durante muchos años había imperado el vitalismo. El vitalismo consistía en
creer que los seres vivos estaban compuestos por elementos diferentes al de los seres
inertes.
A principios de siglo XX, Watson y Crick llegaron a proponer estructuralmente
la cadena de ADN, la encargada de transmitir la información genética. Anteriormente se
pensaba que las proteínas transmitían la información genética
Composición de los seres vivos: Bioelementos.
Los bioelementos son elementos químicos que se encuentran en los seres vivos.
Éstos lo conforman unos 20 elementos. Los seres vivos están formados básicamente por
agua (65 – 90%), lo que hace que el oxígeno sea porcentualmente el elemento más
abundante. El carbono es mucho más abundante en los seres vivos que en el resto del
universo. El porcentaje de cada uno de estos varía de un organismo a otro.
Dependiendo de la abundancia con la que se encuentren en los seres vivos podemos
distinguir tres tipos de bioelementos:
• Bioelementos primarios: son los más abundantes. Forman el 97% de nuestro
cuerpo. Son el C, H, O, N.
• Bioelementos secundarios: Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe. También están presentes
en los seres vivos pero en menor cantidad. Son muy esenciales en los seres
vivos, su falta en el organismo produce patologías.
• Oligoelementos: Mn, I, Cu, Zn, F, Mo, Se. La diferencia con los anteriores es
que algunos no son esenciales en todos los organismos. Aparecen en cantidades
trazas (cantidades muy pequeñas).
Funciones:
1. Plásticas/estructurales:
Forman parte del tejido, los huesos… son el C, O, H, N y también el S, P, Co.
2. Catalíticas:
• Fe: Participa en el transporte de oxígeno y electrones.
• Zn: es el cofactor de muchas enzimas. En el punto donde se produce la
reacción de la enzima se encuentran estos iones (centro catalítico o centro
activo). Su falta podría producir una patología.
• I: forma parte de las hormonas tiroideas.
3. Osmótica:
Destacan el Na y el K en forma iónica. Intervienen en procesos como la
distribución del agua en compartimentos intracelulares y extracelulares, en el
mantenimiento de potenciales de membrana… (hacen pasar productos que no
necesitan en el organismo a la orina por reacciones iónicas). Curiosidad: cuando la
sangre se introduce en el agua, las células que la forman se rompen porque tienen
distinta concentración, sueltan la hemoglobina y se pone roja. Se debe a que los
iones causan mucha presión en la membrana y se rompe. 2
Carbono
El carbono es uno de los componentes mayoritarios de los seres vivos. Esta
abundancia se debe a distintas causas:
• Tiene 4 valencias con lo que tiene más posibilidades de unirse con otros
elementos (muchos enlaces) y pueden formar enlaces fuertes.
• No es abundante en la corteza terrestre, está en estado puro o formando parte de
las rocas. Sin embargo sí es muy abundante en los seres vivos.
• Es capaz de formar macromoléculas de muy bajo peso molecular.
• Forma parte del CO2 que es la fuente de carbono para todas las moléculas
orgánicas halladas en los organismos.
• Puede formar enlaces covalentes consigo mismo y así dar lugar a largas cadenas
de carbono.
• Sin embargo, el CO es tóxico porque interfiere en la capacidad de la
hemoglobina de unirse al oxígeno.
Hace 150 años se denominó compuesto inorgánico.
Biomoléculas
Los bioelementos que forman parte de los seres vivos se unen para formar las
biomoléculas o principios inmediatos (elementos que se obtienen del organismo a través
de procesos físicos).
Características:
• La mayoría son compuestos orgánicos.
• Los carbonos pueden formar cadenas lineales, ramificadas y circulares.
• Al esqueleto carbonado se le añaden grupos de otros átomos, llamados grupos
funcionales.
• Las propiedades químicas vienen determinadas por los grupos funcionales.
Una falta de estas biomoléculas puede producir patologías. Según su naturaleza, se
pueden clasificar en dos grupos:
• Biomoléculas orgánicas o principios inmediatos orgánicos: hidratos de carbono,
proteínas, lípidos y ácidos nucleicos.
• Biomoléculas inorgánicas o principios inmediatos inorgánicos: agua, gases (CO
o el CO2) y sales inorgánicas (fosfatos, carbonatos…).
Enlaces químicos presentes en las biomoléculas.
Los enlaces presentes en las biomoléculas pueden ser de distintos tipos:
• Iónicos: se produce entre átomos que ceden o captan electrones en sus orbitales
periféricos para alcanzar mayor estabilidad electrónica. Ej: NaCl.
• Covalentes: Se produce entre átomos que comparten electrones de sus orbitales
periféricos, para alcanzar mayor estabilidad electrónica. Es el más frecuente en
las biomoléculas y es más fuerte y resistente que el iónico al entre átomos
pequeños H, O, N, C (1, 2, 3, 4 enlaces respectivamente).
• No covalentes: se establecen entre iones, moléculas (intermoleculares) o partes
de moléculas, generalmente para el mantenimiento de las estructuras
(...)
La zona óptima de trabajo está en el pKa ± 1 unidad de pH.
La capacidad amortiguadora de un tampón para un pH específico depende de:
1. La naturaleza del ácido débil que la integra, es decir de su grado de
disociación o pKa.
2. De la proporción relativa sal/ácido, pero no de las concentraciones absolutas
de estos componentes. Por ej.: un sistema amortiguador 2 M en sal y 1 M en
ácido, regula el mismo pH que un sistema amortiguador 4 M en sal y 2 M en
ácido, debido a que la relación [sal] / [ácido] es igual.
3. De la concentración molar del par ácido/base conjugada (suma de las
concentraciones del ácido más base conjugada, [AH] + [A-]). Es decir, para un
mismo pH, cuanto mayor sea la concentración del tampón, mayor es su
capacidad tamponante. Un tampón 0,1 M tiene mucha mayor capacidad de
tamponamiento que otro 0,01 M del mismo ácido.
4. La mayor capacidad se obtiene cuando la relación entre las
concentraciones de sal y ácido es 1. Es decir, cuando el valor del pKa = pH se
tiene la mayor capacidad tampón. Este hecho tiene importancia cuando se desea
preparar una solución tampón. Para ello, se debe seleccionar el ácido cuyo pKa
esté lo más cercano posible a la zona de pH que se desee controlar.
- Rango de efectividad de un tampón
Un tampón es más o menos efectivo en un rango de aproximadamente 1 unidad de
pH respecto al valor del pKa del ácido débil. 11
Tema 3.Tampones fisiológicos: fosfato, bicarbonato y proteínas.
Equilibrio ácido-base
El mantenimiento del pH del medio interno es de vital importancia para los seres
vivos.
El metabolismo intermedio genera una gran cantidad de ácidos aunque la
concentración de hidrogeniones [H+
] va a permanecer fija, dentro de unos limites
estrechos por:
• Los tampones: actúan de forma inmediata .El tampón intracelular mas importante
es el sistema fosfato y el principal extracelular es el sistema bicarbonato, también
actúan como tampones ciertas proteínas como la hemoglobina.
• Los mecanismos de regulación pulmonar y renal actúan en última instancia en la
regulación del pH.
Amortiguadores fisiológicos.
El pH del líquido extracelular fluctúa entre 7,35-7,45 ya que todos los líquidos
del organismo son ligeramente alcalinos o básicos, el pH de la sangre arterial es de 7,42
y el de la sangre venosa 7,36.
Acidemia: pH sanguíneo <7,35 y >6,9
Alcalemia: pH sanguíneo >7,45 y <7,7
Un pH sanguíneo <6,9 o >7,7 es incompatible con la vida, por lo que mantenerlo
constante es esencial.
La acidosis es un termino clínico que indica un trastorno que puede conducir a la
acidemias da un aumento de los hidrogeniones en el organismo que puede estar
compensado para mantener el pH sanguíneo dentro de unos limites normales.
La acidosis es compatible con un pH sanguíneo normal.
Acidosis y alcalosis se refieren a las patologias, que normalmente acaba en
acidemia y alcalemia, cuando son permanentes y no pueden ser compensadas.
Tampón fosfato
La disociación del ácido fosfórico, ácido triprótico débil, se desarrolla con la
pérdida de un protón en cada equilibrio establecido, al que le corresponde un pKa
determinado.
Estos equilibrios son:
H3PO4 ↔ H2PO4
‐ ↔ HPO4
2‐ ↔ PO4
3‐
+ H+
pKa1 = 2.21 pKa2 = 7.4 pKa3 = 12.70
A efectos de regulación fisiológica, el equilibrio que más interesa es el segundo
par (H2PO4
‐
/HPO4
2‐
), ya que el pKa2 que lo gobierna a 37º C es de 6.8, es el más
cercano al pH 7.4, del medio extracelular. Aplicando la ecuación de
Henderson‐Hasselbalch: 12
7.4 = 6.8 + log [ HPO4
2‐
/ H2PO4‐ ] [HPO4
2‐
] /[H2PO4
‐
] = 4
Es decir, a pH fisiológico de 7,4, la concentración de HPO4
2‐
es 4 veces superior
(80%) a la de H2PO4
‐
(20%). Así pues, el tampón fosfato es un sistema muy eficaz para
amortiguar ácidos. La concentración de fosfato en la sangre es baja (2 mEq/l) por lo que
tiene escasa capacidad de tamponar si lo comparamos con otros tampones (ej. el
bicarbonato). En cambio, a nivel intracelular, las concentraciones de fosfato son
elevadas, lo que le convierte en un tampón eficiente a este nivel. Las grandes cantidades
de fosfato dentro de las células corporales y en el hueso hacen que el fosfato sea un
depósito grande y eficaz para amortiguar el pH.
Las personas que tienen variaciones de pH, sufren una descalcificación, ya que
el hueso suelta sales de fosfato para amortiguar el pH. En las personas mayores
femeninas postmenopausicas tienen más tendencia a la fractura de huesos debido a una
alteración hormonal tras la menopausia, ya que cae la producción de estas. Esas
fracturas se deben a una bajada de la densidad ósea.
Si ingieres grandes cantidades de productos ácidos eres más vulnerable a una
descalcificación ósea, ya que los huesos tienen que soltar fosfatos para amortiguar el
pH.
Tampón bicarbonato
La formación de iones bicarbonatos en sangre a partir de CO2 y H2O permite la
transferencia de CO2 desde los tejidos a los pulmones, donde será exhalado con la
respiración. El ác. Carbónico se forma a partir de CO2 disuelto con H2O. La relación
entre el ác. Carbónico y la formación de iones bicarbonato es:
CO2 + H2O ↔ CO3H2 pka: 2
CO3H2 ↔ H+
+ HCO3
‐
pka:9,6
CO2 + H2O ↔ CO3H2 ↔ HCO3
‐
+ H+
Estas reacciones ocurren predominantemente en los eritrocitos. Casi todo el CO2
que sale de los tejidos, vía el endotelio capilar, es captado por estas células, donde la
formación de ác. Carbónico y la posterior ionización del ác. carbónico, en bicarbonato
es catalizada por la anhidrasa carbónica, enzima metaloproteica (contiene Zn2+),
enzima que incrementa enormemente la velocidad de esta reacción (fija 600.000 mol
CO2/sg), aunque también puede ocurrir de forma espontánea (en plasma).
CO2Total = CO2 (d) + [HCO3
‐
]
El contenido total de CO2 de una muestra de plasma se determina a partir de la
medida del volumen de CO2 gas liberado por la acidificación con un acido fuerte.
El ác. carbónico es un ácido moderadamente fuerte, con un pKa de 3.5 a 37ºC.
Sin embargo, la concentración real de ác. carbónico en el plasma es tan pequeña que la
podemos ignorar, aprovechando que su concentración es proporcional a la de CO2
disuelto (CO2dis). A su vez, el CO2 (dis) es proporcional a la presión parcial de CO2
(pCO2) corregido con un factor, la constante de solubilidad (Ksol) del CO2 en el agua
que a 37ºC es ~0.03 mmHg.
CO2 (dis) = (pCO2) x 0.03 mmHg
(...)
Apuntes de bioquímica de la Universidad de Sevilla, Facultad de Medicina
Homomultímero -una sola clase de cadenas
Heteromultímero - dos o más cadenas diferentes.
Ejemplo: La Hemoglobina es un heterotetrámero que tiene dos cadenas α (A) de 21
residuos y dos cadenas β (B) de 30 residuos, unidas por dos puentes disulfuro
intercatenarios
o Clasificación de las Proteínas
La clasificación de las proteínas es bastante diversa, debido a su gran número y
diferencias que presentan. Pueden clasificarse atendiendo a varios criterios.
1) Según la Composición:
Simples: sólo aminoácidos formando una o varias cadenas polipeptídicas.
Conjugadas: además de aminoácidos tiene un componente de distinta naturaleza
llamado grupo prostético:
• Glicoproteínas: contienen glúcidos (inmunoglobulinas)
• Lipoproteínas: contienen lípidos
• Fosfoproteínas: contienen grupos fosfato (caseína)
• Nucleoproteínas: contienen ácidos nucleicos
• Metaloproteínas: contienen iones como Fe, Ca, Cu, etc..
• Otras moléculas: hemoproteínas, flavo proteínas, etc.…
Incluso pueden coexistir distintos componentes en una misma proteína (Ej.:
metaloglicoproteínas)
2) Según la Forma:
Es muy importante porque nos da la idea de la solubilidad de esa molécula y así
sabemos como son las proteínas que viajan por nuestros fluidos o que forman parte de
nuestros tejidos.
- Globulares: de forma esférica u ovoide, son en general solubles:
• Albúminas: proteínas de origen animal que son solubles en agua fría o en
disoluciones salinas diluidas.
• Globulinas: proteínas de origen animal que requieren concentraciones salinas
más elevadas para permanecer en disolución.
• Glutelinas: De origen vegetal, sólo se disuelven en disoluciones ácidas o
básicas diluidas.
• Prolaminas, solubles en alcoholes de bajo tamaño molecular.
• Protaminas: proteínas básicas presente en los líquidos seminales, solubles en
agua y amoniaco diluido.
• Histonas: proteínas básicas asociadas al ADN, pequeñas y solubles en agua y
ácidos diluidos.
• Escleroproteínas: Insolubles en todos los medios mencionados, solo se
solubilizan por medios drásticos, con agentes hidrolíticos, suelen coincidir con
las proteínas fibrosas. 18
- Fibrosas: forma alargada, insolubles y son la base de los tejidos estructurales.
3) Según la Función biológica:
Son muy heterogéneas por el gran número de funciones que desempeñan en los
organismos vivos, los principales grupos son:
1. Enzimáticas: son las proteínas catalizadoras de las reacciones metabólicas.
2. Transportadoras: las hay de dos grandes tipos:
• De iones o metabolitos a través de las membranas celulares.
• De iones o metabolitos a distancia mediante los líquidos biológicos
3. De reserva: son almacenes energéticos (Ej.: ovoalbúmina, lacto albúmina…)
4. Contráctiles: cambian de longitud de forma reversible (Ej.: actina, miosina…)
5. Estructurales: mantienen la morfología del organismo (Ej.: colágeno).
6. Cromosómicas: como las histonas y otras proteínas de interacción con el ADN,
que favorecen su empaquetado.
7. De defensa: defienden de infecciones: Como las inmunoglobulinas o las del
sistema de complemento.
8. Toxinas: abundante en microorganismos, insectos, reptiles, etc.
9. Hormonales: con funciones reguladoras del metabolismo (Insulina,…)
10. Receptoras: a las que se unen específicamente hormonas o factores tróficos,
recibiendo y transduciendo las señales del exterior al interior celular.
11. Factores tróficos: relacionadas con el desarrollo de tejidos.
12. Factores de transcripción: controlan la expresión de genes y diferenciación
(...)
Cromatografía en columna
La cromatografía es una técnica que se emplea en el fraccionamiento de
proteínas.
Consiste en la aplicación de una muestra compleja de proteínas a una columna
de cristal en la que se ha situado una matriz sólida porosa que está inmersa en el
solvente.
A continuación se bombea una gran cantidad de solvente a través de la columna.
- Las diferentes proteínas se van retrasando de manera distinta según sus interacciones
con la matriz, por lo que pueden ser recogidas separadas a medida que son eluidas por el
fondo de la columna.
Según la matriz escogida, las proteínas se pueden separar de acuerdo a su carga,
su hidrofobicidad, su tamaño o su capacidad de unirse a grupos químicos particulares.
Electroforesis en SDS -PAGE
La posibilidad de determinar el peso molecular de una macromolécula
comparando su movilidad electroforética con patrones adecuados es posible
transformando una mezcla cualquiera de proteínas en una colección de isómeros de
tamaño. Esto se consigue mediante su tratamiento con el detergente SDS.
Este detergente se asocia a la elevada concentración al esqueleto de la cadena
polipeptídica (1 molécula de SDS por cada dos aminoácidos, o 1,4 g SDS/g proteína,
aproximadamente).
Al tratar una mezcla compleja de proteínas con SDS resultan dos efectos:
1) Las proteínas se desnaturalizan completamente, con lo que todas las cadenas
polipeptídicas adquieren una conformación similar: se disponen en forma de cadena
estadística.
2) La relación Q/R tiende a igualarse en todos los polipéptidos de la mezcla, ya que las
múltiples cargas negativas del SDS asociado enmascaran las cargas eléctricas debidas a
los aminoácidos del propio polipéptido; con esto la densidad de carga resulta
sensiblemente igual para todas las moléculas de la muestra.
En resumen, se consigue tener un conjunto de moléculas que se comportan como
isómeros de tamaño con lo que, a partir de la comparación de su movilidad con la de
una serie de patrones es posible determinar su tamaño.
Isoelectroenfoque
Se basa en el desplazamiento de las moléculas en un gradiente de pH.
- Las moléculas anfotéricas, como los aminoácidos, se separan en un medio en el que
existe una diferencia de potencial y un gradiente de pH . La región del ánodo es ácida y
la del cátodo es alcalina. Entre ambos se establece un gradiente de pH tal que las
moléculas que se han de separar tengan su punto isoeléctrico dentro del rango.
- Las sustancias que inicialmente se encuentran en regiones de pH inferior a su punto
isoeléctrico estarán cargadas positivamente y migraran hacia el cátodo, mientras
aquéllas que se encuentran en medios con pH más altos que su punto isoeléctrico
tendrán carga negativa y migrarán hacia el ánodo.
- La migración las conducirá a una región donde el pH coincidirá con su punto
isoléctrico, tendrán una carga neta nula y se detendrán. De esta forma las moléculas
(...)
reactivo de Sanger de, al ser aplicado sucesivamente sobre el péptido, poder
determinar la secuencia completa de pequeñas proteínas o de pequeños
fragmentos hidrolizados.
4. Determinación del residuo C-terminal:
1. Hidrazina: Todos los grupos carbonilo, unidos en enlace peptídico, reaccionan
con hidrazina para formar hidrazonas, excepto el aminoácido C-terminal.
2. Carboxipeptidasa: Corta secuencialmente los enlaces peptídicos comenzando
desde el extremo C-terminal. El aminoácido C-terminal será, por lo tanto, el
primer aminoácido liberado por la carboxipeptidasa.
Fragmentación por hidrólisis parcial
La aplicación continuada de varios ciclos de degradación de Edman permite la
secuenciación de todo el péptido, siempre que este no tenga más de 20 o 30 aá. Por ello,
se hace necesaria la hidrólisis del péptido en pequeños fragmentos.
La fragmentación se realiza, en la mayoría de los casos, mediante proteasas,
enzimas que hidrolizan selectivamente determinados enlaces peptídicos o bien
reactivos químicos específicos:
1. La tripsina
2. La quimotripsina
3. La pepsina
4. La termolisina
5. El bromuro de cianógeno (BrCN)
No obstante los actúales requerimientos de secuenciación de gran cantidad de
péptidos en poco tiempo, han dado origen al desarrollo de nuevos métodos de
secuenciación basados en la espectrometría de masas, desarrollados principalmente
para afrontar proyectos como el del proteoma humano.
Espectrometría de masas
La espectrometría de masas (MS) permite analizar la composición de diferentes
elementos químicos e isótopos atómicos, separando los núcleos por su relación masacarga.
Presenta numerosas ventajas frente al método de Edman: es más sensible,
permite analizar directamente las mezclas proteicas y ofrece un mayor rendimiento por
muestra.
Por ello, es el método utilizado en una de las técnicas de identificación de
proteínas más comunes.
Tema 6. Estructura secundaria de las proteínas. Helice alfa, plegamiento beta y
conformación al azar. Estructuras supersecundarias.
Estructura secundaria:
La estructura secundaria define las disposiciones regulares y, por tanto, con
ciertos elementos de simetría, que pueden encontrarse en todas, o al menos, en una parte
de la proteína.
Las restricciones debidas a la planaridad del enlace peptídico y a impedimentos
esféricos para alojar las cadenas laterales de los aminoácidos, reducen mucho las
posibilidades de plegamiento, haciendo que la cadena adopte normalmente una
disposición zizagueante, donde los parámetros que cambian son los ángulos Fi (Φ) y Psi
(Ψ), para ubicar lo más establemente posible a las cadenas laterales. 31
Cuando el valor de esos ángulos se repite de forma constante en un fragmento de
la estructura primaria, se obtiene una estructura espacial con cierta simetría, a lo que
llamamos estructura secundaria.
Las estructuras secundarias más frecuentes son la hélice alfa y la hoja plegada (o
lámina) beta.
Hélice alfa:
• Pauling y Corey predijeron la estructura de la Hélice Alfa seis años antes de que
se viera mediante difracción con rayos X.
• Existen distintos tipos de hélices en los polipéptidos, pero la más común es la
hélice alfa.
• Esta estructura en forma de cilindro posee una cadena polipeptídica que se
pliega firmemente en forma de espiral con rotación dextrógira, que se estabiliza
por puentes de hidrógeno.
• Estos puentes de hidrógeno se sitúan entre el -CO de un residuo y el -NH del
cuarto residuo siguiente.
• Cada residuo se relaciona con el siguiente por un incremento de 1,5 Å en el paso
de hélice y una rotación de 100º, lo que equivale a unos 3,6 res/vuelta de hélice
y encierra 13 átomos.
• Fi (Φ) = 60 º y Psi (Ψ) = 45º
• El paso de hélice α es de 5.4 Å (1,5 Å x 3,6 residuos/giro = 5,4 Å)
• El sentido de giro es dextrógira (agujas de un reloj), favorecida estérica y
energéticamente.
• La estructura se inestabiliza cuando en ella hay Pro o algún aminoácido muy
cargado (Lys o Glu).
• Las hélices α sencillas suelen tener < 45 Å de longitud. A veces se unen dos o
más hélices α, entrelazándose en una estructura muy estable que puede tener una
longitud de 1.000 Å (0,1µm) o más, formando superhélices α, como las que se
encuentran en la miosina o la tropomiosina.
Tipos de hélice alfa:
1. Hélice Alfa antipática: Un lado apolar y otro hidrófugo (ej:
flavodoxína)
2. Hélice Alfa apolar: Citrato sintasa
3. Hélice Alfa polar: Carmodulína
Factores que afectan a la estabilidad de la hélice alfa:
1. Repulsión o atracción electrostática entre residuos.
2. Impedimento esférico entre residuos adyacentes y residuos separados por tres o
cuatro aminoácidos.
3. Prolina y glicina tienen un efecto desestabilizador de la hélice alfa.
Hélice 310:
• Es la otra hélice importante en las proteínas globulares. 32
• Se origina cuando Φ=120º y Ψ=150º
• Tiene 3 res/vuelta (n=3) y los puentes de H2 se establecen entre el residuo i + 3
lo que produce un núcleo de 10 átomos.
• El grupo –CO apunta hacia fuera de la hélice. Por ello, el puente de H2 está
doblado y no es muy favorable.
• Es mucho menos favorable que la hélice alfa para estructuras periódicas largas.
Sin embrago, son frecuentes pequeños trozos de hélice 310
• Proteínas como la: Hb, lisozima o anhidrasa carbónica, contienen fragmentos de
este tipo de hélice.
(...)
de tropocolágeno está formada por 3 cadenas peptídicas (cadenas α) trenzadas,
muy ricas en Gly y Pro o Hyp (hidroxiprolina), con un paso de rosca mucho más
largo que las hélice α, llamada hélice de colágeno.
La gelatina es un derivado desnaturalizado por ebullición del colágeno, con poco
valor nutricional debido a su pobreza en aá.
• Composición: Los colágenos son moléculas, homo y heterotriméricas,
compuestas por tres cadenas α con unos 1 000 residuos/cadena.
Estas cadenas α (no confundir con hélice α) son péptidos con una estructura
secundaria única: son levógiras, tienen 3,3 residuos aá/vuelta, una distancia entre
vueltas de 0,95 nm y una longitud de ~300 nm.
En el colágeno las 3 cadenas polipeptídicas α están entrelazadas entre si, formando
la triple hélice de tropocolágeno, que está súper enrollado pero en sentido
contrario a las cadenas α, es decir en sentido dextrógiro.
2.1 Secuencia de aminoácidos del colágeno.
Posee una composición especial, contiene una gran cantidad de Gly (33%) y
Pro, así como un alto porcentaje de aá que no fueron insertados inicialmente, como la
Hyp e Hyl (HidroxiPro e HidroxiLys). Estos aá derivados de la Pro y Lys son
generados por modificaciones postraduccionales, mediante procesos enzimáticos en los
que se requiere la vitamina C.
La secuencia de aminoácidos del colágeno corresponde a la repetición del
tripéptido Gly-X-Y, la Pro suele ocupar la posición X, mientras que Hyp o Hyl ocupan
la posición Y.
Gracias a su estructura anular rígida, la Pro estabiliza la hélice en cada una de
sus cadenas α. La Gly, sin embargo, ocupa un lugar cada tres residuos, se sitúan a lo
largo de la región central y debido a su pequeño tamaño (no tiene cadena lateral),
favorecen el denso empaquetamiento de las tres cadenas α para la formación de la súper
hélice de colágeno. Lo que le proporciona más fuerza que un cable de acero de la misma
sección.
2.2 Características de la molécula de colágeno
La secuencia de las cadenas-α de la molécula de colágeno (tropocolágeno) se
caracteriza por:
- La repetición del triplete Gly-X-Y, donde X suele ser Pro e Y residuos de Hyp o
Hyl.
- Tres hélices levógiras de cadenas α formando la triple hélice dextrógira de
colágeno de 300 nm de longitud, en estructura helicoidal continua y rígida, salvo
en los extremos (no helicoidal, ni rica en Gly, Pro ni Hyp).
- En la sección transversal de la triple hélice se muestra la localización interior de
los residuos de Gly de dos tripletes consecutivos.
- En la molécula precursora, el procolágeno, se distinguen los dos dominios no
colagenosos de los extremos amino y carboxilo terminal (péptidos de extensión).
2.3 Formación de la molécula de tropocolágeno. 36
Las cadenas α que constituyen el tropocolágeno se sintetizan en forma de
polipéptidos precursores denominados pro α1(I) y pro α2 (I),(para colágeno tipo I).
Estos precursores de las cadenas α contienen unos péptidos adicionales en los
extremos N y C-terminal de las cadenas α
1. Los péptidos de extensión se entrelazan entre sí, facilitando la formación de la
triple hélice de procolágeno y, a la vez, impiden la polimerización de las
mismas en el interior del fibroblasto.
2. La formación de puentes disulfuro intercatenarios entre las extensiones Cterminal
de los propéptidos, ayudan a la alineación las tres cadenas pro α, para
formar la triple hélice.
3. Posteriormente, ya en el espacio extracelular, unas procolágeno peptidasas
hidrolizarán estas extensiones generando las moléculas de tropocolágeno.
2.4 Superfamilias de los colágenos
En la siguiente tabla se recogen los distintos tipos de colágenos agrupados según
las estructuras macromoleculares que forman.
También se indican la composición en cadenas polipeptídicas de las formas
mayoritarias de cada una de las familias de colágenos.
2.5 Puentes de hidrógeno intercatenarios
Los puentes de hidrógeno intercatenarios son los encargados de estabilizar la
molécula de tropocolágeno. Las 3 cadenas-α que constituyen el tropocolágeno
interaccionan entre sí mediante estas uniones.
Se produce: entre los hidrógenos de los grupos NH peptídicos de la Gly (que se
encuentran casi perpendiculares al eje longitudinal de la triple hélice) y los oxígenos de
los grupos CO peptídicos de otros residuos (habitualmente Pro), de una cadena
adyacente (no se pueden formar puentes de hidrógeno entre los grupos de la misma
cadena).
De esta forma aparecen las interacciones cooperativas, ya que cada puente de
hidrógeno es débil por sí solo, pero unidos logran la estabilización de la triple hélice,
formando un entramado trabecular de cadenas de tropocolágeno, lo que le confiere una
tremenda resistencia mecánica.
La alternancia de enlaces peptídicos y Cα, conforma una hélice muy estirada.
2.6 Etapas intracelulares de la biosíntesis del colágeno
La biosíntesis de cadenas α y el procesamiento intracelular de las mismas, hasta formar
la molécula de procolágeno, transcurren en diferentes compartimentos subcelulares.
Principalmente en el retículo endoplasmático rugoso pero también en otros como el
Aparato de Golgi.
- Retículo endoplasmático rugoso (lumen): se producen reacciones de
hidroxilación y glicosilación así como la formación del procolágeno tras la
alineación de las cadenas con formación de puentes disulfuro mediante la
proteína disulfuro isomerasa).
- Aparato de Golgi: se empaquetan dichas moléculas en vesículas secretoras, que
(...)
Bioquímica. Apuntes. Universidad de Sevilla. Medicina.
ánicos. En vertebrados constituyen la mayoría del peso seco de: cabello, lana, uñas,
garras, cañones de las plumas, pezuñas, cuernos, picos etc...).
Pertenecen a la gran familia de Proteínas de Filamento Intermedio (FI)
• son proteínas intracelulares
• Son ricas en ricas en: Ala, Val, Leu, Ile, Met y Phe.
• la hélice de la α-queratina es una hélice α dextrógira.
• F. Crick y L. Pauling, sugirieron que dos hebras de α-queratina orientadas en paralelo,
se enrollan una sobre la otra, en sentido levógiro, formando una superhélice, lo que la
hace más resistente (cuerdas de una soga) y se mantienen unidas por puentes disulfuro
entre restos de Cys. Cuanto más duro sea el tejido > nº de restos de Cys (cuerno de
rinoceronte 18% de los restos son Cys
• Las superficies donde las dos hebras entran en contacto está formada por residuos
hidrofóbicos, con un patrón de entrecruzamiento regular, lo que permite un
empaquetamiento muy compacto de las cadenas polipeptídicas.
La ondulación que se produce, en realidad, no es permanente ya que al crecer el cabello
en el cabello nuevo se vuelve a presentar el patrón natural de enlaces disulfuro no
ondulado.
β- QUERATINAS
Pauling y Corey postularon su modelo de hoja β plegada tras analizar los datos de
difracción de rayos X de la fibroína de la seda, proteína formada capas de hojas-β
antiparalelas, ricas en Gly (50%) Ala (30%) y Ser, que entrelazan sus cadenas laterales
de forma alternante, lo que permite un empaquetamiento muy compacto de sus fibras y
una gran flexibilidad ya que son mantenidos exclusivamente por numerosas
interacciones débiles (puentes de H2 e interacciones de van der Waals). No tienen Cys.
• Suelen ser extracelulares (a diferencia de las α-queratinas)
• Son fuertes, flexibles y poco o nada extensibles, ya que la conformación β ya está
altamente extendida.
• Suelen tener secuencias repetidas alternantes (Ser-Gly-Ala-Gly)n lo que coloca en un
lado de la hoja las cadenas laterales de la Gly y en el otro las de Ser y Ala.
Tema 8. Estructura terciaria de las proteínas. Mioglobina. Estructura del grupo
hemo. Cinética de saturación por oxígeno de la mioglobina. Chaperonas.
Estructura terciaria de las proteínas
Define el plegamiento total espacial de la cadena peptídica, no solo
fragmentos, e incluye el conjunto de interacciones, covalentes o de otro tipo (uniones
salinas, enlaces de Hidrógeno, puentes disulfuro, catión-π, fuerzas de Van der Waals e
interacciones hidrofóbicas, iónicas o electrostáticas, etc.), que gobiernan dicho
plegamiento y que, actuando conjuntamente, proporcionan gran estabilidad a la
proteína. 43
La menor energía de estas interacciones las hacen importantes ya que
pueden romperse y volverse a formar durante las interacciones moleculares, las
cuales dependen de un rápido recambio de parejas moleculares que podría no producirse
si las interacciones fuesen más fuertes. El número de combinaciones entre grupos y
cadenas laterales de aminoácidos es casi infinito.
En muchas proteínas, sobre todo las globulares, la estructura terciaria presenta
zonas de plegamiento compacto con una entidad topológica propia, que pueden repetirse
en varias proteínas de la misma familia y se llaman dominios. Estos corresponden a un
nivel de organización intermedio entre la estructura secundaria y la terciaria, puesto que
agrupan distintos fragmentos con estructura secundaria determinada, pero no definen la
estructura completa de la cadena. Un ejemplo sería la estructura de la inmunoglobulinas
(en sus cadenas existen unos dominios que se denominan constantes, que son comunes a
todas, y otros variables, que son específicos de cada una y la base estructural de que
reconozcan diferentes antígenos.
La estructura terciaria también engloba y describe las interacciones con los
posibles grupos prostéticos que puedan estar presentes en las proteínas conjugadas y
los dominios y fragmentos peptídicos.
En las proteínas fibrosas, las cadenas suelen tener la misma estructura terciaria
en toda o casi toda su extensión, por lo que la suele coincidir prácticamente en un 100%
con su estructura secundaria (Ej.: las queratinas).
Enlaces que mantienen la estructura terciaria
• Enlace covalente: Consiste en una compartición de electrones, siendo siempre un
enlace fuerte, que da lugar a una estabilidad de la proteica cadena proteica. El más
importante es el enlace disulfuro, que se forma entre residuos de Cysteína.
• Enlace iónico: Es un puente salino. Se debe a dos grupos polares de las cadenas
de aminoácidos, que según el pH poseerán carga eléctrica positiva o negativa. Estos
enlaces no son demasiado numerosos ya que, al estar los aá en disolución, tendrán
sus propios grupos polares saturados por los dipolos moleculares del agua.
• Enlaces por puentes de hidrógeno: Se forman entre el C=O del grupo
carboxílico y el grupo de la cadena que tenga H activo. Son muy numerosos y son de
capital importancia en la estabilización de la molécula, dada su cuantía.
• Enlaces por fuerzas de Van der Waals: Se forman entre las cadenas laterales
que poseen radicales. Aunque los restos hidrocarbonados son polares, tienen
interacciones débiles por este tipo de fuerzas. Estas interacciones son debidas a
irregularidades en la distribución de los electrones alrededor del núcleo, dando lugar
a dipolos instantáneos que implican atracciones y repulsiones de tipo electrostáticos.
• Catión-π: Ocurre entre la nube electrónica (negativa) de una cadena lateral
aromática y la carga positiva de un aminoácido catiónico, siendo mayoritariamente
una fuerza atractiva, aunque a muy corta distancia puede ser repulsiva.
• Enlaces hidrofóbicos: Son interacciones entre las cadenas laterales no polares de
aminoácidos como ala, val, etc., dentro de envolturas de agua. Estas interacciones
pueden tener lugar entre cadenas laterales de varias moléculas o se pueden presentar
entre las cadenas de una misma molécula; ocurren ante la incapacidad de las cadenas
laterales no polares de interaccionar con el agua, ya sea iónicamente o a través de
(...)
tabilidad del enlace peptídico o la acción de proteasas, en un proceso distinto de la
desnaturalización que se denomina degradación o digestión parcial o total, según
los productos sean fragmentos peptídicos o aminoácidos libres.
- Si la desnaturalización permite que la proteína vuelva a adoptar su forma
nativa se denomina desnaturalización reversible.
- Si la desnaturalización no le permite a la proteína adoptar su forma
nativa, se denomina desnaturalización irreversible o renaturalización.
Los mecanismos que dirigen a una cadena polipeptídica a adoptar su
conformación nativa es un proceso complejo, y se rige por principios fisicoquímicos,
como la tendencia de la cadena a alcanzar estados de mínima energía.
Uno de los factores más importantes es la naturaleza hidrofóbica / hidrofílica de
las cadenas laterales de los aminoácidos, que hace que las regiones ricas en aminoácidos
polares o hidrofílicos tiendan a quedar en contacto con el medio acuoso, mientras que
los no polares o hidrofóbicos tiendan a protegerse del agua, buscando su oclusión en el
interior del glóbulo proteico y su interacción mutua.
En la cadena existen posiciones críticas que actúan de centros de nucleación y
guían el plegamiento de la cadena. Pero estos centros de nucleación no son evidentes
cuando la proteína está desplegada después de la desnaturalización. Por ello, la
renaturalización es un proceso muy poco frecuente.
El plegamiento no es espontáneo, y cuando la proteína está sintentizando en la
célula existen una seria de proteínas llamadas chaperonas que dirigen el plegamiento
correcto de la cadena. Así se explica la irreversibilidad de la mayoría de las
desnaturalizaciones.
Anfinsen demostró a finales de los años 60 que al desplegar la enzima
ribonucleasa A con urea y mercaptoetanol aumentaba su volumen aparente y
desaparecían sus propiedades catalíticas. Al dializar la proteína volvía a plegarse, con lo
que el plegamiento de las proteínas no está inducido por la célula, siendo la
ribonucleasa un ejemplo de desnaturalización reversible.
Renaturalización de las proteínas
Paradoja de Levinthal, Cyrus Levinthal en 1968, realizó un cálculo aproximado,
imaginó una proteína de 100 residuos en la que cada p q aminoácido fuese capaz de
adoptar tres conformaciones distintas. El nº total de conformaciones seria de 3100
(5·1047). Si consideramos que el tiempo que necesita una conformación para
transformarse en otra es de 10‐13 s, el tiempo total de búsqueda de la estructura de
menor energía seria de 5·1047 x 10-13 o sea de 5·1034 s (1.6 · 1027 años)*. No
obstante, proteínas de estas características se pliegan in vivo en menos de un minuto, es
decir, concluyó que “el plegamiento de las proteínas no se realiza por la búsqueda al
azar de la estructura nativa”.
En la actualidad, datos experimentales sugieren que la ruta de plegamiento en la
mayoría de las proteínas no es única. Teniendo en cuenta estos datos, se ha propuesto
una solución alternativa a la paradoja de Levinthal. Se supone que la superficie de
energía de la proteína se asemeja a un embudo y que la proteína se pliega por rutas
diferentes dependiendo de la conformación en la que se encuentre
(...)
Fracción de albúminas
· Pre-albúmina o RBP (retinol binding protein): La PAB es una glicoproteína sintetizada
en el hígado, en razón de su baja concentración en el suero, más de 100 veces menor
que la albúmina, ejerce poca influencia sobre el patrón normal de electroforesis. Tiene
una vida media corta de aproximadamente de 2 días lo que la hace un indicador sensible
de algunos cambios que afectan sus síntesis y catabolismo, es decir, es un marcador de
desnutrición proteico – calórica (DPC), de enfermedad hepática e inflamación aguda.
Se le atribuye la transportación de aproximadamente 1/3 de la hormona tiroidea activa y
retinol, siendo esta la forma precursora de la vitamina A. El rango de normalidad de la
Pre-albúmina es de 17 a 42 mg/dl.
Además la pre-albúmina se transforma en albúmina al desprenderse de ciertos restos
aminoacídicos.
· Albúminas séricas: es una proteína sintetizada en el hígado, permanece en circulación
unos diecinueve días, hasta que es metabolizada en los tejidos para los que es fuente de
aminoácidos. Se encuentra en mayor concentración en el plasma sanguíneo
constituyendo el 53 - 66% del total de las proteínas plasmáticas. Sus funciones más
importantes guardan relación con su tamaño, que la mantiene dentro del torrente
circulatorio, contribuyendo a transportar moléculas de pequeño tamaño (ácidos grasos,
aminoácidos, enzimas, hormonas tiroideas, drogas, etc.). Es la más homogénea, soluble,
estable y de mayor movilidad electroforética, pues es el componente más
electronegativo de todas las proteínas plasmáticas. También es de vital importancia para
el mantenimiento de la presión oncótica de la sangre (la presencia de un valor normal de
albúmina en sangre impide el pasaje de agua desde la sangre a los tejidos), de este modo
mantiene el equilibrio de líquidos entre compartimentos intravasculares y
extravasculares del organismo.
Las moléculas de albúmina ofrecen una superficie total importante para la absorción de
tóxicos lo que les otorga la capacidad de unirse a muchos iones (cobre, zinc y cadmio 60
por ejemplo), y otros compuestos para que estos puedan ser transportados. También
transportan dinitro- y ortocresoles, los derivados nitro- y halogenados de hidrocarburos
aromáticos y los fenoles, por lo que las albúminas contribuyen al proceso de
detoxificación del organismo fijando estas sustancias toxicas para su eliminación de los
tejidos.
- El aumento de la concentración de albúmina tiene lugar en caso de
deshidratación
- La disminución de la misma ocurre por enfermedades renales, hepáticas,
infecciones crónicas, neoplasia (proliferación anómala de células), hemorragias,
inanición, desnutrición.
· Fracción alfa globulinas
La Fracción alfa-1 globulina aumenta durante los procesos de inflamatorios
agudos, neoplasia, infartos y necrosis:
· Alfa-1 glicoproteína ácida: Esta presente en secreciones mucosas y en diferentes
tejidos, también conocida por ello como orosomucoide, es un reactante de fase aguda
sintetizado en el hígado como respuesta a la inflamación y daño del tejido.
· Alfa-1 lipoproteína: De alta densidad constituidas aproximadamente por un 50% de
proteínas y el otro 50% por lípidos: fosfolípidos y colesterol por eso se encarga de
transporta colesterol y vitaminas liposolubles. Aumenta en la hiperlipidemias y
disminuye en enfermedades hepáticas.
· Alfa-1 antitripsina: Glucoproteína sintetizada en el hígado que constituye el 80% de la
α1- globulina sérica, y junto a otras antiproteasas del suero es importante para la
inactivación de proteasa tripsina ,liberadas por los leucocitos en el pulmón, el páncreas
u otros órganos, y proteasas plasmina (enzimas lisosomales). Aumenta en reacciones
inflamatorias, pues es una proteína de fase aguda, y disminuye en enfermedades
(...)
Los enzimas aunque se conoce la existencia de RNAs con acción enzimática
(ribozimas), son generalmente proteínas globulares solubles en agua y de alto Pm, que
actúan como catalizadores en las reacciones químicas que se producen en los
organismos es decir, biocatalizadores.
• Actúan con gran eficiencia, acelerando las reacciones químicas (108 a 109
veces).
• Funcionan en cantidades extremadamente pequeñas.
• No sufren modificaciones químicas irreversibles durante la catálisis
• Pueden ser altamente específicas (pueden reconocer entre isómeros D y L)
• Al ser en su mayoría proteínas, cambios en su conformación estructural y/o
espacial suelen ir asociados a cambios en su actividad catalítica.
• Son termolábiles y su actividad depende, en ciertos casos, del pH del medio.
• Están sujetas a una gran variedad de controles celulares, genéticos y
alostéricos.
• Algunas necesitan, para su actividad, un cofactor o coenzima, los cuales
suelen ser iones metálicos o bien vitaminas o derivados de las mismas
respectivamente. Entonces se les llaman holoenzimas y a la parte proteica
(inactiva) se le llama apoenzima.
Características de las reacciones enzimáticas
La unión del sustrato se hace a una región concreta de la enzima, llamada centro
activo. Este comprende:
a) un sitio de unión formado por los aminoácidos que están en contacto directo con el
sustrato y
b) un sitio catalítico, formado por los aminoácidos directamente implicados en el
mecanismo de la reacción. Una vez formado el o los productos, el enzima sale indemne
y puede comenzar un nuevo ciclo catalítico.
La especificidad enzimática
Los enzimas, a diferencia de los catalizadores inorgánicos, catalizan reacciones
específicas. Sin embargo, hay distintos grados de especificidad. Las enzimas pueden
tener:
a) Especificidad absoluta: Hay enzimas que actúan exclusivamente sobre un
sustrato siendo incapaz de actuar sobre otro, aunque están estrechamente
relacionados. Un enzima actúa con máxima eficacia sobre su sustrato natural.
b) Especificidad relativa: hay enzimas que pueden actuar sobre un grupo de
sustratos análogos estructurales o sobre determinados tipos de enlace. En estos
casos actúan con menor eficacia sobre los sustratos análogos.
Los enzimas: catalizadores biológicos
Un catalizador es la sustancia que acelera la velocidad de una reacción
disminuyendo la energía de activación, sin modificar las condiciones del equilibrio y, al 74
final de ella, se recupera sin modificarse. En los seres vivos estos catalizadores son
sustancias de carácter proteico que denominamos enzimas.
Para que una reacción química tenga lugar, las moléculas de los reactantes deben chocar
con una energía y una orientación adecuadas. La actuación de la enzima:
1. Permite que los reactantes (sustratos) se unan a su centro activo con una orientación
óptima para que la reacción se produzca.
2. Modifica las propiedades químicas del sustrato unido a su centro activo, debilitando
los enlaces existentes y facilitando la formación de otros nuevos, los productos.
El producto tendrá menor energía interna. Esta diferencia de energía se
denomina Energía libre de Gibbs (∆Gº‘) y para que la transformación tenga lugar, el
sustrato (S) debe activarse o tener suficiente energía interna para pasar a un estado de
transición (S*) de alta energía. La energía necesaria para que se active el sustrato se
denomina Energía de activación.
Velocidad de las reacciones enzimáticas
La velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de
sustrato activado: v = k [S*].
Cuanto mayor sea el salto energético (energía de activación o EA) que necesite
el S para que alcance el estado transitorio S*, que será el que se transforme en P, más
lenta es la reacción. Cuanto más bajo sea el salto energético, más rápida será la
reacción.
En las reacciones catalizadas por enzimas, estos se unen al sustrato, formando un
complejo enzima-sustrato (ES). Esta unión tiene la ventaja de estabilizar al sustrato en
el estado transitorio, con un nivel energético más bajo que si no estuviera catalizada,
necesitando menor energía de activación, lo que le permite transformarse en producto
mucho antes. La enzima crea un microentorno en donde la configuración del sustrato
activado (S*) es menos desfavorable energéticamente.
Un enzima no tiene por qué actuar siempre a igual velocidad. Su actividad puede estar
modulada por el pH, temperatura, presencia de cofactores o coenzimas.
Unidades de actividad enzimática
• Actividad de un enzima: moles de sustrato transformados por unidad de tiempo. Se
expresa en µmoles/min o unidades de actividad enzimática (U). Por lo tanto, la cantidad
de una enzima se expresa usando unidades de Velocidad.
• Katal (kat): 1 katal = 60·106 U, es la unidad del Sistema Internacional de Unidades
para actividad catalítica. Esta unidad es muy grande, de forma que suele utilizarse
submúltiplos, como el µkat (10-6 kat) o el ηkatal (10-9 kat).
• Actividad específica de un enzima: es la actividad enzimática por mg de proteínas
totales del tejido µmoles/min/mg proteína o lo que es lo mismo UI/mg prot.
• Concentración de un enzima: cantidad de enzima por unidad de volumen, o en su
defecto la actividad enzimática por unidad de volumen UI/ml. Muy útil en el caso de
enzimas séricas: UI/ml de suero.
Modelos de acción enzimática
(...)
Cinética de los enzimas no michelianos
Hay enzimas que no obedecen la ecuación de Michaelis-Menten. Se dice que su
cinética no es Michaeliana.
Esto ocurre con los enzimas alostéricos (aquellos que además de los centros
activos tienen otros), cuya gráfica V frente a [S] no es una hipérbola, sino una
sigmoides.
En la cinética sigmoidea, pequeñas variaciones en la [S] en una zona crítica
(cercana a la KM) se traduce en grandes variaciones en la velocidad de reacción.
Es decir, pequeñas variaciones de la concentración del sustrato no son
proporcionales a la velocidad; si no lo son cuando superan un cierto límite.
Apuntes de bioquímica en la Universidad de Sevilla. Facultad de Medicina.
Modificación covalente: fosforilación
La fosforilación se emplea como un mecanismo de regulación en prácticamente
todos los procesos de las células eucariotas. Los enzimas que intervienen en esta
reacción son las proteínas quinasas que catalizan la unión de grupos fosforilo a residuos
aminoácidos específicos de una proteína.
En una proteína, los oxígenos de un grupo fosforilo pueden formar enlaces de
hidrógeno con uno o varios grupos, generalmente los grupos amida de la cadena
peptídica al inicio de una hélice alfa o con los grupos guanidinio cargados de la cadena
lateral de la Arg. La doble cargada negativa de la cadena lateral
(...)
Tema 19. Organización del genoma.
Estructura génica en procariotas y eucariotas. Empaquetamiento del ADN en los
cromosomas procariotas y eucariotas. Estructura y dinámica del nucleosoma.
La región codificadora del ADN es discontinua, estando interrumpida por
segmentos de ADN no codificador, viéndose diferencias entre los genes procariotas y
eucariotas.
Los genes de los eucariotas, están formados por moléculas codificadoras, los
exones, separadas de las no codificantes, que se llaman intrones. Los exones no se
eliminan en los procesos de maduración del ARNm, permaneciendo en el mismo. Los
exones extremos (primero y último) existen regiones no codificables que corresponden
con las denominadas regiones terminales no traducidas (UTR).
Los genes de los mamíferos son fragmentados, siendo el nº de intrones por gen y
su longitud muy variable. En algunos genes humanos, el nº de intrones por gen es muy
bajo (2 genes de globinas o 4 en la eritropoyetina), mientras en otros tienen un nº muy
alto (25 en el gen factor VIII, o más de 40 en la de la tiroglobulina).
También el tamaño de los intrones y exones es variable. En general la cantidad
de ADN de los intrones de un gen es mayor que la de los exones.
El gen comprende toda la región transcrita (unidad de transcripción), incluyendo
regiones codificadoras contenidas en los exones, todos los intrones y las regiones
flanqueantes 5´ y 3´ de la región codificadora del primer y último exón respectivamente.
El genoma es la suma total del material genético presente en un organismo
particular, incluye ADN presente en los cromosomas y en las orgánulos subcelulares
(ej: mitocondrias, cloroplastos) y el genoma del ARN de algunos virus. Un gen es una
secuencia de ADN genómico o de ARN que es esencial para especificar una
determinada función.
El código genético es universal. Los virus con ARN actúan como ADN
procariótico o eucariótico (capacidad de replicación), producir ADN a partir de ARN.
(...)
Genoma bacteriano
Las bacterias no tienen membrana nuclear. Por ello, las bacterias tienen dos tipos
de genoma en el citoplasma:
1. Una estructura muy densa denominada nucleoide, organizada en un único
cromosoma circular y de doble hebra (organismos haploides)
2. Más otros elementos extracromosómicos plásmidos, transposones,
cloroplastos. Pequeñas molécula de ADN dúplex circular.
El genoma bacteriano está empaquetado porque es más
grande que el compartimiento que lo contiene. Por ej.: El
ADN de E. Coli tiene una única molécula de ADN circular
con 4 Mb (megabases) y una longitud de 1.4 nm (700 veces
superior a la bacteria), por lo que debe empaquetarlo en
cromosomas.
Excepcionalmente algunas especies tienen dos
cromosomas y otras especies tienen un cromosoma lineal.
Los genomas bacterianos contienen de media unos 4.000
genes. Con un tamaño medio de 1 Kb (kilobase = 1.000 pb).
Presentan replicación semiconservativa. En algunas bacterias
se han encontrado proteínas con características muy
semejantes a las histonas de los organismos eucariotas. Por
esta causa se piensa que estas proteínas podrían unirse al
ADN y formar una especie de cromatina primitiva.
(...)
Gen
Unidad básica de la herencia, y porta la información genética necesaria para la
síntesis de una proteína (genes codificantes) o de un ARN no codificante (genes de
ARN). Está formado por:
• una secuencia promotora, que regula su expresión.
• una secuencia que se transcribe, compuesta a su vez por:
- secuencias UTR (regiones flanqueantes no traducidas) necesarias para la
traducción y la estabilidad del ARNm,
- exones (codificantes)
- intrones, que son secuencias de ADN no traducidas, situadas entre dos exones,
que serán eliminadas en el procesamiento y maduración del ARNm.
La densidad media de genes es de 1 gen cada 100 kb, con un tamaño medio de
20‐30 kb, y un número de exones promedio de 7‐8 por cada gen, con un tamaño
medio de 150 nucleótidos.
Se estima que el genoma humano contiene entre 20.000‐25.000 genes
codificantes de proteínas, estimación muy inferior a las predicciones iniciales que
hablaban de unos 100.000 genes o más (paradoja del valor C).
Sin embargo, las células humanas recurren ampliamente al splicing alternativo,
mecanismo por el que se puede producir varias proteínas distintas a partir de un mismo
gen: nº proteínas > nº genes.
(...)
Primasa.
La síntesis de los fragmentos de Okazaki en la hebra rezagada pone en juego
compleja reacciones enzimaticas. La helicasa DnaB y la primasa DnaG constituyen una
unidad fundamental dentro del complejo de replicación denominado primosoma.
Replicación simultánea de las dos hebras del dúplex
• Hebra guía o conductora
• Hebra retardada
Fragmento de Okazaki. Maduración
Las cadenas de ADN siempre son sintetizadas en la dirección 5´ 3´, siendo el
3´-OH libre el punto de elongación del ADN. Debido a que las dos cadenas de ADN son
antiparalelas, la cadena que sirve de molde es leída del extremo 3´ al 5´.
Si las dos fuesen sintetizadas continuamente a medida que se desplaza la
horquilla de replicación, una tendría que ser sintetizada en dirección 3´ 5´. Okazaki
descubrió que una de las cadenas nuevas del ADN se sintetiza en forma de trozos
cortos, denominados fragmentos de Okazaki. Este trabajo condujo finalmente a la
conclusión de que una de las cadenas nuevas de ADN es sintetizada de modo continuo y
la otra de modo discontinuo. La cadena conductora (continua) es aquella cuya síntesis
en dirección 5´ 3´ transcurre en la misma dirección que el movimiento de la horquilla
de replicación. La cadena discontinua, es aquella cuya síntesis en dirección 5´ 3’
transcurre en dirección opuesta a la dirección del movimiento de la horquilla.
Síntesis de fragmentos de Okazaki:
Se produce a intervalos, la primasa sintetiza un cebador de ARN para un nuevo
fragmento de Okazaki: Obsérvese que, si suponemos que las dos hebras molde están
dispuestas paralelamente, la síntesis de la hebra rezagada transcurre en dirección
opuesta al movimiento de la horquilla.
Cada cebador es extendido por la ADN polimerasa III.
La síntesis de ADN continúa hasta que el fragmento se extiende hasta el cebador
del fragmento de Okazaki añadido previamente. Un nuevo cebador es sintetizado cerca
de la horquilla de replicación para empezar de nuevo el proceso.
(...)
1.-Procesamiento de ARN en eucariotas.
A las moléculas de RNA recién sintetizadas se les denominan Transcritos
primarios. Sin embargo, las secuencias que codifican a los polipéptidos, normalmente
no están contiguas (sobre todo en eucariotas), suelen tener que modificar químicamente
algunas de sus bases, añadirles ciertos nucleótidos a sus extremos o eliminar los
fragmentos intercalados no codificantes llamados intrones, a diferencia de los
codificantes o exones. Por ello, generalmente hay que procesarlas, esto es a lo que se
denomina maduración del RNA.
Prácticamente todo el RNA se procesa para su maduración:
• Los rRNA se transcriben juntos y por corte se generan fragmentos menores que
darán lugar, cada uno a tipo de rRNA distinto.
• Los tRNA se procesan mediante modificaciones de sus bases.
• Los mRNA sufre distintos tipos de modificaciones.
o Se le añade la caperuza o casquetes 5’.
o Se les añaden colas poliA.
o Se cortan y empalman los exones (splicing).
o Edición del RNA.
1.1.- Procesamiento de ARNt en eucariotas
La mayoría de las células tienen entre 40-50 ARNt diferentes y en células
eucariotas hay múltiples copias de muchos genes de ARNt.
Los ARN de transferencia proceden de ARN precursores más largos por
eliminación enzimática de nucleótidos de los extremos 5´ y 3´.
La endonucleasa Rnasa P, presente en todos los organismos, elimina ARN del
extremo 5´ de los ARNt. El extremo 3´ de los tRNA es procesado por una o más
nucleasas (Rnasa D).
La etapa final de la maduración del ARNt consiste en la modificación de algunas
bases por metilación, desaminación o reducción.
Es el único ARN que experimenta el corte y empalme por enzimas proteicas.
1.2.- Procesamiento de ARNr en eucariotas.
Los ARN ribosómicos, tanto en eucariotas como en procariotas, se forman a
partir de precursores más largos denominados RNA prerribosómicos o pre-rRNA.
En eucariotas un transcrito de pre-rRNA 45 S se modifica en el nucleolo para
dar la rRNA 18 S, 28 S y 5'8 S, característico de los ribosomas eucarióticos.
El rRNA 5 S de la mayoría de los eucariotas es sintetizado como un transcrito
independiente por la pol II.
(...)
según la reaccion:
Fue la primera enzima sintetizadora de ácido nucléico descubierta. Esta enzima
difiere de otras actividades polimerasas en que no está dirigida por un molde. El enzima
requiere los 5’-NDP, no pudiendo actuar sobre los 5’-NTP homólogos, ni sobre los 5’-
dNDP. La reacción es reversible y contiene enlaces 3’-5’ fosfodiester que pueden ser
hidrolizados por las ribonucleasas.
La función de esta enzima en la célula parece ser la degradación de los mRNA
para formar ribonucleósidos trifosfato Puede utilizar uno o los cuatro NDP y no necesita
molde, por lo que es una herramienta de gran ayuda en el laboratorio para preparar Tema 1
141
polímeros de RNA con diferentes secuencias y frecuencias de bases. Con ella se dedujo
la secuencia del código genético S. Ochoa y su discípulo A. Kromberg (descubridor de
la DNA polimerasa) compartieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1959
por sus respectivos hallazgos.
b) Transcriptasa Inversa.
Ciertos virus de tejidos animales contienen dentro de la partícula vírica una
DNA polimerasa dirigida por RNA por lo que se le ha denominado transcriptasa
inversa. El RNA monohebra vírico ( 10.000 nc de longitud) y la enzima entra en la
célula huésped donde tiene tres actividades catalíticas:
1) Sintetiza una cadena de DNA complementaria al RNA vírico.
2) Degrada la cadena de RNA en el híbrido RNA-DNA formado.
3) Reemplaza el RNA degradado por otra cadena de DNA.
El DNA duplex así formado a menudo queda incorporado al genoma de la célula
huésped eucariota. En ciertas condiciones estos genes víricos silenciosos se activan
generando nuevos virus (infección retrovírica) a estos virus se les conoce como
retrovirus y son los responsables del SIDA y de los oncogenes que generan ciertos tipos
de cáncer.
Tiene 2 subunidades (α y β) y contienen Zn2+ necesitan cebador (tRNA vírico) y no
apuntes de bioquímica de la facultad de medicina de la Universidad de Sevilla
a) Características del Código Genético.
− Está organizado en tripletes o codones: cada aminoácido está
determinado por 3 nucleótidos (codón). Teniendo en cuenta que existen 4
ribonucleótidos diferentes, U, C, G y A, hay 43
= 64 tripletes distintos (Si
4
2
= 16 y hay 20 aá no sería posible codificar los 20 aá). Los codones
están escritos en dirección 5' -> 3'.
− El Código Genético es degenerado: debido a que existen 64 tripletes
distintos y hay solo 20 aá diferentes, un mismo aá puede estar
determinado por más de un triplete o codón.
− El Código Genético no es ambiguo: un triplete de nucleótidos siempre
codifica para el mismo aá.
− Es un código sin superposición o sin solapamientos: dos aá sucesivos no
comparten nucleótidos de sus tripletes.
− La lectura del mRNa es continua, sin interrupciones: cualquier pérdida o
ganancia de un solo ribonucleótido produce, a partir de ese punto, una
modificación de la pauta de lectura, cambiando todos los aá desde el
lugar de la alteración.
− Varios codones tienen funciones especiales: el triplete de iniciación suele
ser AUG que codifica para formil-Met: tambien pueden actuar como
tripletes de iniciación GUG (Val) y UGG (Leu), aunque con menor
eficacia. También hay 3 tripletes sin sentido o de terminación: UAA, UGA
y UAG.
− El primer codón de la secuencia establece el marco o pauta de lectura:
para una secuencia determinada pueden existir 3 marcos de lectura.
ORF = marco de lectura abierto (genes).
− El Código genético nuclear es universal: coincidiendo en todos los
organismos estudiados hasta la fecha. La única excepción a la
universalidad del Código Genético es el Código Genético mitocondrial.
b) Excepciones a la universalidad del Código Genético.
En 1981 se describió que el Código Genético de ciertas mitocondrias (en
ellas existe la maquinaria para sintetizar entre 10 y 20 proteínas mitocondriales,
el resto proviene de información del núcleo), es una variante de código
genético estándar.
Por ejemplo en las mitocondrias de mamíferos, AUA (Ile en el código
estándar) es el codón de iniciación fMet; UGA especifica Trp (en lugar de ser
un codón de terminación); AGA y AGG son señales de terminación (Arg en el
código estándar). De esta manera, las mitocondrias simplifican el código
estándar incrementndo la degeneración.
c) Codones sinónimos.
Los distintos codones que codifican para un mismo aá se denominan
codones sinónimos. Los codones sinónimos tienden a coincidir en uno o dos de
los nucleótidos iniciales, aunque no siempre. Por ejemplo, cuatro de los
codones que codifican para la Ser empiezan por UC.
Muchos sinonimos ocupan el mismo bloque en la tabla de codones, difieren
solamente en su tercer nucleótido.
Las únicas expecciones son Arg, Leu y Ser, que tienen 6 codones cada uno. Tema 1
150
Cambios en la primera posición del codón tienden a especificar aá similares,
muchas veces el mismo.
Codones en los cuales la segunda posición es una pirimidina codifican
principalmente para aá hidrofóbicos. Aquellos cuya segunda posición es una
purina codifican principalmente para aá con cadenas laterales polares cargadas
o no cargadas.
Esto hace que ciertas mutaciones puntuales, las que afectan a nucleótidos
no coincidentes de codones sinónimos, carezcan de consecuencias.
d) Hipótesis del balanceo.
El tRNA reconoce codones mediante el apareamiento de bases del codón
del mRNA y una secuencia de 3 bases del tRNA denominada anticodón.
− El mRna y los tRNA se aparean antiparalelamente. La 1ª base del codón
de encuentra en el extremo 5' (el mRNA va en dirección 5' -> 3') y la 1ª
del tRNA se encuentra en el extremo 3', ya que va en dirección 3' -> 5'.
− El número de tRNAs para cada aá no es el mismo que el número de sus
codones. Además algunos de los tRNA tiene inosinato (I), que contiene la
base poco frecuente hipoxantina. Esta puede aparearse con U, C y A,
aunque son más débiles que los habituales. Las 3ªs
bases de los
codones forman puentes de H bastante débiles con el residuo I del
anticodón.
Crick observó que la tercera base de casi todos los codones del mRNA se
aparea de manera bastante suelta con su correspondiente, es decir, la tercera
base se balancea.
− Las dos primeras bases de un codón, en el mRNA, siempre forman pares
de bases de Watson y Crick con las bases del anticodón del tRNA.
− Dos codones que difieran en alguna de sus dos primeras bases deben de
ser reconocidos por tRNA diferentes.
− La 1ª base del anticodón (5' ->3') determina que un tRNA pueda leer uno,
dos o tres codones.
− Las modificaciones de las bases, tanto en el anticodón como en la
vecindad, influencian la capacidad de apareamiento codón-anticodón.
− La 3ª base es la del balanceo y permite la rápida disociación del tRNA de
su codón durante la síntesis.
− Permite variaciones en la secuencia de DNA sin cambios de la secuencia
de aá.
Parte de la degeneración del Código Genético se debe a la emprecisión del
apareamiento (balanceo) entre la primera base del codón y la tercera del
anticodón. Este hecho explica la ventaja evolutiva que representa la presencia
de un gran número de nucleótidos modificados en el tRNA, como es el caso de
la inosina.
Tema 24. Regulación de la expresión génica en procariotas. El operón de la lactosa.
El operón del triptófano. Mecanismos de atenuación.
1. Introducción. Genotipo y fenotipo. Adaptación al medio
(...)
8. Formación del complejo represor.
Histonas Desacetilasa: quitan grupos acetilos que suelen estar unidos a las Lys de
las histonas. (Lys son aminoácidos básicos, presentan un grupo amino extra.) Cuando
las histonas están acetiladas pierden esa carga positiva.
HDAC
↓
H – Lys – NH – CO – CH3
Las histonas desacetilasa rompen este enlace, dejando las histonas cargadas
positivamente.
H – Lys –NH3+ CH3 – COOAl
cargarse positivamente las histonas, el ADN estará más compactado, debido a
la acción de fuerzas electroestáticas. La cromatina tendrá un estado más compactado
(heterocromatina), lo que implica que la transcripción sea menor. Esto puede afectar a
una porción importante de ADN lo que permite silenciar un conjunto de genes.
8.1. Metilación del ADN.
La metilación de c implica la represión total del gen. Tema 1
160
Epigenética: cambios heredables en la conformación de los genes sin que cambie
su secuencia de bases. La metilación de lo genes puede ser heredables.
Existe otro tipo de modificación pretranscripcional que también es heredable en lo
que se implica las histonas (aunque realmente la metilación también influye sobre ellas.)
Se trata de modificación en las histonas. Se denomina el código de las histonas. Se trata
de modificaciones postraduccionales de las histonas que afectan al estado de la
cromatina y por tanto en la expresión de los genes. Entre estas modificaciones tenemos:
‐ Acetilación de las histonas.
‐ Metilación de las histonas: según el caso puede provocar activación o bien
represión de la transcripción.
‐ Ubiquitinización: unión de una ubiquitina (proteína).
‐ Proteína simo.
‐ Fosforilación.
Existe una enzima, histonas acetiltransferasas, que llevan a cabo la acetilación de
las histonas. Las histonas que más se modifican son las H3 y H4.
HAT
H – Lys – NH3+ ↔ H - Lys – NH – CO – CH3 + H2O
HDAC
Al ser acetiladas, las Lys de las histonas pierden su carga positiva lo que implica
una disminución en la compactación de la cromatina.
Existen también complejos enzimáticos que intervienen en la regulación
pretranscripcional. Son los complejos de remodelación de la cromatina dependientes de
ATP.
Tema 26. Lesiones y reparación del ADN. Agentes mutagénicos. Tipos de mutaciones.
1. Agentes mutagénicos y alteraciones más frecuentes del ADN.
ALTERACIONES MÁS FRECUENTES DEL ADN
1) Despurinizaciones: pérdida del enlace N-glucosídico que une la base con la
pentosa. Se rompe con mucha facilidad, de forma natural ocurre generalmente en las
purinas. Quedan nucleótidos abásicos que han perdido la base nitrogenada.
2) Desaminaciones: en las bases nitrogenadas, los grupos aminos son bastante
inestables, se hidrolizan con facilidad. Excepto T y U todas tienen grupos amino. La
C se convierte en U. La G en xantina que es una base que no está presente de forma
natural en el ADN.
3) Dímeros de pirimidina: alteran la estructura del ADN. Son anillos planos que
producen con cierta frecuencia enlaces covalentes entre ellos, con frecuencia son
dímeros de Timina. Se favorece mucho por la luz UV.
4) Alquilación: unión de grupos alquilo, el más frecuente es el metilo aunque también
etilo o propilo.
AGENTES MUTAGÉNICOS
Todas estas mutaciones están fomentadas por agentes mutagénicos, que son de tres
tipos:Tema 1
161
· Químicos: son los que más mutaciones producen, ya que son a los que más estamos
expuestos. Con el “test de AMOS” determinamos la cantidad de mutaciones que se
producen en el ADN por ese agente químico.
· Físicos: los más importantes son las radiaciones ionizantes (es por ello que en el
diagnóstico actualmente se utiliza el TAC) y las radiaciones UV, procedentes del sol,
por lo que la exposición al mismo no debe ser muy prolongada.
(...)
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