Texto de Bioquímica 2008 para PDF

Bioquímica

Araceli Aguilera Barreyro y José Guadalupe Gómez Soto

2008

Universidad Autónoma de Querétaro

Facultad de Ciencias Naturales

Licenciatura en Medicina Veterinaria

y Zootecnia

Bioquímica LMVZ-FCN-UAQ

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CONTENIDO Página

1. La célula y su composición 4

1.1 Elementos que forman la materia orgánica 4

1.2 Enlaces (covalentes, iónicos, puentes de hidrógeno, etc.) y grupos funcionales

que ocurren en las moléculas orgánicas (alcoholes, éteres, ésteres, aminas,

carboxilos, cetonas y aldehídos) 5

1.3 Unidades estructurales que constituyen las biomoléculas y organelos celulares

(funciones) 28

2. El agua y sus propiedades 41

2.1 Importancia del agua dentro de la función celular 41

2.2 Características químicas y físicas del agua 43

2.3 Importancia de los puentes de hidrógeno dentro de la estructura de las moléculas

orgánicas 46

2.4 Disociación del agua y moléculas orgánicas (ácidos y bases débiles)

y concepto de pK 49

2.5 Escala de pH 53

2.6 Aplicación de la ecuación de Henderson- Hasselbalch 56

2.7 Soluciones amortiguadoras 59

3. Aminoácidos y proteínas 66

3.1 Características generales de los Aminoácidos 66

3.1.1 Clasificación 67

3.1.2 Aminoácidos esenciales y no esenciales 74

3.1.3 Isomería 72

3.1.4 Anfolito, disociación y switterión 74

3.1.5 Enlace peptídico 78

3.2 Características generales de las Proteínas 80

3.2.1 Estructura conformacional 83


3.2.3 Procesos de desnaturalización 92

3.2.4 Hidrólisis parcial de las cadenas polipeptídicas 95

4. Catálisis y energética de sistemas bioquímicos 98

4.1 Enzimas y coenzimas 98

4.1.1 Concepto de catalizador y enzima 99

4.1.2 Clasificación de enzimas 104

4.1.3 Cinética enzimática 107

4.1.4 Factores que influyen en la actividad enzimática 110

4.1.5 Inhibición enzimática 114

4.1.6 Enzimas alostéricas 117

4.2 Metabolismo y bioenergética 119

4.2.1 Concepto de anabolismo y catabolismo 124

4.2.2 Términos de autótrofo, heterótrofo, fotótrofo y quimiótrofo 126

4.2.3 Moléculas almacenadoras de energía (ATP, ADP, AMP) 129

5. Carbohidratos. Generalidades y metabolismo 132

5.1 Características generales de los Carbohidratos 132

5.1.1 Definición y fórmula empírica 133


5.1.3 Isomería estructural y de configuración 139

5.1.4 Fórmulas de proyección de Haworth y enlaces glucosídicos 147


3

5.1.5 Polisacáridos estructurales y de reserva 149

5.2 Metabolismo de carbohidratos 153

5.2.1 Glucólisis y gluconeogénesis (catabolismo y anabolismo de la glucosa) 154

5.2.2 Glucogenólisis y glucogénesis (catabolismo y anabolismo del glucógeno) 168

5.2.3 Respiración o procesos aeróbicos. Ciclo de Krebs y Cadena respiratoria 175

5.2.3.1Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) 175

5.2.3.2 Cadena respiratoria. Transporte de electrones y fosforilación oxidativa 184

5.2.4 Procesos anaeróbicos (fermentación láctica, acética, propiónica, butírica,

alcohólica, etc.) 187

5.2.5 Ruta del fosfogluconato o de la pentosa fosfato 201

5.2.6 Fosforilación a nivel de sustrato 204

5.2.7 Balance energético 206

6. Lípidos. Generalidades y metabolismo 208

6.1 Características generales de los lípidos 208


6.1.2 Características de los lípidos simples saponificables 211

6.1.2.1 Grasas (triglicéridos y ácidos grasos saturados e insaturados) 214

6.1.2.2 Ceras 218

6.1.3 Ácidos grasos esenciales 219

6.1.4 Constantes analíticas de las grasas 220

6.1.5 Características de los lípidos compuestos saponificables (glucolípidos,

fosfolípidos, esfingolípidos, etc.) 221

6.1.6 Características de los lípidos no saponificables (terpenos, esteroides,

prostaglandinas) 224

6.2 Metabolismo de lípidos 229

6.2.1 β-oxidación (catabolismo) 231

6.2.2 Cuerpos cetónicos 237

6.2.3 Síntesis de ácidos grasos y triglicéridos 239

6.2.4 Síntesis del colesterol 244

6.2.5 Síntesis de hormonas esteroidales 247

6.2.6 Modelo del mosaico fluido y su importancia en los procesos de transporte 250

6.2.7 Integración del metabolismo de lípidos con el de carbohidratos 252

7. Ácidos nucleicos y metabolismo nitrogenado 257

7.1 Metabolismo nitrogenado (aminoácidos y proteínas) 251

7.1.1 Aminoácidos gluconeogénicos y cetogénicos. Procesos de transaminación y

desaminación 259

7.1.2 Catabolismo de los aminoácidos 263

7.1.3 Ciclo de la urea 265

7.1.4 Síntesis de aminoácidos 267

7.1.5 Integración del metabolismo de aminoácidos con el de carbohidratos y lípidos 269

7.2 Ácidos nucleicos 272

7.21 Bases nitrogenadas 273

7.2.2 Estructura y función de los ácidos nucleicos 276

7.2.3 Réplica de DNA 283

7.2.4 Tipos y síntesis de RNA 291

7.2.5 Código Genético y Síntesis de Proteínas 297

7.2.6 Integración con el metabolismo de carbohidratos, lípidos y nitrogenado 310

8. Bibliografía 312


4

1. La célula y su composición

1.1. Elementos que forman la materia orgánica

El nombre engañoso “orgánico” es una reliquia de los tiempos en que los compuestos químicos se

dividían en dos clases: orgánicos e inorgánicos, según su procedencia. Los compuestos inorgánicos

eran aquellos que procedían de los minerales, y los orgánicos, los que se obtenían de fuentes vegetales

y animales, o sea, de materiales producidos por organismos vivos. De hecho, hasta aproximadamente

1850 muchos químicos creían que los compuestos orgánicos debían tener su origen en organismos

vivos únicamente y, en consecuencia, jamás podrían ser sintetizados a partir de sustancias inorgánicas.

Los compuestos de fuentes orgánicas tenían en común contener el elemento carbono, y aunque se

pueden elaborar en el laboratorio compuestos con este elemento químico, resultó conveniente mantener

el nombre de orgánico (Morrison y Boyd, 1998).

Las plantas y animales bioquímicamente están conformados de dos grandes fracciones: agua y materia

seca. Debido a que las plantas y animales son la fuente de alimento observemos la Figura 1.1.

Figura 1.1. Principales componentes de los alimentos de origen vegetal y animal

Fuente: McDonald et al. (2002)

La materia seca a su vez se divide en dos grandes bloques: la materia orgánica y la materia inorgánica.

La materia orgánica está conformada por los carbohidratos, los lípidos, las proteínas, los ácidos

nucleicos y las vitaminas, mientras que la materia inorgánica se conforma por las cenizas o los

minerales (Salinas et al., 1997).

Todos los organismos están formados principalmente por moléculas orgánicas (con carbono) que tienen

formas tridimensionales complicadas (McKee y McKee, 2003).

Las principales clases de sustancias orgánicas (proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos y lípidos) se

conocen en general como biomoléculas, que en general se encuentran formadas por sólo 6 elementos,

todos de naturaleza no metálica, que son: oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre

(Bohinski, 1998). Curtis y Barnes (2004) mencionan que estos 6 elementos constituyen

aproximadamente el 99% de todos los tejidos vivos (Cuadro 1.1).

Algunos minerales encontrados en el organismo animal son calcio, fósforo, sodio, cloro, magnesio,

azufre, cobalto, cobre, yodo en vertebrados, manganeso, molibdeno, potasio, zinc, etc. A excepción del

calcio, los demás minerales se encuentran en concentraciones menores al 1 %, y son esenciales para


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vivir, ya que por ejemplo: el calcio, fósforo y magnesio se asocian con los huesos, el hierro con la

hemoglobina, etc. (Salinas et al., 1997; Bohinski, 1998).

El contenido de agua de los animales varía con la edad, a medida que envejecen es menor (McDonald

et al., 2002). Por ejemplo: en el caso de los bovinos, el contenido total de agua del embrión es 95%, al

nacer 80%, a los 5 meses de edad 72% y el bovino adulto está constituido de 65 % de agua

aproximadamente (Salinas et al., 1997).

Cuadro 1.1. Elementos que se encuentran en los organismos

Elementos Primer nivel

(Los más abundantes

en todos los

organismos)

Segundo nivel

(Mucho menos

abundantes pero se

encuentran en todos

los organismos)

Tercer nivel

(Metales presentes

en pequeñas

cantidades en todos

los organismos, pero

son esenciales para

la vida)

Cuarto nivel

(Se encuentran o son

necesarios en

algunos organismos

en cantidades

mínimas)

Carbono (C) Calcio (Ca) Cobalto (Co) Aluminio (Al)

Hidrógeno (H) Cloro (Cl) Cobre (Cu) Arsénico (As)

Nitrógeno (N) Magnesio (Mg) Hierro (Fe) Boro (B)

Oxígeno (O) Fósforo (P) Manganeso (Mn) Bromo (Br)

Sodio (Na) Zinc (Zn) Cromo (Cr)

Azufre (S) Flúor (F)

Galio (Ga)

Yodo (I)

Molibdeno (Mo)

Níquel (Ni)

Selenio (Se)

Fuente: Mathews y Van Holde (1998)

1.2. Enlaces (covalentes, iónicos, puentes de hidrógeno, etc.) y grupos funcionales que

ocurren en las moléculas orgánicas (alcoholes, éteres, ésteres, aminas, carboxilos,

cetonas y aldehídos)

McMurry (2001) describe que hay varios tipos de enlaces, desde covalentes hasta iónicos, como

resultado de la distribución asimétrica de los electrones. El símbolo δ quiere decir carga parcial, sea

positiva (δ+) para el átomo pobre en electrones (donador), o parcial negativa (δ

-) para el átomo rico en

electrones (aceptor) (Figura 1.2).

La polaridad del enlace se debe a diferencias de electronegatividad, que es la capacidad intrínseca de

un átomo para atraer los electrones compartidos en un enlace covalente (McMurry, 2001). Dos átomos

unidos por enlace covalente comparten electrones, y sus núcleos son mantenidos en la misma nube

electrónica, pero los núcleos no comparten los electrones por igual sino que generalmente la nube es

más densa en torno a un átomo que en torno al otro, por ende, un extremo del enlace es relativamente

negativo, y el otro, relativamente positivo, se forma un polo negativo y un polo positivo, así, se dice

que éste es un enlace polar o que tiene polaridad (Figura 1.3). Cuanto mayor sea la diferencia de

electronegatividad, más polar será el enlace (Morrison y Boyd, 1998).


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Figura 1.2. Tipos de enlaces

Fuente: McMurry (2001)

Figura 1.3. Enlaces polares

Fuente: Morrison y Boyd (1998)

Por regla general, los enlaces entre los átomos con electronegatividades parecidas son covalentes no

polares; los enlaces entre átomos cuyas electronegatividades difieren entre 0.3 y 2.0 unidades son

covalentes polares, y entre los átomos cuyas electronegatividades difieren más de 2.0 unidades, son

más bien iónicos (McMurry, 2001).

Una molécula es polar cuando el centro de la carga negativa no coincide con el de la positiva y tal

molécula constituye un dipolo: dos cargas iguales y opuestas separadas en el espacio. La molécula tiene

un momento dipolar µ, que es igual a la magnitud de la carga, e, multiplicada por la distancia, d, entre

los centros de las cargas. Moléculas como H2, O2, N2, Cl2 y Br2 tienen momentos dipolares nulos, o sea,

no son polares. Los dos átomos idénticos de cada una de estas moléculas tienen la misma

electronegatividad y comparten electrones por igual, e es cero, por tal µ

En 1916 se describieron dos clases de enlaces químicos: el enlace iónico, por Walther Kossel

(Alemania), y enlace covalente, por Lewis (USA) y ambos basaron sus ideas debido al concepto del

átomo que describe que un núcleo cargado positivamente está rodeado de electrones ordenados en

capas o niveles energéticos concéntricos. Hay un máximo de electrones que se pueden acomodar en

cada capa, alcanzando la estabilidad máxima cuando se completa la capa externa como en los gases

nobles, así, tanto los enlaces iónicos como los covalentes surgen de la tendencia de los átomos a

alcanzar esta configuración electrónica estable (Morrison y Boyd, 1998).

Por lo general la electronegatividad aumenta de izquierda a derecha en la tabla periódica, y disminuye

de arriba abajo, como se indica en las alturas de las columnas en la siguiente tabla periódica (Figura

1.4). Los valores corresponden a una escala arbitraria, en que F=4.0 y Cs=0.7. El valor de

electronegatividad del carbono es 2.5. El tono amarillo es proporcional a la electronegatividad de los

elementos (McMurry, 2001).


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Figura 1.4. Valores y tendencias de electronegatividad


A) Enlaces covalentes:

Los enlaces covalentes son enlaces que se forman cuando dos átomos comparten uno o más pares de

electrones. Por lo regular se da entre no metales pero también se llega a dar entre metales y no metales.

Por ejemplo al formar una molécula de hidrógeno tenemos que cada átomo de hidrógeno tiene un solo

electrón, al compartir un par de electrones, ambos hidrógenos pueden completar sus capas de dos. Dos

átomos de flúor, por mencionar otro ejemplo, cada uno con siete electrones en la capa de valencia,

pueden completar sus octetos si comparten un par de electrones, en estos casos la fuerza de unión es la

atracción electrostática, esta vez entre cada electrón y ambos núcleos (Figura 1.5).

Figura 1.5. Ejemplos de enlaces covalentes


La fuerza del enlace covalente está dada por el aumento de atracción electrostática. En los átomos

aislados, cada electrón es atraído por, y atrae a, un núcleo positivo; en la molécula, cada electrón es

atraído por dos núcleos positivos (Morrison y Boyd, 1998). El enlace covalente es típico de los

compuestos del carbono (Figura 1.6).


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Figura 1.6. Otros ejemplos de enlaces covalentes

Fuente: Mathews y Van Holde (1998)

Los enlaces covalentes pueden ser de tipo:

Apolar: este tipo de enlace se establece cuando la diferencia de electronegatividad entre los

átomos que forman el enlace es menor de 0.5 (Figura 1.7):

Figura 1.7. Ejemplos de enlaces covalentes

Polar: enlace formado cuando la diferencia de electronegatividad entre los átomos es mayor de

0.5 y no superior de 1.5 (Figura 1.8):

Figura 1.8. Ejemplos de enlaces polares

Coordinado: dicho enlace se presenta en elementos que tienen un par electrónico el cuál

pueden ceder al otro elemento (Figura 1.9). Este tipo de enlaces forma macromoléculas:


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Figura 1.9. Ejemplos de enlace coordinado

B) Enlaces iónicos:

Comprenden la transferencia de electrones de un átomo a otro, o bien, la atracción electrostática entre

iones de carga opuesta (Figura 1.10). Las fuerzas electrostáticas empiezan a operar entre los átomos, o

los grupos de átomos con carga eléctrica opuesta; por ejemplo, entre un catión y un anión (como Na+ y

Cl¯), o entre un carboxilo y un grupo amino (COO¯ y NH3+), lo cual es típico en las sales formadas por

combinación de elementos metálicos (electropositivos) con los no metálicos (electronegativos):

Na+ Cl

- Na

+ OH

-

Otro ejemplo sucede en la formación de cloruro de litio donde un átomo de litio tiene dos electrones en

su capa interna y uno en su capa externa o de valencia; la pérdida de un electrón dejaría al litio con una

capa externa completa de dos electrones. Un átomo de flúor tiene dos electrones en su capa interna y

siete en su capa de valencia, la ganancia de un electrón daría al flúor una capa externa completa con

ocho electrones. Así, el fluoruro de litio se forma por la transferencia de un electrón del litio al flúor; el

litio tiene ahora una carga positiva y el flúor negativa. La atracción de electrostática entre iones de

carga opuesta se denomina enlace iónico (Figura 1.11) (Morrison y Boyd, 1998).

Figura 1.10. Enlace iónico


Figura 1.11. Otros ejemplos de enlace iónico


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Se observa que la diferencia de electronegatividad entre los átomos que forman el enlace es mayor a

1.5. Existen otras fuerzas denominadas fuerzas intermoleculares que son el puente de hidrógeno, la

interacción dipolo-dipolo, y fuerzas de Van der Waals (Meislich et al., 2000).

C) Puente de Hidrógeno:

Los puentes de hidrógeno no son exclusivos de las moléculas de agua y para que existan se necesitan

dipolos permanentes. Es preferible que uno de los dipolos contenga un átomo de hidrógeno con carga

parcial positiva y el otro dipolo tenga un átomo de oxígeno o nitrógeno con carga parcial negativa.

Los puentes de hidrógeno intermoleculares se forman entre dipolos presentes en moléculas distintas,

mientras los puentes de hidrógeno intramoleculares lo hacen entre dipolos que están en la misma

molécula Se forma cuando dos átomos comparten un núcleo atómico de hidrógeno (protón). Es una

interacción entre un átomo de hidrógeno enlazado covalentemente en un grupo donador (como –O-H ó

=N-H) y un par de electrones libres perteneciente a un grupo aceptor (como O=C- ó N=). El puente de

hidrógeno no se considera como un enlace verdadero, sin embargo, tienen una función estructural muy

importante. Un ejemplo de tantos es la formación de puentes de hidrógeno para la conformación de las

proteínas secundarias de tipo hélice alfa; así como la intervención de estos puentes en la estructura de

ADN (Figura 1.12 y 1.13) (Bohinski, 1998).

Figura. 1.12. Puentes de hidrógeno en las biomoléculas

Fuente: Bohinski (1998)

Figura 1.13. Puentes de hidrógeno representativos de importancia en sistemas biológicos

Fuente: Devlin (1999)


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Generalmente en las fórmulas los enlaces por puentes de hidrógeno se indican por una línea punteada

como se indica en la Figura 1.14 (Morrison y Boyd, 1998).

Figura 1.14. Línea punteada que representa los enlaces por puentes de hidrógeno


Los enlaces covalentes entre el hidrógeno y el oxígeno, el nitrógeno o el azufre son suficientemente

polares, de forma que el núcleo de hidrógeno es atraído débilmente hacia el par de electrones solitario

de un oxígeno, nitrógeno o azufre de una molécula vecina. En la molécula de agua, cada par de

electrones sin compartir del oxígeno puede formar un enlace de hidrógeno con moléculas de agua

cercanas (McKee y McKee, 2003).

En los enlaces de hidrógeno entre las moléculas del agua cada molécula puede formar enlaces de

hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua (Figura 1.15) (McKee y McKee, 2003).

Figura 1.15. Moléculas de agua unidas mediante enlaces de hidrógeno

Fuente: McKee y McKee (2003) y Mathews et al. (2005)

Los enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua en el hielo producen una estructura muy abierta

(Figura 1.16). El hielo es menos denso que el agua en su estado líquido (Basurto y Fuentes, 1983).

En cuanto a las energías de enlace covalente y no covalente se observa que las energías típicas de los

enlaces no covalentes son de un orden de magnitud más débiles que las energías de los enlaces

covalentes (Figura 1.17) (Mathews et al., 2005).


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Figura 1.16. Enlaces de hidrógeno en el hielo de agua

Fuente: McKee y McKee (2003)

Figura 1.17. Energías de los enlaces covalentes y no covalentes

Fuente: Mathews et al. (2005)

D) Fuerzas de Van der Waals:

También llamadas Fuerzas de London, se forman como resultado de las fuerzas de atracción

producidas cuando dos átomos o grupos de átomos se acercan entre sí. Las fuerzas de unión son

suficientemente bajas a las temperaturas celulares, de forma que los enlaces se producen únicamente

cuando varios átomos de una molécula interactúan con varios átomos de otra molécula cercana.


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Estos enlaces son relativamente inespecíficos y pueden formarse entre muchas clases de moléculas:

- Formación de estructuras secundarias tridimensionales en las proteínas

- Formación de polos en la molécula de agua, otorgando cargas parcialmente positivas y negativas

- Formación de estructuras cuaternarias en las proteínas.

Los electrones de una molécula no polar pueden causar un desequilibrio momentáneo en la

distribución de la carga en moléculas vecinas, induciendo de ese modo un momento dipolar temporal

(Figura 1.18). Aunque cambian constantemente, estos dipolos inducidos llevan a una fuerza de

atracción neta débil. Cuanto mayor es el peso molecular de la molécula, tanto mayor es el número de

electrones y mayores son estas fuerzas (Meislich et al., 2000).

Figura 1.18. Fuerzas de Van der Waals


E) Enlace hidrofóbico:

Aunque no es considerado como un enlace químico verdadero, sino una tendencia reconocida de

agrupamientos no polares para asociarse y excluir el agua que pueda estar presente (Figura 1.19).

Algunas propiedades del enlace hidrofóbico son:

- otorga la característica hidrofóbica a los ácidos grasos

- es encargado de formar micelas y películas de ácidos grasos en agua

- otorga la cualidad hidrofóbica de la membrana celular en su parte extacelular.

Aunque individualmente los enlaces hidrofóbicos son débiles, muchos de éstos producen una estructura

estable (Roskoski, 2001). En la imagen se muestran las interacciones hidrofóbicas entre dos grupos

aromáticos.

Figura 1.19. Enlace hidrofóbico

Fuente: Roskoski (2001)


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F) Interacción dipolo-dipolo:

Resulta de la atracción del extremo δ+

de una molécula polar hacia el extremo δ- de otra molécula polar

(Figura 1.20) (Meislich et al., 2000). McKee y McKee (2003) describe que las interacciones dipolo-

dipolo son un tipo de Fuerzas de van der Waals, mientras que Meislich et al. (2000) las describe como

fuerzas intermoleculares diferentes. Morrison y Boyd (1998) describe que el enlace puente de

hidrógeno es un tipo de interacción dipolo-dipolo.

Figura 1.20. Interacciones dipolo-dipolo


Grupos funcionales La mayoría de las biomoléculas pueden considerarse derivadas del tipo más simple de moléculas

orgánicas, que son los hidrocarburos que son moléculas que contienen carbono e hidrógeno y que son

hidrófobas, o sea, insolubles en agua (McKee y McKee, 2003). En los hidrocarburos, el hidrógeno se

puede reemplazar por otros átomos o grupos de átomos, dichos reemplazos se denominan grupos

funcionales y son los sitios reactivos en las moléculas (Meislich et al., 2000).

Así, un grupo funcional es un conjunto de átomos en una molécula que tienen un comportamiento

químico característico (Cuadro 1.2) (McMurry, 2001).

1.- Alcoholes (R-OH): Se clasifican en primarios, secundarios o terciarios dependiendo del número de

grupos orgánicos unidos al carbono que lleva el hidroxilo (Figura 1.21) (McMurry, 2001). El grupo

puede ser de cadena abierta o cíclico, puede contener un doble enlace, un átomo de halógeno, un anillo

aromático o grupos hidroxilo adicionales (Figura 1.22) (Morrison y Boyd, 1998).

Todos los alcoholes contienen un grupo hidroxilo (-OH), el cual, al ser su grupo funcional determina

las propiedades de esta familia. Las variaciones en la estructura del grupo –R puede afectar la

velocidad de ciertas reacciones del alcohol y afectar al tipo de reacción. Cabe aclarar que los

compuestos con un grupo hidroxilo directamente unido a un anillo aromático no son alcoholes, sino

fenoles.

Los alcoholes de distintas clases suelen diferir en la velocidad o en el mecanismo de la reacción de

forma congruente con la estructura (Morrison y Boyd, 1998).

Los alcoholes son muy polares y permiten la formación de puentes de hidrogeno (McMurry, 2001)

debido a que el grupo –OH es muy polar y dichos enlaces los realiza con moléculas compañeras, con

otras moléculas neutras y con aniones (Figura 1.23) (Morrison y Boyd, 1998).

Entre los hidrocarburos, los factores que determinan los puntos de ebullición suelen ser principalmente

el peso molecular y la forma. Los alcoholes muestran un aumento del punto de ebullición y una

disminución de la polaridad al aumentar el número de átomos de carbono (es decir, al aumentar la

cadena –R) y una disminución del mismo con la ramificación, pero lo notable es el punto de ebullición

tan elevado de los alcoholes que son mucho más altos que los hidrocarburos del mismo peso molecular,

e incluso, más altos que los de muchos otros compuestos de polaridad considerable. Lo anterior debido


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a que los alcoholes, al igual que el agua, son líquidos asociados (líquidos cuyas moléculas se mantienen

unidas por puentes de hidrógeno, la ruptura de estos puentes requiere una energía considerable, por lo

que los líquidos asociados tienen un punto de ebullición elevado) (Morrison y Boyd, 1998; McMurry,

2001).

Cuadro 1.2. Grupos funcionales importantes de las biomoléculas

Nombre

de la

familia

Estructura

del grupo

Nombre del

grupo Significado

Alcohol Hidroxilo Polar (por ende hidrosoluble), forma enlaces

de hidrógeno

Aldehído

Carbonil Polar, se encuentra en algunos azúcares

Cetona

Carbonilo Polar, se encuentra en algunos azúcares

Ácidos

Carbonilo Débilmente ácido, lleva una carga negativa

cuando dona un protón

Aminas Amino Débilmente básico, lleva una carga positiva

cuando acepta un protón

Amidas

Amido Polar, pero no lleva carga

Tioles Tiol Fácilmente oxidable; puede formar fácilmente

enlaces -S-S- (disulfuro)

Ésteres

Éster Se encuentran en determinadas moléculas

lipídicas

Doble

enlace Alqueno Componente estructural importante de muchas

biomoléculas como los lípidos


Figura 1.21. Clasificación de alcoholes



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Figura 1.22. Ejemplos de alcoholes


Figura 1.23. Puentes de hidrógeno formados por alcoholes


La posición central de los alcoholes en química orgánica se muestra en la Figura 1.24 se ilustra cómo a

partir de numerosas clases de compuestos se puede preparar alcohol y cómo éste se convierte en otras

tantas.

Los azúcares o carbohidratos son una clase amplia de aldehídos y cetonas polihidroxiladas. Por

ejemplo, la glucosa (Figura 1.25), denominada igualmente dextrosa es un pentahidroxihexanal

(McMurry, 2001).

Figura 1.24. Posición central de los alcoholes en química orgánica. Se pueden preparar a partir de

numerosas clases de compuestos y convertirse en otras tantas



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Figura 1.25. Fórmula de la glucosa


2.- Éteres (R - O - R): el éter es una sustancia que tiene dos grupos orgánicos enlazados al mismo

átomo de oxígeno, R-O-R´ (Figura 1.26) (McMurry, 2001).

Los éteres son ligeramente polares. La ausencia del grupo –OH en los éteres excluye el puente de

hidrógeno, por lo que no hay ninguna fuerza de atracción intermolecular fuerte entre las moléculas del

éter como sí la hay entre las moléculas del alcohol. La débil polaridad de los éteres no tiene ningún

efecto apreciable. El oxígeno de los éteres puede experimentar puente de hidrógeno con el hidrógeno

del agua (Figura 1.27) (Meislich et al., 2000).

Figura 1.26. Ejemplos de éteres


Figura 1.27. Puente de hidrógeno entre el éter y el agua

Fuente: Meislich et al. (2000)


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Existen éteres cíclicos en las moléculas de los carbohidratos (Figura 1.28). Los monosacáridos se

comportan como alcoholes simples en mucha de su química. Por ejemplo, los grupos –OH de los

carbohidratos se pueden convertir en ésteres y éteres, los cuales con frecuencia son más fáciles de

trabajar que los azúcares libres. Por ejemplo, la α-D-glucopiranosa (McMurry, 2001).

Figura 1.28. Éteres cíclicos en carbohidratos


Los éteres tienen la capacidad de disolver compuestos no polares y son buenos solventes, por tal, para

disolver los compuestos orgánicos (Meislich et al., 2000).

Cuando un alcohol (R-OH) reacciona con otro (R´-OH), el producto es un éter (R-O-R´), los azúcares

pueden reaccionar de esta manera, y es el sitio anomérico Ca-OH el que tiene un mayor grado de

reactividad. Cuando la reacción se limita al carbono anomérico (Ca), la estructura resultante es un

acetal completo llamado glicósido. El enlace recién formado Ca-OR se denomina enlace glucosídico

(Figura 1.29). El enlace glucosídico tiene enorme importancia biológica porque representa, en la

mayoría de los casos, el enlace covalente entre monosacáridos sucesivos en los oligosacáridos y

polisacáridos. Los diferentes enlaces glucosídicos se forman como resultado de distintas combinaciones

de los carbonos α y β de un azúcar y los diversos grupos –OH del otro azúcar. Cada oligosacárido o

polisacárido particular contiene un patrón específico de enlaces glucosídicos entre sus residuos

monoméricos.

Figura 1.29. Enlaces glicosídicos entre moléculas de α-D-glucosa


3.- Ácidos carboxílicos: de los compuestos orgánicos que presentan acidez apreciable, los ácidos

carboxílicos son los más importantes. Dichas sustancias contienen el grupo carboxilo unido a un

hidrógeno (HCOOH), a un grupo alquilo (RCOOH) o a un arilo (ArCOOH) tal como lo mencionan

Morrison y Boyd (1998) (Figura 1.30 y 1.31).

Sus estructuras hacen suponer que los ácidos carboxílicos son moléculas polares, y al igual que los

alcoholes pueden formar puentes de hidrógeno entre sí y con otros tipos de moléculas. Por lo anterior,

los ácidos carboxílicos se comportan de forma similar a los alcoholes en cuanto a sus solubilidades: los


19

de bajo peso molecular o cadena corta son miscibles en agua, el ácido de cinco carbonos es

parcialmente soluble y los superiores o de alto peso molecular y cadena larga son virtualmente

insolubles. La solubilidad en agua se debe a los puentes de hidrógeno entre el ácido carboxílico y el

agua. El ácido aromático más simple, el benzoico, contiene demasiados átomos de carbono como para

tener una solubilidad apreciable en agua. Los ácidos carboxílicos son solubles en disolventes orgánicos

menos polares como éter, alcohol, benceno, etc. (Morrison y Boyd (1998). Los carboxilos se

encuentran presentes en los ácidos grasos que son ácidos carboxílicos alifáticos de cadena larga

(Cuadro 1.3).

Figura 1.30. Grupo carboxilo


Figura 1.31. Ejemplos de ácidos carboxílicos dentro de los ácidos grasos


Cuadro 1.3. Ejemplos de ácidos carboxílicos

Nombre Fórmula P.f., °C Solubilidad,

g/100g de agua

Fórmico HCOOH 8 ∞

Acético CH3COOH 16.6 ∞

Propiónico CH3 (CH2)2COOH -22 ∞

Butírico CH3 (CH2)2COOH -6 ∞

Valérico CH3 (CH2)3COOH -34 3.7

Caproico CH3 (CH2)4COOH -3 1.0

Caprílico CH3 (CH2)6COOH 16 0.7

Cáprico CH3 (CH2)8COOH 31 0.2

Láurico CH3 (CH2)10COOH 44 i

Mirístico CH3 (CH2)12COOH 54 i

Palmítico CH3 (CH2)14COOH 63 i

Esteárico CH3 (CH2)16COOH 70 i

Oleico Cis-9-Octadecanoico 16 i

Linoleico Cis, Cis-9,12-Octadecanoico -5 i

Linilénico Cis, Cis-9,12,15-Octadecanoico -11 i

P.f. = Punto de fusión; ∞ = alta solubilidad; i = insoluble



20

De forma general, los ácidos carboxílicos hierven a temperaturas más elevadas que los alcoholes de

peso molecular comparable (por ejemplo: ácido propiónico a 141º C contra el alcohol n-butílico que

hierve a 118º C). Estos puntos de ebullición tan elevados se deben a que un par de moléculas del ácido

carboxílico se mantienen unidas no por un puente de hidrógeno, sino por dos (Figura 1.32), según

Morrison y Boyd (1998).

Figura 1.32. Puentes de hidrógeno en los ácidos carboxílicos


Los olores de los ácidos alifáticos inferiores progresan desde los fuertes e irritantes del fórmico y

acético, hasta los abiertamente desagradables del butírico, valeriánico y caproico. Los ácidos superiores

o de cadena larga tienen muy poco olor debido a sus bajas volatilidades.

Aunque mucho más débiles que los ácidos minerales fuertes (sulfúrico, clorhídrico, nítrico), los ácidos

carboxílicos son sustancialmente más ácidos que los grupos orgánicos más débiles como los alcoholes,

son mucho más ácidos que el agua, por lo que los hidróxidos acuosos los convierten en sus sales con

facilidad, y los ácidos minerales acuosos reconvierten las sales en los ácidos carboxílicos

correspondientes (Morrison y Boyd, 1998):

Al igual que todas las sales, las de los ácidos carboxílicos son sólidos cristalinos no volátiles,

constituidas por iones positivos y negativos, y sus propiedades corresponden a dichas estructuras.

Las sales de los metales alcalinos de los ácidos carboxílicos (sodio, potasio, amonio) son solubles en

agua, pero no en disolventes no polares; la mayoría de las sales de metales pesados (hierro, plata,

cobre) son insolubles en agua. En el caso de ácidos de cuatro carbonos o menos, son solubles en agua y

en disolventes orgánicos, pero los demás ácidos carboxílicos y sus sales de metales alcalinos exhiben

un comportamiento de solubilidad exactamente opuesto (Figura 1.33).

Figura 1.33. Solubilidad en agua de los ácidos carboxílicos



21

Si el sustituyente es un segundo grupo carboxílico, se obtiene un ácido dicarboxílico, y si son tres, se

obtiene un ácido tricarboxílico, ácidos presentes en el ciclo de Krebs (Figura 1.34).

Figura 1.34. Ejemplo de ácido tricarboxílico


De igual manera, los carboxilos se encuentran presentes en los α-aminoácidos (Figura 1.35) que se

forman por un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) unidos al mismo átomo de carbono,

Figura 1.35. Estructura general de un aminoácido


4.- Aldehídos y cetonas: Los aldehídos son sustancias con fórmula general RCHO; mientras que las

cetonas son compuestos de fórmula general RCOR´ (Figura 1.36). Los grupos R y R´ pueden ser

alifáticos o aromáticos (en el aldehído, HCHO, R es hidrógeno).

Figura 1.36. Aldehídos y cetonas


Los aldehídos y las cetonas contienen el grupo carbonilo, C=O, y a menudo se denominan

colectivamente compuestos carbonílicos. El grupo carbonilo es el que determina en gran medida la

química de aldehídos y cetonas. Los aldehídos y cetonas se asemejan en la mayoría de sus propiedades,


22

sin embargo, el grupo carbonílico de los aldehídos contiene, además, un hidrógeno, mientras el de

cetonas tiene dos grupos orgánicos (Figura 1.37 y 1.38). Lo anterior afecta sus propiedades en dos

formas: los aldehídos se oxidan con facilidad, las cetonas sólo lo hacen con dificultad y los aldehídos

suelen ser más reactivos que las cetonas en reacciones nucleofílicas (características de los compuestos

carbonílicos).

Figura 1.37. Ejemplos de aldehídos


Figura 1.38. Ejemplos de Cetonas


El grupo carbonílico polarizado convierte a aldehídos y cetonas en sustancias polares, por lo que

tienen puntos de ebullición más elevados que los compuestos no polares de peso molecular

comparable. Por sí mismas, no son capaces de unirse intermolecularmente por puentes de hidrógeno ya

que sólo poseen hidrógeno unido a carbono, por lo anterior, sus puntos de ebullición son inferiores a

los de alcoholes y ácidos carboxílicos comparables. Los aldehídos y cetonas inferiores son solubles en

agua, tal vez por los posibles puentes de hidrógeno que pueden establecerse entre las moléculas de

disolvente y las de soluto. La solubilidad límite se alcanza alrededor de unos cinco carbonos. Los

aldehídos y cetonas son solubles en disolventes orgánicos usuales, algunas de sus características son:

Los carbohidratos son polihidroxialdehídos, polihidroxicetonas o compuestos que, por hidrólisis, se

convierten en éstos. Un carbohidrato que no es hidrolizable a compuestos más simples se denomina

monosacárido que se puede clasificar aún más: si contiene un grupo aldehído, es una aldosa (Figura

1.39); si contiene una función cetona, es una cetosa (Figura 1.40). Una aldohexosa, por ejemplo, es un

monosacárido de seis carbonos con una función aldehído, mientras que una cetopentosa es un

monosacárido de cinco carbonosa con un grupo cetónico. La mayoría de los monosacáridos naturales

son pentosas o hexosas (Morrison y Boyd, 1998).


23

Figura 1.39. Ejemplos de aldosas

Fuente: Hicks (2003)

Figura 1.40. Ejemplos de cetosas


5.- Ésteres: La presencia del grupo C=O (Figura 1.41) confiere polaridad a los derivados de ácidos.

Los ésteres tienen puntos de ebullición casi iguales que los aldehídos y cetonas de peso molecular

comparable. La solubilidad límite en agua es de tres a cinco carbonos. Son solubles en disolventes

orgánicos usuales (Morrison y Boyd, 1998).

Figura 1.41. Fórmula general de los ésteres


Los ésteres más volátiles tienen olores agradables y muy característicos, por lo que se suelen emplear

en la preparación de perfumes y condimentos artificiales (Morrison y Boyd, 1998). Por ende los ésteres

de bajo peso molecular son líquidos de olor agradable y sus olores son de frutos y flores (McMurry,

2001).


24

Desde el punto de vista químico, las grasas son ésteres carboxílicos derivados de un solo alcohol, el

glicerol y se conocen como glicéridos, más específicamente, se trata de triacilgliceroles o triglicéridos

(Figura 1.42) (Morrison y Boyd, 1998).

Figura 1.42. Fórmula general de un triacilglicerol (triglicérido)


Los triacilgliceroles poseen tres ácidos grasos esterificados, uno en cada oxhidrilo del glicerol. Cuando

el OH-3 se esterifica con el ácido fosfórico, se forman glicerofosforilgliceroles (Figura 1.43), con

varios sustituyentes en el fosfato establecido. Los lípidos que poseen un sustituyente en el fosfato como

colina, serina o inositol son estructurales (Hicks, 2003).

Figura 1.43. Fórmula general del fosfoglicérido


6.- Aminas: Las aminas son derivados orgánicos del amoniaco, NH3 (McMurry, 2001). De las

sustancias orgánicas que muestran basicidad apreciable (azulean al tornasol), las más importantes son

las aminas. Una amina tiene fórmula general RNH2, R2NH ó R3N, donde R es un grupo alquilo o arilo

(Figura 1.44).

Las aminas se clasifican en primarias, secundarias o terciarias, según el número de grupos que se unen

al nitrógeno (Figura 1.45).


25

Figura 1.44. Ejemplos de aminas


Figura 1.45. Clasificación de aminas


En relación con sus propiedades fundamentales (basicidad y nucleofilicidad que la acompañan), las

aminas de tipos diferentes son prácticamente iguales. En muchas de sus reacciones, los productos

finales dependen del número de átomos de hidrógeno unidos al de nitrógeno, por esa razón son

diferentes para aminas de distintos tipos.

Las aminas son compuestos polares y pueden formar puentes de hidrógeno intermoleculares (Figura

1.46).

Las aminas tienen puntos de ebullición más altos que los compuestos no polares de igual peso

molecular, pero inferiores a los de los alcoholes o ácidos carboxílicos.

Figura 1.46. Puentes de hidrógeno intermoleculares formados por aminas



26

Las aminas pueden formar enlaces de hidrógeno con el agua. Las aminas de bajo peso molecular son

bastantes solubles en agua y tienen solubilidad límite al tomar unos seis átomos de carbono. Son

solubles en disolventes menos polares, como éter, alcohol, benceno, etc. Las metil y etilaminas huelen

muy semejante al amoniaco. Las aminas aromáticas suelen ser muy tóxicas, ya que son absorbidas por

la piel, con resultados a menudo fatales.

Las aminas alifáticas son tan básicas como el amoniaco, pero las aromáticas son considerablemente

menos básicas. Las aminas son más básicas incluso que el agua. Por ello, los ácidos minerales acuosos

y los carboxílicos las convierten en sus sales con facilidad y el ión hidróxido acuoso las reconvierte con

igual facilidad, en aminas libres (Figura 1.47).

Figura 1.47. Interconversión de aminas y su hidrosolubilidad


Las aminas se encuentran en macromoléculas como los aminoácidos (Figura 1.48), en algunas

vitaminas (Figura 1.49), bases nitrogenadas y ácidos nucleicos (Figura 1.50) (Morrison y Boyd, 1998).

Los α-aminoácidos cuentan con un carbono denominado alfa con cuatro enlaces covalentes unidos a los

grupos amino (NH2), carboxilo (COOH), hidrógeno (H) y a una estructura variable (Figura 1.48)

(Hicks, 2003).

Figura 1.48. Estructura general de los α-aminoácidos



27

Figura 1.49. Estructura de la vitamina ácido fólico

Fuente: Church (2004)

Figura 1.50. Estructura de las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos


En el ADN se encuentran las bases adenina, guanina que contienen el sistema anular purínico y citosina

y timina que contienen el anillo de la pirimidina. El ARN contiene adenina, guanina, citosina y uracilo

(Morrison y Boyd, 1998).

7.- Amidas: son derivados de los ácidos carboxílicos y de las aminas. Su fórmula general se muestra en

la Figura 1.51. Las amidas tienen puntos de ebullición bastante elevados debido a su capacidad para

establecer puentes de hidrógeno bastante firmes (Figura 1.52).

Figura 1.51. Fórmula general de las amidas



28

Figura 1.52. Puentes de hidrógeno en las amidas


La solubilidad límite en agua es de 5-6 carbonos para amidas. El enlace amida es tan estable que sirve

como la unidad básica que constituye a las proteínas (Figura 1.53) (Morrison y Boyd, 1998).

Figura 1.53. Amidas en las proteínas


1.3. Unidades estructurales que constituyen las biomoléculas y

organelos celulares (funciones)

La célula es la unidad más pequeña capaz de manifestar las propiedades del ser vivo (Maillet, 2002).

La teoría celular de la biología establece que las células vivas se derivan de otras células vivas. Las

células se diferencian en células especializadas, que forman los órganos y tejidos específicos, aunque

cada sistema de órganos puede consistir en muchos tipos celulares distintos. Por ejemplo, Roskoski

(2001) menciona que el sistema digestivo está constituido por cavidad bucal, glándulas salivales,

esófago, estómago, intestino delgado, intestino grueso, hígado, vesícula biliar y páncreas, cada uno de

estos tejidos contiene una cantidad de tipos celulares diferentes.

Las células de los organismos vivos están rodeadas por una membrana plasmática que separa el

interior del exterior de la célula. Las células de organismos superiores también contienen organelos

intracelulares membranosos y redes de membranas (Figura 1.54 y Cuadro 1.4) (McKee y McKee,

2003).

La forma de las células animales a menudo se describe como esferoidal, pero la especialización influye

en la forma. El contacto, la presión y la capacidad de las células para alterar la forma, determinan

también su aspecto. Así, las células pueden ser redondas, estrelladas, fusiformes, alargadas, cilíndricas,

escamosas, cúbicas, etc. y tener organelos específicos como pared celular en el caso de las células

vegetales (Figura 1.55) (Banks, 1998).


29

Figura 1.54. Estructura esquemática de una célula animal


Cuadro 1.4. Propiedades metabólicas de los componentes de las células animales



30

Figura 1.55. Estructura esquemática de una célula vegetal


Membrana citoplasmática

Las membranas biológicas están formadas por bicapas de lípidos y proteínas asociadas, teniendo un

espesor de 8 nm (Banks, 1998). Los lípidos en las membranas están formados por una porción polar,

hidrofílica, que se encuentra al exterior de cada una de las dos capas de la membrana, y una porción no

polar que se proyecta hacia el interior de la membrana. Las proteínas embebidas en el lípido se

denominan proteínas integrales de membrana, mientras que las que se hallan en la superficie de la

membrana se conocen como proteínas periféricas o extrínsecas (Figura 1.56).

La membrana esta compuesta por 55 % de proteína, 35 % de lípidos (fosfolípidos, colesterol y

glucolípidos) y 10 % de CHO’S (glucolipidos y glucoproteínas) (Roskoski, 2001).

Figura 1.56. Componentes de la membrana citoplasmática

Fuente: Banks (1998) y Roskoski (2001)


31

Algunas proteínas integrales de membrana atraviesan a la membrana una o más veces. Las proteínas

integrales sirven para varias funciones celulares esenciales como mediar el transporte del exterior al

interior de la célula de varias clases de moléculas que sirven como combustible transportando azúcares

específicos y aminoácidos, además de iones. Los iones, los protones y la mayor parte de los

compuestos orgánicos no pasan fácilmente a través de las membranas. La mayoría de los metabolitos

intracelulares son ionizados, y la impermeabilidad de las membranas evita el escape de las células de

estas sustancias con carga.

Sobre la superficie externa de muchas células eucariotas hay una estructura denominada glucocáliz

(Figura 1.57) que está formado por carbohidratos unidos a las proteínas de la membrana y a

determinadas moléculas de lípidos y que es una capa superficial celular (Roskoski, 2001). El espesor

del glicocáliz o manto celular es de 50 a 200 nm y las fibras que lo forman tienen un diámetro de 1-2

nm y se encuentran implantadas de manera perpendicular a la membrana formando un tapiz cerrado y

continuo. El glicocáliz constituye un cemento intercelular en los organismos pluricelulares y siempre

está presente entre dos células (Callen, 2000).

Figura 1.57. Glicocáliz en la superficie de un linfocito

Fuente: Callen (2000)

En los vegetales, la membrana celular se encuentra cubierta y protegida exteriormente por una pared

celular más gruesa (celulosa, hemicelulosa y lignina) (McKee y McKee, 2003).

Dentro de las funciones de la membrana citoplásmica se encuentran que proporciona forma a la célula,

da resistencia mecánica y protección, así como barrera de permeabilidad. Los canales de transporte de

la membrana llevan iones, molécula y hay receptores que unen a las moléculas señalizadoras,

transporta y participa en procesos de señalización (Roskoski, 2001), reconocimiento entre células según

los componentes específicos, la adherencia entre células y la unión con el tejido conjuntivo se efectúa

mediante moléculas de adherencia molecular que se encuentran en el glucocáliz (McKee y McKee,

2003). Además en la absorción y digestión de algunos materiales participa el glucocáliz, y la membrana

citoplásmica también se relaciona con la antigenicidad.

Regula los intercambios entre la célula y el medio exterior:

1.- Endocitosis y exocitosis: La endocitosis es la interiorización o penetración de material a la célula y

la exocitosis es la secreción de compuestos al medio extracelular. En la endocitosis la membrana

plasmática se invagina a nivel de la zona donde se absorberá el material extracelular y después se

repliega y forma una vesícula cerrada. En la exocitosis las vesículas internas de la célula a menudo se

encuentran cargadas de productos de secreción, y tras abrirse a nivel de la membrana citoplásmica

emiten su contenido al exterior de la célula. En función del tamaño del material absorbido se distinguen

dos procesos que se realizan por diferentes mecanismos: pinocitosis (ingestión de fluidos o

macromoléculas mediante pequeñas vesículas de diámetro cercano a 150 nm) y fagocitosis (absorción


32

de partículas grandes o de células al interior de vesículas de diámetro superior a 250 nm, y que pueden

alcanzar varios µm, denominadas fagosomas. La mayor parte de los constituyentes absorbidos se

dirigen hacia el compartimiento lisosomal, tras haber sido seleccionados y apartados en un

compartimento membranario intermediario denominado compartimiento endosomal. Los lisosomas

poseen gran número de hidrolasas que son enzimas de degradación. Finalmente los materiales

capturados se digieren y los productos obtenidos sirven para nutrir a la célula (Callen, 2000).

2.- Permeabilidad: Se realiza transporte pasivo o activo, de diversas sustancias.

a) Pasiva: regida por fenómenos físicos tales como la ósmosis o la difusión.

b) Transporte activo: intervienen sistemas enzimáticos, además de un gasto de

energía.

La fluidez de la membrana o movimiento de diversos componentes ocurre en el seno de ésta. Los

ácidos grasos no saturados de cadena corta aumentan la fluidez debido al movimiento de rotación de

los enlaces C=C. Los ácidos grasos no saturados de cadena larga y el colesterol, disminuyen la fluidez

de la membrana (Banks, 1998).

En los tejidos animales, las células segregan proteínas y carbohidratos que forman la matriz

extracelular, un material gelatinoso que une a las células y a los tejidos (McKee y McKee, 2003).

Núcleo

Es el centro de control del crecimiento y la reproducción celular. Según la naturaleza de su núcleo, los

organismos vivos consisten en dos clases principales que son procariotes (no tienen núcleo bien

definido) y eucariotes que tienen un núcleo bien definido rodeado por una membrana nuclear. Los

animales, plantas y protistas están formados por células eucariotas, mientras que los protistas son

organismos unicelulares que incluyen a las algas, hongos, levaduras y protozoarios (Roskoski, 2001).

Controla la actividad celular mediante la información codificada en las moléculas de su DNA que es el

fundamento de todas las características de la célula, ya que todos los núcleos celulares de determinado

animal, tienen la misma información genética (Banks, 1998). Las células especializadas muestran la

expresión diferencial de la información genética por medio de represión o liberación de loci de genes

específicos (Banks, 1998).

Las células contienen un núcleo o un cuerpo nuclear que contienen al material genético de la célula y

están compuestos de DNA en un 35 % de la masa del núcleo, un 60 % de proteínas específicas y 5 %

de RNA (Roskoski, 2001).

El núcleo está formado por un nucleoplasma rodeado de una envoltura nuclear. El nucleoplasma es

abundante en DNA en el que las proteínas denominadas láminas, forman una red fibrosa que da soporte

estructural. El nucleoplasma tiene una red de fibras de cromatina de DNA e histonas.

Las características generales del núcleo son:

a. Forma: masa esférica u ovoide. La morfología del núcleo varía según la forma celular. Algunas

células tienen el núcleo redondo, otras alargado, forma de luna menguante, etc.

b. Talla: la talla es proporcional a la de la célula, ocupa poco menos de una cuarta parte de la superficie

celular. El tamaño varía con el estado de diferenciación y actividad fisiológica de la célula. Sin

embargo, en algunas células el núcleo puede ser la única característica sobresaliente, ya que células

escamosas o estrelladas tienen pequeñas cantidades de citoplasma.


33

c. Número: normalmente cada célula contiene no más de un núcleo (mononucleadas), aunque algunas

son binucleadas y otras multinucleadas. Por ejemplo, los eritrocitos de mamífero son anucleados,

mientras los de aves sí tienen núcleo. Las células musculares estriadas son multinucleadas (Banks,

1998).

Las formaciones estructurales del núcleo son (Figura 1.58):

Figura 1.58. Estructura nuclear


a.- Membrana nuclear o envoltura nuclear: esta provista por numerosos poros nucleares (Figura

1.59). Existe la membrana nuclear interna y la externa, cada una de ellas mide 7.5 nm de espesor y

están separadas entre sí por un espacio perinuclear o cisterna cuya amplitud es de 40-70 nm. El espacio

perinuclear y su membrana externa se continúan con el retículo endoplásmico rugoso. A menudo, los

ribosomas se encuentran adheridos a la membrana nuclear externa. El retículo endoplásmico rugoso

forma la envoltura nuclear. Las membranas nucleares interna y externa son discontinuas. Los puntos no

continuos o de fusión entre estas membranas son los poros nucleares que miden 70 nm de diámetro por

los que pasan proteínas al interior y sale RNA. La célula típica tiene de 3000 a 4000 poros (Banks,

1998).

Figura 1.59. Núcleo celular



34

En la Figura 1.60 se muestra parte del núcleo y del retículo endoplásmico rugoso. Los ribosomas se

encuentran sobre la membrana nuclear externa.

Figura 1.60. Núcleo y retículo endoplásmico rugoso

Fuente: Banks (1998)

b.- Matriz: la membrana de revestimiento encierra la matriz nuclear que es la sustancia fundamental

del núcleo. Este jugo nuclear o cariolinfa constituye el medio disuelto del material nuclear.

c.- Cromatina : se encuentra dentro del núcleo suspendida en la matriz nuclear. Cromatina es

cualquier área del núcleo que contenga DNA.

d.- Nucléolo: pueden observarse uno o varios. Constituido principalmente por RNA. Es un cuerpo

intranuclear y tiene formas variadas. Se encuentra separado de la membrana nuclear (Banks, 1998).

Los principales componentes nucleares son ácidos nucleicos, proteínas, lípidos, sales de Mg, de Ca, de

Fe, de Co, de Zn y agua (De Robertis e Hib, 2001).

Retículo endoplasmático o endoplásmico

Es un sistema de túbulos, vesículas y grandes sacos planos membranosos interconectados (Figura

1.61). Las láminas continuas de membranas de retículo endoplásmico plegadas repetidamente encierran

un espacio interno denominado luz del retículo endoplásmico y dicho compartimiento se denomina

espacio de las cisternas y está separado del citoplasma por la membrana del retículo endoplásmico.

Existen dos formas de retículo endoplásmico que son el retículo endoplásmico rugoso (RER) y retículo

endoplásmico liso (REL). El RER participa en la síntesis de proteínas de las membranas y las proteínas

que va a exportar la célula, tiene numerosos ribosomas en la superficie citoplásmica, se presenta en

células con actividad intensa de síntesis de proteína principalmente. El REL carece de ribosomas

unidos. Las membranas del REL se continúan con las del RER. El REL sintetiza y transporta

glucógeno y lípidos y biotranforma las moléculas orgánicas insolubles en agua (McKee y McKee,

2003), almacena y transporta iones (Banks, 1998). El REL está muy desarrollado en células hepáticas.

Las proteínas sintetizadas, atraviesan las membranas y se acumulan en las cisternas del RE. Luego son

transportadas por el RE de una zona celular a otra, sin entrar en contacto con el citoplasma. Las

proteínas que han transitado por el RE se concentran, se modifican y se asocian a otras sustancias en

los sáculos golgianos. El producto elaborado se embala dentro de una membrana de origen golgiano

que permite su transito por el citoplasma (De Robertis e Hib, 2001). Los ribosomas del citoplasma de


35

las eucariotas son complejos de RNA y proteínas con un diámetro de 20 nm, cuya función es la

biosíntesis de proteínas, formados por rRNA.

Figura 1.61. Retículo Endoplásmico


Composición química del RE:

1.- Membranas: - lipoproteínas (35 %)

- proteínas (60 %) numerosas enzimas

2.- Ribosomas: RNA y proteínas

3.- Canales y reservorios: numerosas enzimas (fosfatasas) (De Robertis e Hib, 2001).

Aparato o complejo de Golgi

Descrito en 1898 por vez primera, está formado por vesículas membranosas en forma de saco,

relativamente grandes y aplanadas que se parecen a una pila de platos (Figura 1.62). En los vegetales es

llamado dictiosoma. Participa en el empaquetamiento y la distribución de los productos celulares hacia

los compartimientos interno y externo.

Tiene dos caras: la lámina o cisterna (situada más cerca del RE y está en la cara formadora o cis, ya que

la que está en la cara maduradora o trans está habitualmente cerca de la porción de la membrana

plasmática de la célula que actúa en la secreción). Sobresalen del RE (Figura 1.63) y se funden con la

membrana cis del Golgi pequeñas vesículas membranosas que contienen proteínas y lípidos recién

sintetizados. Dichas moléculas se transportan desde un saco del Golgi al siguiente por vesículas, donde

son procesadas por enzimas. Una vez que alcanzan los productos, la cara trans se dirige a otras partes

de la célula. Los productos de secreción, como las enzimas digestivas o las hormonas, se concentran

dentro de vesículas secretoras o gránulos secretores que sobresalen de la cara trans. Los gránulos

secretores se almacenan en el citoplasma hasta que se estimula su secreción por el proceso de

exocitosis (Figura 1.64) en el que se fusionan los gránulos unidos a la membrana citoplasmática con

dicha membrana, luego se libera al espacio extracelular el contenido de los gránulos (McKee y McKee,

2003).


36

Figura 1.62. Aparato de Golgi


Figura 1.63. Relación del aparato de Golgi y el RER


En el proceso de exocitosis, las proteínas producidas en el RE se procesan en el aparato de Golgi y se

empaquetan en vesículas que migran a la membrana plasmática y emergen con ésta (McKee y McKee,

2003).

Las membranas del aparato de Golgi están en constante recambio. Por medio de la incorporación de

vesículas de transporte, nuevas membranas se suman y las membranas viejas se pierden en la superficie

madura a través de vesículas de secreción (Banks, 1998). Las membranas de aparato de Golgi catalizan


37

la transferencia de precursores glucídicos o lipídicos a las proteínas para sintetizar glucoproteínas o

lipoproteínas. El aparato de Golgi es el principal sitio de formación de nuevas membranas (Maillet,

2002).

Figura 1.64. Proceso de exocitosis


Lisosomas

Son orgánulos esféricos con forma de saco y un diámetro de 500 nm. Se encuentran rodeados por una

membrana única. Contienen gránulos que son agregados de enzimas digestivas proteicas llamadas

hidrolasas ácidas, ya que actúan mejor en medios ácidos y utilizan las moléculas de agua para escindir

las moléculas grandes en fragmentos (Figura 1.65).

Actúan en la digestión intracelular y extracelular. Son capaces de degradar la mayor parte de las

biomoléculas. Los lisosomas participan en la vida celular de la siguiente manera: mediante la digestión


38

de las moléculas del alimento y otras sustancias captadas por endocitosis (Figura 1.66), mediante la

digestión de los componentes celulares gastados e innecesarios y mediante la degradación del material

extracelular (McKee y McKee, 2003).

Figura 1.65. Lisosomas


La membrana lisosómica tiene determinadas proteínas que transportan protones a través de la

membrana, creando el medio ácido que se requiere dentro de los lisosomas. En determinadas

circunstancias las enzimas lisosómicas se escapan a otras partes de la célula (McKee y McKee, 2003).

La membrana lisosómica es una barrera eficaz que protege a la célula de las enzimas lisosómicas, pero

en ocasiones se puede romper, en cuyo caso las enzimas liberadas actuarían sobre su sustrato y la célula

sería completamente destruida (Maillet, 2002).

La función de los lisosomas tiene características comunes en varios tejidos, difieren sus funciones

específicas. Por ejemplo, los macrófagos tienen lisosomas que degradan las células dañadas o las

sustancias extrañas del cuerpo de los animales, los osteoclastos segregan lisosomas que trabajan en la

resorción del remodelado óseo. A continuación se explica el proceso de endocitosis (Figura 1.67)

mediada por el receptor: las sustancias extracelulares pueden entrar en la célula durante la endocitosis,

un proceso en el que las moléculas receptoras de la membrana plasmática se unen a moléculas

específicas o complejos moleculares denominados ligandos. Las regiones especializadas de la

membrana plasmática, denominasas hoyos recubiertos, se invaginan progresivamente para formar

vesículas cerradas. Tras eliminarse las proteínas de la cubierta, la vesícula se fusiona con un endosoma

precoz, el precurso de los lisosomas. Las proteínas de la cubierta se reciclan hacia la membrana

plasmática. Durante la maduración del endosoma aumenta la concentración de protones y se liberan los

ligandos de sus receptores que a continuación se reciclan también al volver a la membrana plasmática.

Al continuar la maduración del endosoma, el aparato de Golgi proporciona las hidrolasas lisosómicas.

La formación del lisosoma se completa cuando se han transferido todas las hidrolasas al endosoma

tardío y se ha reciclado la membrana de Golgi de nuevo al aparato de Golgi (McKee y McKee, 2003).


39

Figura 1.66. Endocitosis


La composición química de los lisosomas es la siguiente:

A. Membrana proteínas, fosfolípidos y polisacáridos.

B. Contenido colección de poderosas enzimas líticas (más de 50 enzimas diferentes) que

operan generalmente en medio ácido (pH de 3-6). Ej.: fosfatasas, lipasas, glucosidasas,

proteasas, ribonucleasas y desoxiribonucleasas (De Robertir e Hib, 2001).

Figura 1.67. Acontecimientos iniciales de la endocitosis tomadas con microscopía electrónica



40

Mitocondrias

El metabolismo aerobio que es el mecanismo por el cual la energía del enlace químico de las

moléculas de alimento se captura y utiliza para impulsar la síntesis dependiente del oxígeno de la

adenosina trifosfato (ATP), la molécula de almacenamiento de energía de las células, tiene lugar dentro

de las mitocondrias (McKee y McKee, 2003).

La mitocondria está ausente en los procariotas y es un orgánulo limitado por una pared de doble

membrana. A partir de la fosforilación del ADP, transforma la energía liberada por el catabolismo

aerobio de distintos nutrientes en ATP, reacción durante la cual se produce H2O y CO2. Produce la

mayor parte de la energía necesaria para el desarrollo normal de las distintas funciones celulares. Otro

orgánulo, el peroxisoma, también produce energía por catabolismo oxidativo, pero en forma de calor.

La mitocondria interviene, junto con el REL, en la síntesis de esteroides y de fosfolípidos (Maillet,

2002).

Cada mitocondria está rodeada por dos membranas (Figura 1.68). La membrana externa es lisa y

relativamente porosa, mide 7 nm de grosor. La membrana interna mide casi 8 nm de grosor (Banks,

1998), es impermeable a los iones y a diversas moléculas orgánicas, se proyecta hacia el interior en

pliegues denominados crestas. En la membrana interna están integradas estructuras formadas por

complejos moleculares denominados ensamblajes respiratorios que son responsables de la síntesis de

ATP. En las mitocondrias también hay proteínas que transportan moléculas e iones específicos.

Juntas ambas membranas crean dos compartimientos separados que son el espacio intermembrana y la

matriz. El espacio intermembrana contiene varias enzimas que participan en el metabolismo de los

nucleótidos, mientras que la matriz, gelatinosa, está formada por una concentración elevada de enzimas

e iones y moléculas orgánicas pequeñas. La matriz contiene varias moléculas de DNA circular y todos

los componentes que se requieren para la síntesis de proteínas. Las mitocondrias son capaces de una

fisión independiente y el número de mitocondrias por célula varía de la actividad de la célula.

La forma de las mitocondrias varía según las diferentes especies y tipos celulares, según el estado

fisiológico de la célula (McKee y McKee, 2003).

Figura 1.68. Esquema de una mitocondria



41

2. El agua y sus propiedades

2.1. Importancia del agua dentro de la función celular

La vida se inició en el agua hace alrededor de 3000 millones de años y sigue existiendo gracias a ella.

En los seres vivos, la principal función del agua es brindar un sistema líquido en el que puedan

realizarse los procesos fisicoquímicos vitales: es el disolvente del estado vivo (Bohinski, 1998).

El agua es el medio de transporte de nutrimentos, hormonas, metabolitos y participa en la catálisis

enzimática y en los procesos relacionados con la transferencia de energía química (Hicks, 2003).

El contenido de agua de un organismo está en relación con la edad y con la actividad metabólica; es

mayor en el embrión (80% - 90%) y menor progresivamente en el adulto (cerca del 60% del peso)

(DiBartola, 1992; Murray et al., 2001). El agua total del cuerpo se distribuye en dos principales

compartimientos líquidos: líquido intracelular (LIC) y líquido extracelular (LEC) (Figura 2.1). El LIC

se encuentra dentro de las células y constituye dos terceras partes del agua total corporal; el LEC está

fuera de las células y representa un tercio del agua corporal total. El LIC y el LEC están separados por

las membranas celulares (Costanzo, 1999). El LEC está en constante movimiento en todo el cuerpo, es

transportado rápidamente en la sangre circulante, y mezclado después entre la sangre y los líquidos

tisulares mediante difusión a través de las paredes capilares (Guyton y Hall, 2002).

El LEC se puede dividir además en dos compartimientos: plasma y líquido intersticial. El plasma es el

líquido circulante en los vasos sanguíneos y es el más pequeño de los dos subcompartimientos del

LEC. El líquido intersticial es el que realmente baña a las células. El plasma y líquido intersticial están

separados por la pared de los capilares (Costanzo, 1999).

En el líquido extracelular se encuentran los iones y nutrientes que necesitan las células para mantener

la vida celular. Por tal motivo, todas las células viven esencialmente en el mismo medio, el líquido

extracelular.

Las células son capaces de vivir, crecer y desarrollar sus funciones especiales en tanto dispongan de

las concentraciones correctas de oxígeno, glucosa, diferentes iones, aminoácidos, sustancias grasas y

otros constituyentes en el medio interno (Guyton y Hall, 2002).

A continuación se describirán algunas de las funciones del agua:

- Las moléculas polares presentes en las células vivas, existen y reaccionan principalmente en

un ambiente acuoso.

- Solubiliza y modifica las propiedades de las biomoléculas como ácidos nucleicos, proteínas y

carbohidratos, al formar enlaces de hidrógeno con los grupos polares funcionales de dichas

biomoléculas.

- El agua constituye el principal producto final del metabolismo oxidativo de los alimentos.

- Sirve como reactante y como producto en muchas reacciones metabólicas.

- La homeostasis, el mantenimiento de la composición del ambiente interno que es esencial

para la salud, incluye considerar la distribución del agua en el cuerpo, así como el

mantenimiento de un pH y concentraciones de electrolitos adecuados.


42

Figura 2.1. Regulación y compartimientos de los líquidos corporales

y las membranas que los separan

Fuente: Modificado de Guyton y Hall (2002)

Los organismos vivos se han adaptado efectivamente a su entorno acuoso y han desarrollado métodos

para aprovechar las propiedades del agua. El elevado calor específico del agua resulta útil para los

grandes animales terrestres, porque el agua de su organismo actúa como un amortiguador térmico y

permite que la temperatura del mismo permanezca relativamente constante aunque varíe la temperatura

ambiente. El elevado calor de vaporización del agua, debido a los puentes de hidrógeno, constituye el

medio eficaz por el que los vertebrados pierden gran parte del calor, generado durante el metabolismo,

por evaporación del sudor a través de los poros de la piel. En su punto de ebullición (100º C a 1 atm de

presión) se necesitan 540 calorías para convertir un gramo de agua líquida en vapor, casi 60 veces más

que lo necesario para el éter y casi el doble de lo necesario para el amoníaco. La vaporización ocurre

porque parte de las moléculas que se mueven muy rápidamente en un líquido abandonan su superficie y

pasan al aire. El elevado grado de cohesión interna del agua líquida, a causa de los enlaces de

hidrógeno, es explotado por la plantas superiores para el transporte de los elementos nutritivos en

disolución, desde las raíces hasta las hojas, durante el proceso de transpiración (Lehninger, 1983;

Curtis y Barnes, 2001).

Así, el agua es el solvente natural para los iones minerales y otras sustancias y es el medio de

dispersión para la estructura coloidal del citoplasma. Los procesos fisiológicos se llevan a cabo

exclusivamente en medio acuoso. A través del agua se eliminan sustancias, ya sea a través de la

sudoración, moco, lágrimas, eructo, respiración u orina. El agua interviene en la absorción de calor,

evitando cambios drásticos de temperatura en la célula (Murray et al., 2001).

El contenido de agua de la célula está formado por una fracción libre y otra ligada:


43

- El agua libre representa el 95% del agua total y es la parte usada principalmente como

solvente para los solutos y como medio de dispersión del sistema coloidal del citoplasma.

- El agua ligada representa sólo el 4 - 5% y es la que está unida laxamente a la proteína por

uniones de hidrogeno (De Robertis e Hib, 2001).

2.2. Características químicas y físicas del agua

El agua es un compuesto formado por 2 átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, que en estado puro se

encuentra polimerizado, ya que las moléculas se unen entre sí mediante enlaces de hidrógeno (García,

1993).

La estructura tridimensional de la molécula del agua es un tetraedro irregular con el oxígeno en el

centro (Figura 2.2). Los dos enlaces con el hidrógeno se dirigen hacia las dos esquinas del tetraedro y

los electrones no compartidos comparten las esquinas restantes. El ángulo entre los dos átomos de

hidrógeno es de 105º que es un poco menor que el de un tetraedro que es de 109.5º, lo que da origen a

un tetraedro ligeramente asimétrico (Figura 2.3) (Murray et al., 2001).

Figura 2.2. Modelo espacial compacto de la molécula del agua

Fuente: Modificado de Hicks (2003) y McKee y McKee (2003)

En la naturaleza el agua se encuentra en tres estados físicos: líquido, sólido y gaseoso. En el Cuadro

2.1 se muestran algunas constantes físicas del agua y se comparan con las del heptano.

Figura 2.3. Estructura de la molécula del agua



44

Cuadro 2.1. Principales constantes físicas del agua y del heptano

Constante Valor del

agua

Valor del

heptano

Punto de ebullición (oC a 1 atm) 100 98.4

Calor de fusión (kcal/l) 79 34

Calor específico (cal/g ºC) 1 0.49

Densidad a 25 ºC (g/ml) 0.997 0.684

Tensión superficial (dinas/cm a 20 ºC) 72.76 19.2

Calor de vaporización (cal/g) 540 76

(Devore y Mena, 1978; Rakoff y Rose, 1985; Pontón, 1986)

Otras constantes físicas del agua son: peso molecular de 18.016 g/mol, punto de congelación de 0o

C a

1 atm, densidad a 4 ºC de 1 g/ml, densidad a 0 ºC de 0.9998 g/ml, índice de refracción relativo al aire a

20º C de 1.333, velocidad del sonido de 1496.3 m/s a 25 ºC, coeficiente de dilatación de 0.018 (Atkins,

1986; Pontón, 1986).

El punto de ebullición lo describe Hicks (2003) como la temperatura en que cualquier sustancia líquida

cambia al estado de vapor. El punto de ebullición de los alcanos simples aumenta de manera gradual al

aumentar el número de átomos de carbono, en tanto que los puntos de fusión no aumentan en forma tan

regular. La magnitud de las fuerzas de van der Waals entre las moléculas aumenta al aumentar su

superficie, así entre moléculas compactas las fuerzas de Van der Waals son menores que entre las

moléculas alargadas del mismo número de átomos de carbono y por ende, los puntos de ebullición de

las moléculas más compactas son menores. Los alcanos no son polares y por tal no son solubles en

agua y tienen una densidad menor que la del agua. Los alcanos son inodoros (Rakoff y Rose, 1985).

El calor de fusión de un sólido cristalino es la cantidad de calor requerida para fundir una unidad de

masa (o peso) del sólido a temperatura constante, lo que es igual a la cantidad de calor emitido por la

unidad de masa del sólido fundido cuando se cristaliza a la misma temperatura (Bueche, 1982).

El agua congelada presenta un efecto acumulativo de muchos enlaces de hidrógeno y tienen una

forma de estructura abierta, formando huecos en su interior. Por su estructura abierta, el agua al

congelarse se expande como se muestra en la Figura 2.4 (Hicks, 2003).

Figura 2.4. Esquema de las moléculas de agua congelada (hielo) y líquida

Fuente: Timberlake (1997)


45

El calor específico es la cantidad de calor necesaria para incrementar la temperatura 1º C de 1 gramo

de agua, por ejemplo de 14.5 a 15.5º C (Hicks, 2003).

La densidad (δ) de un material es la masa por unidad de volumen del material, es decir: δ= masa del

cuerpo/volumen del cuerpo= m/V. La unidad del sistema internacional para la densidad es kg/m3 ó

g/cm3 (Bueche, 1982).

Las fuerzas de atracción de las moléculas del agua líquida se dirigen también en todas direcciones,

pero en la superficie del líquido sólo subsisten las fuerzas laterales y hacia abajo. Dado que la

superficie es distinta (atmósfera), las moléculas se aglutinan más estrechamente en la superficie,

constituyendo una especie de membrana muy delgada, que incluso soporta el peso de algunos insectos

o polvo que son más densos que el agua, sin romper la interfase. A este fenómeno se le denomina

tensión superficial del agua como se muestra en la Figura 2.5 (Hicks, 2003).

Para que una molécula de agua se separe de las moléculas vecinas, o sea, que se evapore, deben

romperse los puentes de hidrógeno, lo que requiere energía térmica. En consecuencia, cuando el agua

se evapora, por ejemplo, de la superficie de la piel, las moléculas que escapan llevan consigo calor. Así,

la evaporación tiene un efecto refrigerante (Curtis y Barnes, 2001). El calor de vaporización o calor

latente de vaporización se define como la cantidad de calor que se ha de proporcionar a 1 g de líquido

para transformarlo en vapor, a su temperatura de ebullición. El calor latente de vaporización del agua es

mayor que el que se requiere para vaporizar un volumen igual de cualquier otro disolvente (Jiménez y

Macarulla, 1984).

Figura 2.5. Tensión superficial del agua


Los compuestos que contienen regiones polares (cargadas) y no polares se denominan anfifílicos o

anfipáticos. Cuando una molécula con estas características se mezcla con agua, las dos regiones de la

sustancia presentan tendencias conflictivas, el extremo polar tiende a interactuar con el solvente

favorablemente, mientras la región hidrófoba, no (Figura 2.6) (Hicks, 2003).

Las regiones no polares se agrupan juntas, exponiendo la mínima área hidrófoba al solvente, mientras

que las hidrofílicas tienen un arreglo que maximiza su interacción con el solvente acuoso. Estas

estructuras estables se denominan miscelas (Figura 2.7) y pueden ser miles en una solución. Las

fuerzas que mantienen unidas las regiones no polares se denominan interacciones hidrófobas o

hidrofílicas. En las miscelas, todos los extremos polares de las moléculas anfifílicas se orientan hacia el

agua, con la que interactúan, mientras que los extremos hidrófobos se dirigen hacia el interior de la

miscela (Hicks, 2003).


46

Figura 2.6. Interacción anfifílica


Figura 2.7. Formación de miscelas

Fuente: Modificado de McKee y McKee (2003)

2.3. Importancia de los puentes de hidrógeno dentro de la estructura

de las moléculas orgánicas

El agua presenta enlaces de hidrógeno, donde la acción electrostática recíproca entre el núcleo de

hidrógeno de una molécula de agua y el par de electrones no compartidos de otra, se llama enlace de

hidrógeno. Cada molécula de agua es capaz de unirse hasta con 4 moléculas de agua vecinas.

Los puentes de hidrógeno son principalmente interacciones electrostáticas. La electronegatividad del

átomo al cual el hidrógeno está unido covalentemente separa la densidad electrónica del átomo de

hidrógeno, de forma que éste desarrolla una carga positiva parcial (δ+). Por tanto, puede interactuar con

un átomo que tenga una carga negativa parcial (δ ) a través de una interacción electrostática (Figura

2.8).


47

Los puentes de hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces covalentes, son más largos que los

enlaces covalentes, sin embargo, los enlaces de hidrógeno más fuertes tienen tendencia a ser lineales,

de tal forma que el donador de hidrógeno, el átomo de hidrógeno y el aceptor se encuentran en línea

recta (Stryer et al., 2003).

Figura 2.8. Puentes de hidrógeno entre moléculas de agua


En términos generales, un puente de hidrógeno puede generarse cuando un átomo de hidrógeno unido

de manera covalente a un oxígeno, a un nitrógeno o a un azufre, se halla a una distancia de 0.27 a 0.30

nm de otro átomo de oxígeno, nitrógeno o azufre, que posee un par de electrones sin compartir. Los

enlaces intermoleculares e intramoleculares son comunes en las biomoléculas, los cuales se forman con

mucha frecuencia mediante enlaces de hidrógeno. La estabilidad de ambos tipos de moléculas es muy

similar, por ejemplo, la estabilidad entre dos moléculas de agua y una proteína (intermolecular), donde

intervienen los grupos C=O e H-N. Como diversos grupos funcionales producen puentes de hidrógeno

con el agua, dichos puentes de hidrógeno participan en uniones entre biomoléculas que expongan de

manera accesible estos grupos (Figura 2.9) (Hicks, 2003).

Figura 2.9. Tipos de enlaces de hidrógeno con diversos grupos funcionales


Los puentes de hidrógeno son interacciones relativamente débiles, sin embargo, resultan cruciales para

las macromoléculas biológicas como el DNA (Figura 2.10) y las proteínas, ya que se presentan en

diversos grupos funcionales. Estas interacciones también son responsables de muchas de las

propiedades que hacen del agua un disolvente tan especial. El átomo de hidrógeno en un puente de

hidrógeno está parcialmente compartido entre dos átomos relativamente electronegativos, tales como el

oxígeno o nitrógeno (Figura 2.11). El donador o dador del enlace de hidrógeno es el grupo que incluye


48

tanto al átomo al que el hidrógeno está más estrechamente unido como al propio átomo de hidrógeno,

mientras que el aceptor del enlace de hidrógeno es el átomo menos estrechamente unido al átomo de

hidrógeno (Stryer et al., 2003).

Figura 2.10. Enlaces de hidrógeno entre el par de bases complementarias

del DNA, guanina y citosina


Figura 2.11. Enlaces de hidrógeno


Debido a la polaridad y a la capacidad para establecer puentes de hidrógeno, el agua interacciona

rápidamente con los solutos polares, disminuyendo las interacciones electrostáticas y el número de los

enlaces de hidrógeno entre las moléculas del soluto. Por ejemplo, cuando el cloruro de sodio se mezcla

con agua, las fuerzas que mantienen al cristal se debilitan y el sólido iónico se disuelve (Figura 2.12).

Cada ion Na+ y Cl

- al escapar de la celda cristalina se rodea de agua (esfera de solvatación). El sodio se

rodea de cinco moléculas de agua (el potasio, por ejemplo, se rodea de tres). El sodio retiene más agua

porque tiene mayor poder de solvatación (Hicks, 2003; McKee y McKee, 2003).


49

Figura 2.12. Iones hidratados


Los solutos polares o iónicos como el cloruro de sodio (NaCl), el ácido clorhídrico (HCl) y la sacarosa

forman soluciones con disolventes polares (Figura 2.13), mientras que los solutos no polares como el

aceite forman soluciones con disolventes no polares (Timberlake, 1997).

Figura 2.13. Solución de azúcar


2.4. Disociación del agua y moléculas orgánicas (ácidos y bases débiles)

y concepto de pK

El agua al disociarse produce hidrogenión (H+) y oxhidrilo (OH

-). Al igual que todas las reacciones

reversibles, la ionización del agua puede describirse como una constante de equilibrio. Cuando los

ácidos o bases débiles se disuelven en agua, pueden donar protones, en el caso de los primeros, y

capturarlos en caso de las segundas, dicho proceso también se gobierna por constantes de equilibrio. La

concentración total de iones hidrógeno se expresa como el pH de la solución.


50

Las moléculas de agua tienen una ligera tendencia a ionizarse reversiblemente, produciendo un ion

hidrogenión y un oxhidrilo (H2O ↔ H+ + OH

-) (Hicks, 2003).

Generalmente se considera que el agua es un no electrólito que sólo contiene moléculas de agua. Sin

embargo, si se efectúan mediciones cuidadosas se observa que algunas moléculas de agua pura (una

por cada 10 millones) forman iones a 25º C. Cuando el agua se ioniza, se transfiere un protón de una

molécula de agua a otra para producir un ion hidronio (H3O+) y un ion hidroxilo (OH

-) (Figura 2.14)

(Timberlake, 1997).

Figura 2.14. Transferencia de hidrógeno


La ecuación de ionización del agua se puede escribir para dos moléculas de agua como lo describe

Timberlake (1997):

y simplificando la reacción anterior obtenemos:

Debido a que la ionización reversible del agua es crucial en la función celular, se expresan las

propiedades de ionización del agua en términos cuantitativos. La posición de equilibrio de cualquier

reacción química se proporciona por su constante de equilibrio.

Para la siguiente reacción generalizada:

A+B C+D una constante de equilibrio puede definirse en términos de las concentraciones de reactantes (A y B) y

productos (C y D) presentes en el equilibrio (Hicks, 2003), como sigue:

Keq = [C][D] / [A][B]

La constante de equilibrio es fija y característica para cualquier tipo de reacción química a una

temperatura específica. Define la composición de la mezcla de la reacción en el equilibrio final, sin

considerar las concentraciones iniciales de reactantes y productos. A la inversa, se puede calcular la

constante de equilibrio para una reacción y una temperatura dadas, si las concentraciones de equilibrio

de todos los reactantes y productos se conocen (Hicks, 2003). La fórmula de la constante de equilibrio

para la ionización reversible del agua es la siguiente:

Keq = [H+][OH

-] / [H2O]


51

En agua pura a 25º C, la concentración de agua es de 55.5 M (gramos de agua en 1 litro, dividido entre

el peso molecular del agua en gramos, ya que 1 mol de agua pesa 18 g, es decir, 1000/ 18 = 55.5 molar

ó 55.5 M) según Murray et al. (2001), y es en esencia constante en relación con la muy pequeña

concentración de (H+) y oxhidrilo (OH

-), que es de 1 x 10

-7 M. Sustituyendo 55.5 M en la expresión de

la constante de equilibrio se tiene lo siguiente:

Keq = [H+][OH

-] / 55.5 M

Arreglando se tiene lo siguiente:

(55.5 M)(Keq) = [H+][OH

-]=Kw

Donde Kw es el producto iónico del agua a 25º C. El valor de Keq se ha calculado por la medición de

la conductividad eléctrica del agua pura (en el agua pura sólo los iones producidos por el agua pueden

conducir la corriente eléctrica), y se ha obtenido un valor de 1.8 x 10 -16

M a 15º C, pudiendo sustituir

este valor en la fórmula anterior:

(55.5M)(1.8 x 10-16

M) = [H+][OH

-]

99.9 x 10-16

M2 = [H

+][OH

-]

1.0 x 10-14

M2 = [H

+][OH

-] = Kw

Teniendo en cuenta que el producto [ H+ ][ OH

-] en solución acuosa a 25º C es siempre igual a 1 x

10-14

M2, donde hay una concentración exactamente igual de H

+ y OH

-, es posible reforzar el concepto

de que el agua representa un pH neutro. A este pH, la concentración de H+ y OH

- puede calcularse a

partir del producto iónico del agua:

Kw = [H+][OH

-] = [H

+]

2

Despejando [H+] de la fórmula anterior, se obtiene:

[H+] = √ Kw = √1 x 10

-14 M

2

[H+] = [OH

-] = 1 x 10

-7 M

Como el producto iónico del agua es constante, en ocasiones en que la concentración de iones H+ es

mayor de 1 x 10-7

M, la concentración de OH- debe ser menor de 1 x 10

-7 M y viceversa. Cuando el

valor de H+ es muy alto, como en una solución de ácido clorhídrico, el valor de OH

- debe ser muy

pequeño. A partir del producto iónico se puede calcular la concentración de H+ si se conoce la

concentración de OH- (Hicks, 2003).

Esto significa que el producto de [H+] y [OH

-] en cualquier disolución de agua a 25º C es siempre 1 x

10-14

. Como [H+] es igual a [OH

-] cuando se disocia el agua pura, tenemos que [H

+] = [OH

-] = 1x10

-7

M. Así, la concentración de ion hidrógeno en agua pura es igual a 1 x 10-7

M.

El ion hidrógeno es uno de los iones más importantes en los sistemas biológicos. La concentración de

este ion afecta a la mayoría de los procesos celulares y del organismo. Por ejemplo, la estructura y

función de las proteínas, y las velocidades de la mayoría de las reacciones bioquímicas están muy


52

afectadas por la concentración del ion hidrógeno. Además, el ion hidrógeno desempeña un papel

fundamental en procesos como la generación de energía y la endocitosis (McKee y McKee, 2003).

Muchas biomoléculas poseen propiedades ácidas o básicas. Un ácido puede definirse como un donador

de iones hidrógeno, y una base como un aceptor de iones hidrógeno (Del Cañizo, 2007). Los ácidos

fuertes como el HCl (ácido clorhídrico) y bases fuertes como NaOH (hidróxido de sodio) se ionizan

casi completamente en agua (McKee y McKee, 2003).

Ácido: HCl H+

+ Cl-

Base: NaOH Na+ + OH

-

Sin embargo, muchos ácidos y bases no se disocian completamente. Los ácidos orgánicos

(compuestos con grupo carboxilo) no se disocian completamente en agua, y se denominan ácidos

débiles. Las bases orgánicas poseen una capacidad pequeña, aunque mensurable, para combinarse con

los iones hidrógeno. Muchas bases débiles comunes contienen grupos amino.

La siguiente reacción describe la disociación de un ácido orgánico:

HA H+ + A

-

Ácido débil Base conjugada de HA

El producto desprotonado de la reacción de disociación se denomina base conjugada. Por ejemplo, al

ácido acético (CH3COOH) se disocia para formar la base conjugada acetato (CH3COO-) (McKee y

McKee, 2003).

La fuerza de un ácido débil (es decir, su capacidad para liberar iones hidrógeno) puede determinarse

utilizando la siguiente expresión:

Keq = [H+][A

-] / [HA]

La potencia relativa de los ácidos y bases débiles, se expresa de manera cuantitativa como su constante

de disociación (K), la cuál expresa su tendencia a ionizar. Keq es la constante de disociación del ácido.

Cuanto mayor es el valor de Keq, el ácido es más fuerte. Como los valores numéricos para los ácidos

débiles son exponentes negativos, conviene expresar K como pK, donde:

pK= - logK

El pK se relaciona con la K, como el pH se relaciona con la concentración del H+.

Cuando las variantes asociadas (protonada) y disociada (base conjugada) se presentan en

concentraciones iguales, la concentración prevalente del ion hidrógeno [H+] es numéricamente igual a

la constante de disociación, K. Si se toman los logaritmos en ambos lados de ecuaciones (como K =

[H+]) y se multiplica por -1, la expresión queda:

-log K=-log[H+]


53

Toda vez que el logaritmo negativo (-log) de K se define como pK, y el logaritmo negativo (-log) de

[H+] define al pH, es posible escribir la ecuación:

pK = pH

Lo anterior expresa que el pK de un grupo ácido o básico corresponde al pH al cual las variantes

protonada y no protonada se presentan con iguales concentraciones (Murray et al., 2001).

Cuanto menor es el pKa más fuerte es el ácido y cuanto mayor es el pKb más fuerte es la base (McKee

y McKee, 2003). En el Cuadro 2.2 se muestran los valores de las constantes de disociación y los pKa y

pKb de varios ácidos y bases débiles comunes

Cuadro 2.2. Valores de las constantes de disociación y los pKa y pKb de varios

ácidos y bases débiles comunes

Ácidos Estructura ácida

HA

Estructura básica

A-

Constante de

disociación

Ka (M)

pKa

Ácido acético CH3COOH CH3COO- 1.76x10

-5 4.76

Ácido carbónico H2CO3 HCO3- 4.3 x10

-7 6.37

Bicarbonato HCO3- CO3

2- 5.61 x10

-11 10.25

Ácido fosfórico H3PO4 H2PO4- 7.25 x10

-3 2.14

Fosfato diácido H2PO4- HPO4

-2 6.31 x10

-8 7.20

Bases Estructura ácida

HA

Estructura básica

A-

Constante de

disociación

Kb (M)

pKb

Amoniaco NH4+ NH3 5.5 x10

-10 9.26

Metilamina CH3 - NH3+ CH3 – NH2 2.3 x10

-11 10.64

Dimetilamina (CH3)2- NH2+ (CH3)2- NH 1.9 x10

-11 10.72

Trimetilamina (CH3)3 - NH+ (CH3)3 – N 1.8 x10

-10 9.74

Anilina C6H5NH3+ C6H5NH2 2.6 x10

-5 4.58

Piridina C5H5NH+ C5H5N 5.9 x10

-6 5.23


2.5. Escala de pH

La escala de pH expresa de forma conveniente la concentración de ion hidrógeno. Se define el pH

como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno:

pH = -log [H+]

Cuando una disolución contiene cantidades iguales de H+ y OH

-, se dice que es neutra y se define la

neutralidad como pH 7 (es decir, [H+] es igual a 1 x 10

-7 M). Las soluciones con valores de pH menores

de 7 (es decir, [H+] mayores de 1 x 10

-7 M) son ácidas. Aquellas con valores de pH mayores de 7 (es

decir, [H+] menores de 1 x 10

-7 M) son básicas o alcalinas.


54

Cuando una sustancia iónica o polar se disuelve en agua, puede cambiar el número relativo de H+ y

OH-. Las disoluciones con un exceso de H

+ son ácidas, mientras que aquellas con un número mayor de

OH- son básicas. La concentración del ion hidrógeno varía en un intervalo muy amplio: corrientemente

entre 100

y 10-14

.M, lo cual proporciona la base de la escala de pH (pH = -log[H+]) (McKee y McKee,

2003).

Los ácidos son electrolitos que producen iones hidrógeno (H+) en solución. Los solutos que producen

iones al disolverse en agua se denominan electrólitos. Los iones, al desplazarse por la solución,

conducen la corriente eléctrica. Cuando la solución sólo contiene iones y no moléculas de soluto, se

dice que es un electrólito fuerte (Timberlake, 1997). Por ejemplo, el gas cloruro de hidrógeno, un

compuesto covalente (molecular), reacciona con el agua para formar ácido clorhídrico, HCl (ac), un

ácido fuerte que se encuentra formado de iones H+

y Cl-. La ionización del HCl (g) en agua se expresa

como sigue:

HCl H+

+ Cl-

Los ácidos existen en forma de compuestos moleculares hasta que se disuelven en agua y producen

iones hidrógeno. En realidad, el ion hidrógeno no existe por sí sólo en el agua. Se transfiere un protón

de la molécula de HCl a una molécula de agua y se forma un ion hidronio (H3O+) y un ion cloruro (Cl

-).

La formación de iones a partir de compuestos moleculares se llama reacción de ionización (Figura

2.15).

Por conveniencia se emplea el símbolo H+ para los ácidos, pero hay que recordar que el ion H3O

+ es el

que se encuentra presente en las soluciones ácidas (Timberlake, 1997).

Las propiedades de los ácidos según Timberlake (1997) son:

- Producen iones hidrógeno (H+) en solución.

- Tienen sabor agrio.

- Transforman el papel indicador azul en rojo.

- Son electrolitos.

- Reaccionan con las bases.

Figura 2.15. Reacción de ionización


Las bases son compuestos iónicos que se caracterizan por separarse en un ion metálico y un ion

hidroxilo (OH-) al disolverse en agua. Por ejemplo, el hidróxido de sodio (NaOH) es una base que se

disocia en agua produciendo iones Na+ y OH

-, como se muestra a continuación:

H2O


55

NaOH Na+ + OH

-

Hidróxido de sodio ión sodio ión hidroxilo

Las propiedades de las bases, según Timberlake (1997), son:

- Producen iones hidroxilo (OH-) en solución.

- Tienen sabor amargo.

- Producen sensación resbalosa, similar al jabón.

- Hacen que el papel indicador rojo cambie a color azul.

- Son electrolitos.

- Reaccionan con los ácidos.

En el Cuadro 2.3 se muestra la comparación de [H+] y [OH

-] y los valores correspondientes de pH a

25º C.

Cuadro 2.3. Comparación de [H+] y [OH

-] y los valores correspondientes de pH a 25º C

pH [H+], M [OH

-],M

0 100 10

-14

1 10-1

10-13

2 10-2

10-12

3 10-3

10-11

4 10-4

10-10

5 10-5

10-9

6 10-6

10-8

7 10-7

10-7

8 10-8

10-6

9 10-9

10-5

10 10-10

10-4

11 10-11

10-3

12 10-12

10-2

13 10-13

10-1

14 10-14

100

Fuente: Modificado de Timberlake (1997)

El pH de algunos fluidos fisiológicos y líquidos se muestra en el Cuadro 2.4.

H2O

Ácido

Neutro

Básico


56

Cuadro 2.4. pH de algunos fluidos fisiológicos y líquidos

Fluido pH Fluido pH Bilis 8.0 Agua para beber 7.2

Agua de mar 7.0-7.5 Saliva 6.3-6.8

Plasma sanguíneo 7.4 Leche de vaca 6.6

Fluido intersticial 7.4 Orina 5.8

Fluido intracelular muscular 6.1 Zumo de tomate 4.3

Fluido intracelular hepático 6.9 Refresco a base de cola 2.8

Jugo gástrico 1.2-3.0 Zumo de limón 2.3

Jugo pancreático 7.8-8.0 HCl 1.0 M 0

NaOH 1.0 M 14 Vinagre 2.8

Fuente: Modificado de Lehninger (1983) y Timberlake (1997)

2.6. Aplicación de la ecuación de Henderson- Hasselbalch

Para el agua, como ácido débil, el pH de una solución que contiene un ácido débil se correlaciona con

la constante de disociación de dicho ácido. La interrelación puede establecerse de modo convencional

en la ecuación de Henderson-Hasselbalch, que se desarrolla a continuación.

Un ácido débil, HA, se ioniza:

HA ↔ H+ + A

-

La constante de equilibrio para esta disociación es:

K = [H+][A

-] / [HA]

Despejamos [HA] y obtenemos:

K[HA] = [H+][A

-]

Si ambos términos se dividen entre [A-] obtenemos:

K[HA] / [A-] = [H

+]

Si se obtiene el logaritmo de cada término obtenemos:

log [H+] = log K ([HA] / [A

-]) = log K + log ([HA] / [A

-])

Se multiplica todo por -1 y obtenemos:

-log [H+] = -log K -log ([HA] / [A

-])

Se sustituye el –log de [H+] y -log K, por el pH y la pK, respectivamente:

pH = pK - log ([HA] / [A-])


57

En seguida, el último término se invierte para eliminar el signo negativo, obteniendo la ecuación de

Henderson- Hasselbalch:

pH = pK + log ([A-]/[HA])

La ecuación de Henderson-Hasselbalch es una ecuación con gran valor predictivo en los equilibrios

protónicos y describe el comportamiento de los ácidos débiles y amortiguadores (Murray et al., 2001).

Un ejemplo del uso de la ecuación de Henderson-Hasselbalch lo muestra McKee y McKee (2003)

calculando el pH de una mezcla de ácido acético 0.25 M y acetato sódico 0.1 M. El pKa del ácido

acético es 4.76. La solución es:

pH = pKa + log ([acetato]/[ácido acético])

Y resolviendo queda:

pH = 4.76 + log (0.1/0.25) = 4.76 – 0.398 = 4.36 De forma general, la ecuación de Henderson-Hasselbalch se puede escribir como lo hace Hicks (2003):

pH = pKa + log ([aceptor de protones]/[dador de protones])

La relación entre el pH de una disolución y el pK de un ácido débil permite que el pK se pueda medir

con facilidad mediante titulación. La titulación consiste en añadir alícuotas de una disolución valorada

de una base fuerte a una solución diluida de un ácido débil, como el acético, mientras se cuantifica el

pH de la disolución tras cada adición de base, hasta que en el punto de equivalencia todo el ácido se

encuentre en forma de base conjugada; por lo general, en estas titulaciones se usa como base el

hidróxido de sodio, que neutraliza un protón del ácido. El equilibrio de esta reacción se halla muy

desplazado hacia la derecha:

HA + OH- A

- + H2O

Cada vez que se añade una alícuota de una base, se mide el pH de la disolución. Los resultados de la

titulación de ácido acético (CH3COOH) se representa gráficamente en una curva, trazada en una gráfica

en la que los valores de pH se presentan en el eje de las ordenadas (y), y la adición de NaOH en la de

las abscisas (x). El punto medio de la meseta corresponde al punto en el cual la mitad del ácido débil,

HA, se ha transformado en la especie básica conjugada, A-. Al sustituir estos valores en la ecuación de

Henderson-Hasselbalch se advierte que esto ocurre a un pH igual al valor de pK del ácido débil, es

decir:

[A-] = [HA], [A

-]/[HA] = 1, y log 1=0

En la Figura 2.16 se muestra la curva de titulación a 25º C de 50 ml de ácido acético (CH3COOH)

0.10M con una disolución de hidróxido de sodio (NaOH (ac)) 0.10 M. La pendiente de la curva cambia

en el punto medio de la primera meseta, y en este punto se cumple que [A-] =[AH] y pH=pK. En el

punto de equivalencia todas las moléculas de ácido acético se han convertido en base conjugada, el

anión acetato (CH3COO-), por la adición de 50 ml de hidróxido de sodio 0.10 M.


58

Muchos ácidos y bases de importancia biológica tienen dos o más grupos ionizables y, por ende, las

curvas de titulación son más complejas que las del ácido acético. En la curva de titulación del ácido

fosfórico (H3PO4) (Figura 2.17), presente en los fluidos celulares de todos los organismos, se

diferencian tres regiones, las cuales corresponden a las disociaciones de las especies H3PO4, H3PO4- y

HPO42-

, cuyos valores de pK a 25º C son 2.12, 7.21 y 12.67, respectivamente. Para medir la

concentración relativa de cada una de las especies iónicas en las células a pH 7.0, podrían resolverse

simultáneamente las ecuaciones que implican la disociación de todas las formas del ácido fosfórico

(Hicks, 2003).

Figura 2.16. Curva de titulación del ácido acético


El pKa para el grupo más ácido es el pK1. El pKa del siguiente grupo más ácido es pK2. El valor de pKa

del tercer grupo más ácido es pK3. A pH bajo, la mayoría de las moléculas se encuentran totalmente

protonadas. Al añadir NaOH se liberan los protones, en orden decreciente de acidez, ionizándose el

último protón menos ácido (con el mayor valor de pKa). Cuando el pH es igual a pK1, en la disolución

hay cantidades iguales de H3PO4 y H2PO4-.

Otro ejemplo mostrado por McKee y McKee (2003) del uso de la ecuación de Henderson-Hasselbalch

es el siguiente problema: calcular el cociente de ácido láctico y lactato que se requiere en un sistema

amortiguador de pH 5.0, el pKa del ácido láctico es de 3.86. La solución se muestra a continuación:

La ecuación: pH = pKa + log ([lactato] / [ácido láctico])

puede reagruparse a log ([lactato]/[ácido láctico]) = pH-pKa = 5.0-3.86 = 1.14

Por lo tanto, el cociente que se requiere es:

[lactato]/[ácido láctico] = antilog 1.14 = 13.8


59

Figura 2.17. Titulación de una disolución de ácido fosfórico (H3PO4) con

hidróxido de sodio (NaOH) a 25º C


El resultado del ejercicio anterior indica que para que el amortiguador lactato tenga un pH de 5.0, los

componentes lactato y ácido láctico deben estar presentes con un cociente 13.8 a 1 (McKee y McKee,

2003).

2.7. Soluciones amortiguadoras

El mantenimiento del pH del medio interno en los seres vivos es de vital importancia. El metabolismo

intermediario genera una gran cantidad de ácidos, pese a lo cual, la concentración de hidrogeniones

(H+) libres va a permanecer fija dentro de límites estrechos debido a los tampones, buffers o

amortiguadores fisiológicos que van a actuar de forma inmediata y debido a los mecanismos de

regulación pulmonar y renal que son en última instancia los responsables del mantenimiento del pH

(Del Cañizo, 2007; Ruiz et al., 2007). La concentración de hidrogeniones influye en la estructura y

actividad de las proteínas, en la distribución de iones en el organismo y en la actividad de hormonas,

drogas y otros iones.

Se llama amortiguador a cualquier sustancia capaz de unirse de manera reversible a los iones

hidrógeno. La forma general de la reacción de amortiguamiento, mostrada por Guyton y Hall (2002),

es:

Amortiguador - + H

+ Amortiguador H

En este ejemplo, un H+ libre se combina con el amortiguador para formar un ácido débil

(amortiguador H) que puede permanecer como una molécula no disociada o volver a disociarse en

amortiguador y H+. Cuando aumenta la concentración de iones hidrógeno, la reacción se desplaza

hacia la derecha, con lo que se incrementa la cantidad de iones hidrógeno que son captados por el

amortiguador, en tanto existan cantidades disponibles de éste. Por el contrario, cuando la concentración

de iones hidrógeno disminuye, la reacción se desvía hacia la izquierda, liberando los iones hidrógeno

del amortiguador. De esta forma se consiguen minimizar los cambios de la concentración de iones

hidrógeno (Guyton y Hall, 2002).


60

El pH de una disolución amortiguadora (buffer o tampón) permanece casi constante tras la adición de

pequeñas cantidades de ácidos y bases. La capacidad de una disolución para minimizar los cambios de

pH producidos por la adición de un ácido o una base se llama capacidad de amortiguación. Los fluidos

intracelulares y extracelulares poseen esta capacidad, que se necesita para el mantenimiento de la vida

en un organismo. La eficacia amortiguadora de una disolución es máxima cuando las concentraciones

de las especies ácidas (HA) y básica (A-) son iguales; es decir, cuando el pH de la disolución es igual al

pK del ácido débil (Hicks, 2003). El pK representa el valor de pH en el que un sistema tampón o

amortiguador puede alcanzar su máxima capacidad amortiguadora (Del Cañizo, 2007). Esta propiedad

puede explicarse mediante la ecuación de Henderson- Hasselbalch; si se añade un ácido fuerte a la

disolución amortiguadora, la base conjugada del amortiguador se encarga de neutralizar los

hidrogeniones, o bien, si se añade una base fuerte a la disolución amortiguadora, la estructura ácida del

amortiguador se encarga de neutralizar los iones hidroxilo (Hicks, 2003), tal y como se muestra en la

Figura 2.18.

Figura 2.18. Acción de amortiguamiento

Fuente: Modificado de Garret y Grisham (1999)

El mantenimiento de un pH constante, un ejemplo de homeostasis, es importante porque el pH influye

en gran medida en la velocidad de las reacciones químicas. Los animales resisten cambios fuertes y

repentinos en el pH de la sangre y otros fluidos corporales por medio de amortiguadores o buffers, que

son combinaciones de formas dadoras de H+

y aceptoras de H+

de ácidos o bases débiles (Curtis y

Barnes, 2001).

Existen tres sistemas fundamentales que regulan la concentración de iones hidrógeno en los líquidos

corporales para evitar tanto la acidosis como la alcalosis y son: los sistemas químicos de

amortiguamiento acidobásico de los líquidos corporales que se combinan de forma inmediata con el

ácido o con la base para evitar variaciones excesivas de la concentración de iones hidrógeno, el centro

respiratorio que regula la eliminación del CO2 (y por ende del H2CO3) del líquido extracelular, y el

tercer sistema son los riñones, que pueden excretar una orina tanto ácida como alcalina, lo que permite

un reajuste de la concentración de iones hidrógeno en el líquido extracelular hacia la normalidad en

casos de acidosis y alcalosis. En pocas palabras, la regulación del pH en el organismo se realiza con el

sistema de fosfatos, de carbonatos y mediante las proteínas.

Cuando se produce un cambio de la concentración de iones hidrógeno, los sistemas amortiguadores de

los líquidos corporales reaccionan en una fracción de segundo para contrarrestar estos cambios. Estos

sistemas amortiguadores no eliminan ni añaden iones hidrógeno al organismo, ya que se limitan a

atraparlos hasta que puede restablecerse el equilibrio.


61

La segunda línea de defensa, el aparato respiratorio, actúa también en pocos minutos, eliminando CO2

y, por tanto, H2CO3 del organismo. Estas dos primeras líneas de defensa impiden que la concentración

de iones hidrógeno cambie demasiado hasta que comienza a funcionar la tercera línea de defensa de

respuesta más lenta, es decir, los riñones, que sí pueden eliminar del organismo el exceso de ácido o

base. Aunque la respuesta de los riñones es relativamente lenta en comparación con las otras defensas,

ya que requiere un intervalo de horas o varios días, es con mucho, el sistema regulador acidobásico más

potente (Guyton y Hall, 2002).

- Sistema amortiguador bicarbonato:

El principal sistema buffer en el torrente sanguíneo es el par ácido-base: H2CO3 (ácido carbónico) -

HCO3- (bicarbonato) como lo señala. El ácido débil H2CO3 se disocia en H

+ e iones HCO3

-:

pK = 6.1

CO2 H2CO3 H++HCO3

-

Dador de H+ Aceptor de H

+

El sistema buffer H2CO3 - HCO3- resiste los cambios de pH que podrían resultar de la adición de

pequeñas cantidades de ácidos o bases, absorbiéndolos, por así decirlo. Por ejemplo, si se añade una

pequeña cantidad de H+ al sistema, éste se combina con el aceptor de H

+ del HCO3

- para formar

H2CO3 (Curtis y Barnes, 2001). Esta reacción quita H+

añadido y mantiene el pH cerca de su valor

original. Si se añade una pequeña cantidad de OH-, se combina con el H

+ para formar H2O. El control

del pH de la sangre es aún más riguroso por el hecho de que el H2CO3 está en equilibrio con el dióxido

de carbono (CO2) disuelto en ella (Curtis y Barnes, 2001):

H2O + CO2 H2CO3

El CO2 disuelto en la sangre, a su vez, está en equilibrio con el CO2 de los pulmones. Al cambiar su

ritmo respiratorio, un individuo puede cambiar la concentración de HCO3- en la sangre y, así, ajustar el

pH de sus fluidos internos (Curtis y Barnes, 2001). El CO2 va a ser eliminado por los pulmones sin que

se produzca una retención neta de ácido, por lo que se denomina ácido volátil (Del Cañizo, 2007). Por

otra parte, el metabolismo va a generar una serie de ácidos no volátiles, también denominados ácidos

fijos que representan de un 1-2% de la carga ácida y cuya principal fuente es el catabolismo oxidativo

de los aminoácidos sulfurados de las proteínas. Estos ácidos fijos no pueden ser eliminados por el

pulmón siendo el riñón el principal órgano responsable en la eliminación de los mismos (Ruiz et al.,

2007).

El incremento de la ventilación, ocasionado por el descenso del pH que estimula a los

quimiorreceptores, elimina CO2 del líquido extracelular, lo que por la acción de masas, reduce la

concentración de iones hidrógeno. Por el contrario, la disminución de la ventilación, ocasionado por un

aumento del pH que inhibe a los quimiorreceptores (Del Cañizo, 2007), aumenta el CO2 y, elevando así

la concentración de iones hidrógeno en el líquido extracelular. A continuación se muestra un resumen

del sistema amortiguador de carbonato (SISIB, 2007):

H2O

H2O


62

pK = 6.1

H2O + CO2 H2CO3 H+ + HCO3

-

Eliminación por pulmones Eliminación por orina

Baja [H+] Alta [H

+]

Menor ventilación Mayor ventilación

- Sistema amortiguador fosfato:

Aunque el sistema amortiguador fosfato no es muy importante en el líquido extracelular, sí interviene

activamente en el amortiguamiento del líquido de los túbulos renales y de los líquidos intracelulares.

Los elementos principales de este sistema son H2PO-4 (fosfato diácido) y HPO

=4 (ó HPO4

2-, fosfato

ácido):

pK = 6.8

H2PO-4 H

+ + HPO4

2-

Cuando se añade a una mezcla de estas sustancias un ácido fuerte como el HCl, la base HPO=

4 acepta

el hidrógeno y se convierte en H2PO-4:

HCl + Na2HPO4 NaH2PO4 + NaCl

El resultado de esta reacción es que el ácido fuerte, HCl, es sustituido por una cantidad adicional de un

ácido débil, el NaH2PO4, con lo que se minimiza la disminución del pH. Cuando se añade

al sistema amortiguador una base fuerte como el NaOH, el H2PO-4 amortigua los grupos OH

-,

formándose cantidades adicionales de HPO=

4 + H20:

NaOH + NaH2PO4 Na2HPO4 + H2O

En este caso, una base débil, Na2HPO4 sustituye a otra fuerte, NaOH, lo que hace que el aumento del

pH sea sólo ligero. La capacidad de amortiguamiento total del sistema fosfato en el líquido extracelular

es muy inferior a la del sistema bicarbonato.

El amortiguador fosfato es especialmente importante en los líquidos tubulares de los riñones, ya que el

fosfato suele encontrarse en los túbulos. La concentración de fosfato en el líquido intracelular es muy

superior a la que existe en el líquido extracelular. El pH del líquido intracelular es menor que el del

extracelular (Guyton y Hall, 2002, McKee y McKee, 2003)

- Sistema amortiguador de proteínas:

Gracias a sus elevadas concentraciones, sobre todo en el interior de las células, las proteínas son uno

de los amortiguadores más abundantes del organismo. La membrana celular permite un cierto grado de

difusión de los iones hidrógeno y bicarbonato. El CO2 difunde rápidamente a través de todas las

membranas celulares. Esta difusión de los elementos del sistema amortiguador bicarbonato produce

cambios de pH de los líquidos intracelulares que siguen a los del pH extracelular. Así, los sistemas

amortiguadores del interior de las células ayudan a evitar los cambios de pH de los líquidos

extracelulares, aunque pueden pasar varias horas hasta que logran su eficacia máxima (Guyton y Hall,

2002). Los grupos amino y carboxilo de los radicales de los aminoácidos de las proteínas actúan

regulando el pH, ya sea aceptando o cediendo protones (Figura 2.19).


63

Figura 2.19. Acción amortiguadora del grupo imidazol de las proteínas

Fuente: Lehninger (1983)

En los glóbulos rojos, la hemoglobina que es descrita por Del Cañizo (2007) como la proteína más

abundante de la sangre, actúa como un amortiguador importante:

H+ + HB HHb

Guyton y Hall (2002) mencionan que entre un 60 y un 70% del amortiguamiento químico total de los

líquidos corporales se produce en el interior de las células y que, en su mayor parte, depende de las

proteínas intracelulares. En el caso de los glóbulos rojos la lentitud del movimiento de los iones

hidrógeno y bicarbonato, a través de las membranas celulares, suele retrasar varias horas el momento

en que la proteínas intracelulares alcanzan su máxima capacidad de amortiguamiento de las anomalías

acido-básicas extracelulares (Guyton y Hall, 2002). En el interior del glóbulo rojo, por acción de la

anhidrasa carbónica, el CO2 se va a convertir en ácido carbónico (H2CO3) que se disocia dando un H+

que rápidamente será tamponado por la hemoglobina, y bicarbonato que saldrá fuera del hematíe en

intercambio con iones cloro (Del Cañizo, 2007).

El riñón es el principal órgano implicado en la regulación del equilibrio ácido-base, ya que es la

principal vía de eliminación de la carga ácida y de los metabolitos ácidos patológicos y es el

responsable de mantener la concentración plasmática de bicarbonato por su capacidad para reabsorber

y generar bicarbonato de modo variable en función del pH de las células tubulares renales (Del Cañizo,

2007). La excreción de una orina ácida reduce la cantidad de ácido en el líquido extracelular, mientras

que la excreción de una orina alcalina elimina bases de los líquidos extracelulares (Guyton y Hall,

2002).

El bicarbonato es filtrado continuamente hacia la luz del túbulo renal (generalmente asociado a iones

Na+) como se muestra en la Figura 2.20, de modo que en el filtrado glomerular intacto la concentración

de bicarbonato es prácticamente igual a la del plasma, de ahí la importancia del proceso de reabsorción

del mismo. Prácticamente todo el bicarbonato filtrado va a ser reabsorbido. Este proceso tiene lugar

fundamentalmente en el túbulo contorneado proximal (TCP) donde se reabsorbe un 85%. El resto es

reabsorbido en el asa de Henle (10-15%) y en el túbulo contorneado distal (TCD) y colector. La

reabsorción de bicarbonato se desencadena por la secreción de H+

a la luz del TCP en intercambio con

iones Na+

por acción de un antiportador Na+

- H+

lo que permite mantener la neutralidad eléctrica.

Los H+

secretados a la luz tubular reaccionan con el bicarbonato filtrado formando ácido carbónico que

se disocia en CO2 y agua por acción de la anhidrasa carbónica (A.C.). El CO2 producido puede difundir

de nuevo al interior de la célula tubular donde reacciona con agua transformándose en ácido carbónico ,

el cuál se va a disociar en bicarbonato que se reabsorberá hacia el capilar peritubular, y un hidrogenión


64

que es secretado y amortiguado por el bicarbonato filtrado. De este modo los hidrogeniones se eliminan

formando parte de una molécula de agua, y por tanto sin acidificar la orina. En este proceso de

intercambio Na+-H

+ los iones potasio pueden competir con los hidrogeniones, de manera que en una

situación de hiperpotasemia se va a intercambiar más K+

que H+

por Na+

por lo que al secretarse pocos

H+

se reabsorberá poco bicarbonato. En situaciones de hipopotasemia ocurrirá lo contrario, es decir,

aumentará la recuperación de bicarbonato y la excreción de hidrogeniones.

Figura 2.20. Mecanismos renales implicados en la excreción de hidrogeniones

y reabsorción de bicarbonato

Fuente: Ruiz et al. (2007)

Si a pesar del proceso de reabsorción la concentración de bicarbonato plasmático permanece por

debajo del valor normal, en las células tubulares se va a sintetizar bicarbonato (Figura 2.21). Esto

sucede fundamentalmente en el túbulo contorneado distal a partir del CO2 procedente de la sangre o del

propio metabolismo de la célula tubular por acción de la anhidrasa carbónica (A.C.) El H2CO3 así

generado se disocia en bicarbonato que se reabsorbe hacia la sangre y un hidrogenión que es eliminado.

En este caso los hidrogeniones sí van a acidificar la orina, de ahí la gran importancia de los

amortiguadores urinarios. Aproximadamente un tercio de los H+

secretados van a ser titulados sobre

fosfato y el resto sobre amoniaco, siendo por tanto la cantidad de ácido libre que se elimina por la orina

mínima. La producción renal de amoniaco (NH3) representa aproximadamente un 60% en la

eliminación de H+

asociada a ácidos no volátiles. Este se va a producir principalmente por

desaminación de la glutamina en las células del túbulo renal y difunde fácilmente a través de la

membrana hacia la luz del túbulo dónde se combina con H+

formando iones amonio (NH4+), un ácido

muy débil que es eliminado por la orina (Ruiz et al., 2007).


65

El hueso interviene en la amortiguación de la carga ácida captando los H+ en exceso, liberando

carbonato a la sangre por disolución del hueso mineral. El papel más importante del hueso ocurre en

situaciones de acidosis crónica como en la insuficiencia renal crónica. Este sistema se amortiguación

también va a intervenir en presencia de una carga básica a través del depósito de carbonato en el hueso

(Del Cañizo, 2007).

Figura 2.21. Mecanismos renales de producción de bicarbonato

Fuente: Ruiz et al. (2007)


66

3. Aminoácidos y proteínas

3.1. Características generales de los Aminoácidos

Los aminoácidos son los precursores moleculares de las proteínas (Stryer et al., 2003), ya que las

proteínas son polímeros de aminoácidos, los que varían en cuanto cantidad y tipo entre proteína y

proteína (Maynard et al., 1998). Bohinski (1991) y Murray et al. (2001) mencionan que existen

alrededor de 300 aminoácidos diferentes de origen natural. Muchos de ellos se observan en

determinadas formas de vida, algunos sólo aparecen en una especie. Sin embargo, todos los

organismos usan sólo 20 de ellos para la biosíntesis de proteínas.

-aminoácidos son los monómeros que se combinan para formar las proteínas y su fórmula

general se muestra en la Figura 3.1. El grupo amino está unido al carbono α que es el carbono contiguo

al grupo carboxilo. Al carbono α de cada aminoácido también están unidos un átomo de hidrógeno y

una cadena lateral (R). Los distintos α aminoácidos se diferencian por sus cadenas laterales. El pKa de

los grupos carboxilo y amino de los α-aminoácidos es aproximadamente 2 y 10, respectivamente

(Mathews et al., 2005).

Figura 3.1. Fórmula general de los α-aminoácidos


Los aminoácidos son derivados de los ácidos grasos de cadena corta y contienen un grupo básico

amino (-NH2) y un grupo carboxilo ácido (-COOH). En la naturaleza los aminoácidos asumen la

configuración L, comparados con la L-glicerosa (Figura 3.2). La mayoría de ellos son solubles en agua

y todos, excepto la glicina, muestran actividad óptica. Ya que tienen tanto el grupo amino como el

grupo carboxilo son anfóteros, pues asumen propiedades ácidas o básicas dependiendo del pH del

medio. En un pH ácido el aminoácido es un catión, mientras que en un pH básico es un anión, y al pH

en que es eléctricamente neutro es un ion dipolar y se llama zwitterion (Figura 3.2). Este pH se llama

punto isoeléctrico del aminoácido (Maynard et al., 1998).


67

Figura 3.2. Fórmula de la L-glicerosa, L-aminoácido y su forma zwitterion

Fuente: Maynard et al. (1998)

3.1.1. Clasificación

Los 20 aminoácidos contienen, en sus 20 cadenas laterales diferentes, una notable colección de grupos

químicos, por ende, estos monómeros permiten a las proteínas exhibir una variedad tan grande de

estructuras y propiedades. Existen varias clases diferentes de cadenas laterales, que se distinguen por

sus características químicas dominantes. Dichas características incluyen si son hidrofóbicos o

hidrofílicos, polar o no polar, presencia o ausencia de grupos ionizables, etc. (Mathews et al., 2005).

- Aminoácidos con grupos –R no polares o hidrófobos: son la alanina, valina, leucina,

isoleucina, prolina, fenilalanina, triptófano y metionina, cuya fórmula se muestra en la Figura

3.3. Los aminoácidos más hidrófobos, como la isoleucina, se encuentran normalmente en el

interior de las moléculas proteicas, donde están protegidos del agua.

El radical no se ioniza, sólo el grupo amino y carboxilo.

Figura 3.3. Aminoácidos no polares

Fuente: Modificado de Mathews et al. (2005)

- Aminoácidos con grupos –R polares sin carga: son la glicina, serina, treonina, tirosina,

cisteína, asparagina y glutamina (Figura 3.4). De estos aminoácidos, algunos que tienen el

grupo –OH solamente se disocian cuando se encuentran en el fenol como la treonina y tirosina y

la cisteína que tiene el grupo –SH.

3


68

Figura 3.4. Aminoácidos con grupos –R polares sin carga


En el caso de la cisteína, su cadena lateral puede ionizarse a pH ligeramente elevado, como se muestra

en la Figura 3.5.

Figura 3.5. Ionización de la cadena lateral de la cisteína


En la cisteína puede producirse una oxidación entre pares de cadenas laterales de cisteína para

producir enlaces disulfuro, cuyo resultado del enlace de las dos cisteínas se denomina cistina (Figura

3.6).

Figura 3.6. Formación de la cistina



69

La tirosina puede ionizarse a pH elevado, como se muestra en la Figura 3.7.

Figura 3.7. Ionización de la tirosina


El ácido aspártico y ácido glutámico están acompañados por sus amidas, la asparagina y la glutamina

que tienen cadenas laterales sin carga, aunque son claramente polares.

- Aminoácidos con grupos –R cargados positivamente: son la histidina, lisina y arginina

(Figura 3.8). Llevan grupos básicos en sus cadenas laterales. Dado que la cadena lateral de la

histidina puede intercambiar protones cerca del pH fisiológico, suele participar a menudo en la

catálisis enzimática donde hay transferencia de protones. La lisina y la arginina son

aminoácidos más básicos, sus cadenas laterales están siempre cargadas positivamente a pH

fisiológico. Los aminoácidos básicos son muy polares y en consecuencia pueden hallarse

normalmente en las superficies exteriores de las proteínas, donde pueden hidratarse por el

entorno acuoso que las rodea.

Figura 3.8. Aminoácidos básicos


- Aminoácidos con grupos –R cargados negativamente: son el ácido aspártico y ácido

glutámico (Figura 3.9). Son los únicos aminoácidos que llevan cargas negativas a pH 7.0. Los


70

valores de pKa de los aminoácidos ácidos son tan bajos que cuando se incorporan a las

proteínas, la carga negativa de la cadena lateral se conserva en condiciones fisiológicas. Por lo

tanto, se suele denominar a estos residuos de aminoácidos aspartato y glutamato, esto es, sus

bases conjugadas en lugar de los ácidos. Como los aminoácidos básicos, los aminoácidos

ácidos también son claramente hidrófilos y tienden a encontrarse en la superficie de las

moléculas de proteínas, en contacto con el agua que los rodea (Mathews et al., 2005).

-

Figura 3.9. Aminoácidos ácidos


Existen ciertos aminoácidos modificados. Todos los aminoácidos anteriores están codificados en el

DNA y se incorporan directamente en las proteínas. Hay algunos aminoácidos que se modifican

químicamente una vez que se ensamblan en las proteínas. En la Figura 3.10 se muestran estos

aminoácidos con el grupo modificador en rojo.

Figura 3.10. Aminoácidos modificados


En el Cuadro 3.1 se describen las características funcionales de los grupos –R de los aminoácidos.


71

Cuadro 3.1. Características funcionales de los grupos –R de los aminoácidos

Aminoácido Características Glicina Apolar, neutro, no esencial

Alanina Apolar, neutro, no esencial

Valina Apolar, neutro, esencial

Leucina Apolar, neutro, esencial

Isoleucina Apolar, neutro, esencial

Serina Polar, neutro, no esencial

Treonina Polar, neutro, esencial

Cisteína Polar, débilmente ácido, no esencial

Metionina Polar, neutro, esencial

Fenilalanina Apolar, neutro, esencial

Tirosina Polar, no esencial, débilmente ácido

Triptófano Apolar, neutro, esencial

Ácido aspártico Polar ácido, no esencial

Asparagina Polar, neutro, no esencial

Ácido glutámico Polar ácido, no esencial

Glutamina Polar, neutro, no esencial

Arginina Polar, básico, esencial

Histidina Polar, débilmente básico, esencial

Lisina Polar, básico, esencial

Prolina Apolar, neutro, no esencial


3.1.2. Aminoácidos esenciales y no esenciales

Los aminoácidos que no se sintetizan en los tejidos animales de la mayoría de las especies en

cantidades suficientes para llenar las necesidades metabólicas se denominan esenciales o

indispensables y deben suministrarse en la dieta, mientras que aquellos que no se necesitan en la dieta

debido a que tienen una síntesis tisular apropiada, se denominan no esenciales o dispensables (Cuadro

3.2).

La arginina se necesita en la dieta de algunas especies para obtener un crecimiento máximo, pero no

apta para el mantenimiento. En aquellos animales cuya microflora gastrointestinal sintetiza proteínas a

partir de fuentes de Nitrógeno no proteico (NNP) (rumiantes y otros herbívoros), el equilibrio de los

aminoácidos de la dieta tiene poca importancia nutricional, con excepción de aquellos animales de alta

productividad; las cantidades de nitrógeno y de los carbohidratos que se encuentran disponibles con

facilidad son especialmente importantes (Church et al., 2004).

En general, los aminoácidos esenciales son los mismos para todas las especies pecuarias, sólo hay

diferencias en las cantidades y proporciones requeridas. En el caso de dos aminoácidos esenciales, el

requerimiento puede cubrirlo en forma parcial un aminoácidos no esencial. La cistina puede

proporcionar hasta 50 % del requerimiento de metionina y de hecho en ocasiones se habla de un

requerimiento global de aminoácidos azufrados; igual sucede en el caso de la tirosina y la fenilalanina

(Shimada, 2003).


72

Cuadro 3.2. Aminoácidos esenciales y no esenciales

Aminoácidos esenciales Aminoácidos no esenciales Arginina Ácido aspártico

Fenilalanina Ácido glutámico

Histidina Alanina

Isoleucina Asparagina

Leucina Cisteína

Lisina Cistina

Metionina Glicina*

Treonina Glutamina*

Triptófano Prolina

Valina Serina*

Taurina

Tirosina

*Esenciales para las aves

Fuente: Shimada (2003)

La L-glutamina está clasificado como un aminoácido condicionalmente esencial. Esto significa que

bajo determinadas circunstancias el organismo puede sintetizar suficiente L-glutamina para cubrir la

demanda fisiológica. Existen así, aminoácidos condicionalmente esenciales, que bajo ciertas

circunstancias son necesarios suministrarlos en la dieta animal (Reeds, 2000). Los gatos cuya

alimentación es deficiente en arginina rápidamente entran en un estado comatoso por intoxicación

amoniacal, aunque lo anterior es reversible si se suministra arginina u ornitina en la dieta. Los pollos

también necesitan prolina en la dieta por su capacidad limitada para sintetizarlo proveniente del ácido

glutámico (D´Mello, 1994).

3.1.3. Isomería

Las fórmulas en el plano no evidencian algunas de las características importantes de las estructuras de

los aminoácidos. Los enlaces alrededor del carbono α son tetraédricos (Mathews et al., 2005).

En la Figura 3.11 las cuñas sólidas representan enlaces que sobresalen de la página, mientras que las

cuñas rayadas representan enlaces que se extienden hacia el fondo de la página.

Los estereoisómeros ópticos se llaman enantiómeros (Hicks, 2003). Cuando un átomo de carbono tiene

cuatro sustituyentes distintos fijados a él, formando una molécula asimétrica, se dice que el carbono es

quiral, un centro de quiralidad o un estereocentro o un carbono asimétrico. Si una molécula contiene un

carbono asimétrico, existen dos estereoisómeros distinguibles; se trata de imágenes especulares (Figura

3.11) que no se pueden superponer una a la otra, o enantiómeros como los de la alanina de la Figura

3.12, y se denominan enantiómeros L y D (o más recientemente S-R).

Aunque las reservas de aminoácidos libres existentes en los mamíferos constan casi exclusivamente de

isómeros L, recientemente se demostró la presencia de dos D-aminoácidos libres: la D-serina en el

encéfalo anterior y el D-aspartato en el encéfalo y la periferia. Sin embargo, en las proteínas de los

mamíferos sólo se han detectado los isómeros L de los aminoácidos (Murray et al. 2001).


73

Figura 3.11. Estereoisomería óptica de la asparagina


Los enantiómeros L y D pueden distinguirse entre sí experimentalmente debido a que sus soluciones

rotan el plano de la luz polarizada en direcciones opuestas. Por esta razón, los enantiómeros se llaman a

veces isómeros ópticos. Todos los aminoácidos, excepto la glicina, pueden existir en las formas D y L,

ya que en todos los casos el carbono α es quiral, y en la glicina dos de los grupos unidos al carbono α

son iguales (H), con lo que se elimina la quiralidad.

Figura 3.12. Isomería de los aminoácidos


Todos los aminoácidos que incorporan los organismos a las proteínas son de la forma L. La mayor

parte de los polisacáridos naturales emplean azúcares D, al igual que el DNA y RNA. Los aminoácidos

D existen en la naturaleza pero nunca se hallan en las proteínas (Mathews et al., 2005).


74

Algunos aminoácidos con importancia biológica que no se hallan en las proteínas se muestran en el

Cuadro 3.3.

3.1.4. Anfolito, disociación y switterión

Los grupos amino y carboxilo se pueden ionizar, y dicha característica confiere a estas moléculas

orgánicas la capacidad de actuar como reguladoras del pH, o como sustancias amortiguadoras o buffer

(Cuadro 3.4). La presencia de regiones polares facilitan la formación de enlaces débiles, como las

interacciones electrostáticas y los puentes de hidrógeno con el agua, orientados hacia la fase acuosa;

mientras que las regiones no polares inducen la creación de interacciones hidrófobas, lo cual estabiliza

una conformación específica, indispensable para que una proteína cumpla una función determinada

(Hicks, 2003).

Cuadro 3.3. Aminoácidos con importancia biológica que no se hallan en las proteínas


Los anfolitos son compuestos orgánicos con carga positiva y negativa (Bohinski, 1991). Es decir, un

anfolito es una molécula que contiene grupos con valores de pKa ácidos y básicos. Un anfolito con

igual número de cargas positivas y negativas, se denomina zwitterion (Figura 3.13). Recordando, el

punto isoeléctrico (pI) es el pH en que la carga es cero. Las moléculas grandes como las proteínas

pueden tener muchos grupos ácidos o básicos y se denominan polianfólitos (Mathews et al., 2005).


75

Los aminoácidos en disolución a pH neutro existen predominantemente como iones dipolares, también

llamados zwitteriones. En la forma dipolar, el grupo amino está protonado (-NH3+) y el grupo

carboxílico desprotonado (-COO-). El estado de ionización de un aminoácido varía con el pH. En

disolución ácida (por ejemplo, pH 1.0), el grupo amino está protonado (-NH3+) y el grupo carboxilo no

está disociado (-COOH). Cuando se eleva el pH, el grupo carboxílico es el primero en ceder un protón,

ya que su pKa es cercano a 2. La forma dipolar persiste hasta que el pH se acerca a 9.0, cuando el

grupo amino protonado pierde un protón (Stryer et al., 2003).

Cuadro 3.4. Propiedades de los aminoácidos de las proteínas


Figura 3.13. Forma no iónica y zwitterion de los aminoácidos

Fuente: Modificado de Garrido (1991) y Mathews et al. (2005)


76

El pKa de los grupos carboxilo y amino de los

respectivamente. Por consiguiente, en la proximidad del pH neutro, el grupo carboxilato habrá perdido

un protón y el grupo amino habrá capturado un protón, para dar la forma zwitterion (Figura 3.14)


Figura 3.14. Reacciones presentes en los aminoácidos

Fuente: Stryer et al. (2003)

A pH fisiológico los aminoácidos comunes existen como iones dipolares o zwitteriones (Roskoski,

2001).

Debido a que los aminoácidos contienen grupos ionizables, la forma iónica predominante de estas

moléculas en disolución depende del pH. La titulación de un aminoácido explica el efecto del pH sobre

la estructura del aminoácido. La titulación es una herramienta útil para determinar la reactividad de las

cadenas laterales de los aminoácidos (McKee y McKee, 2003).

McKee y McKee (2003) describen por ejemplo a la alanina, un aminoácido sencillo con dos grupos

titulables (Figura 3.15). Durante la titulación con una base fuerte como el NaOH, la alanina pierde dos

protones de forma escalonada. En una disolución muy ácida (a pH de 0), la alanina se encuentra en la

forma sin carga en el grupo carboxilo. En estas circunstancias la carga neta de la molécula es +1,

debido a que el grupo de amonio está protonado. El descenso de la concentración de H+

hace que el

grupo carboxilo pierda su protón y se transforme en un grupo carboxilato con carga negativa. En este

punto, la alanina no tiene carga neta y es eléctricamente neutra. El punto al que se produce estos se

denomina punto isoeléctrico.

Figura 3.15. Titulación de la alanina



77

Debido a que no hay carga neta en el punto isoeléctrico, a este pH los aminoácidos son menos

solubles. El punto isoeléctrico de la alanina puede calcularse (McKee y McKee, 2003):

Los valores de pK1 y pK2 de la alanina son, respectivamente, 2.34 y 9.7. Por lo que el valor pI de la

alanina es:

Al continuar la titulación, el grupo amonio pierde su protón, dejando el grupo amino sin carga. La

molécula tiene entonces una carga neta negativa debido al grupo carboxilato.

Los aminoácidos con cadenas laterales ionizables tienen curvas de titulación más complejas (Figura

3.16). Por ejemplo, el ácido glutámico tiene un grupo carboxilo en la cadena lateral. A pH bajo, el

transformarse en grupo carboxilato. El glutamato no tiene ahora carga neta. Al añadir más base, el

segundo grupo carboxilo pierde un protón y la molécula tiene carga -1. La adición de más base hace

que el ion amonio pierda su protón. En este punto el glutamato tiene una carga neta de -2.

Figura 3.16. Titulación del ácido glutámico


El valor de punto isoeléctrico para el glutamato es el pH a mitad de camino entre los valores de pKa de

los grupos carboxilo, y su fórmula desarrollada es:

K

K

K


78

Los valores de pKa y punto isoeléctrico de los aminoácidos en los péptidos y las proteínas difieren

algo de los aminoácidos libres, ya que los grupos α carboxilo y α amino no están ionizados sino que

están unidos en forma covalente con los enlaces peptídicos (McKee y McKee, 2003).

3.1.5. Enlace peptídico

La combinación de un grupo α-amino de un aminoácido con el grupo carboxilo de un segundo

aminoácido, con eliminación de agua, causa la formación de un enlace peptídico que une un átomo de

N a otro de C (Garrido, 1991). El compuesto resultante es un dipéptido (Figura 3.17). Este es un enlace

covalente (Hicks, 2003), por formación de un enlace amida (McKee y McKee, 2003). Un tripéptido

contiene tres residuos de aminoácidos, un oligopéptido de 25 a 30 residuos de aminoácidos (Garrido,

1991) y un polipéptido posee más de 30 aminoácidos.

Figura 3.17. Formación de un dipéptido


El enlace peptídico es plano (Figura 3.18). Tanto el carbonilo como los grupos amida sustituidos se

encuentran en un plano, y la rotación alrededor del enlace C-N está prohibida, lo que limita las

conformaciones que puede asumir la cadena polipeptídica (Roskoski, 2001). La incapacidad de

rotación del enlace restringe la conformación del esqueleto polipeptídico y es la causa de la planaridad

del enlace. El enlace peptídico no tiene carga, lo que permite a los polímeros de aminoácidos unidos

por enlaces peptídicos formar estructuras globulares fuertemente empaquetadas (Stryer et al., 2003).

Figura 3.18. Reacción de un enlace peptídico

Fuente: Guyton y Hall (2002)


79

El extremo en que se encuentra el grupo amino libre se denomina extremo N-terminal y se considera,

por convención, el comienzo de la cadena polipeptídica. En el otro extremo se sitúa el grupo carboxilo

libre que se denomina C-terminal (Figura 3.19) (Garrido, 1991).

Figura 3.19. Extremo N-terminal y extremo C-terminal de una cadena polipeptídica

Fuente: Garrido (1991)

Una cadena polipeptídica tiene polaridad porque sus extremos son diferentes: hay un grupo α-amino

α-carboxilo en el otro.

Una cadena polipeptídica consiste en una parte, repetida regularmente, llamada la cadena principal o

esqueleto y una parte variable constituida por las cadenas laterales distintivas (Figura 3.20). El

esqueleto polipeptídico es potencialmente rico en capacidad para formar puentes de hidrógeno. Cada

residuo contiene un grupo carbonilo, que es un buen aceptor de puentes de hidrógeno y, con la

excepción de la prolina, un grupo NH que es un buen dador de puentes de hidrógeno. Estos grupos

interaccionan entre sí y con grupos funcionales de las cadenas laterales para estabilizar estructuras

particulares.

Figura 3.20. Esqueleto constante (negro) y cadenas laterales variables (verde)


La mayoría de cadenas polipeptídicas naturales contienen entre 50 y 2000 residuos de aminoácidos y

se conocen comúnmente como proteínas. En algunas proteínas, la cadena polipeptídica lineal posee

enlaces cruzados. Los entrecruzamientos más habituales son los puentes disulfuro, que se forman por la

oxidación de un par de residuos de cisteína, resultando en la cistina (Figura 3.21), los puentes disulfuro

se presentan más a menudo en proteínas extracelulares.

Un enlace peptídico plano tiene dos configuraciones posibles: configuración trans (los dos átomos de

car α

el mismo lado del enlace peptídico) (Figura 3.22). Casi todos los enlaces en las proteínas son trans.


80

Figura 3.21. Formación de cistina


La preferencia de trans sobre cis puede explicarse por el hecho de que los choques estéricos entre los

grupos unidos a los átomos de carbono α impiden la adopción de la forma cis, mientras que estos

choques no se producen en la forma trans.

Figura 3.22. Formas cis y trans


A diferencia del enlace peptídico, los enlaces entre el grupo amino y el átomo del carbono α, y entre el

átomo de carbono α y el grupo carbonilo son enlaces sencillos puros. Las dos unidades peptídicas

adyacentes rígidas pueden girar alrededor de estos enlaces, dando lugar a varias orientaciones. Esta

libertad de rotación alrededor de dos enlaces de cada aminoácido permite a las proteínas plegarse de

forma muy diversa (Stryer et al., 2003).

Dado que en el enlace peptídico sucede una deshidratación, ya que se elimina una molécula de agua,

los aminoácidos unidos se llaman residuos de aminoácidos (McKee y McKee, 2003).

3.2. Características generales de las Proteínas

Las proteínas desempeñan una gran variedad de funciones: unas transportan y almacenan moléculas

pequeñas; otras constituyen gran parte de la organización estructural de las células y los tejidos. La

contracción muscular, la respuesta inmunitaria y la coagulación de la sangre se producen mediante las


81

proteínas. Tal vez las proteínas más importantes son las enzimas, que son catalizadores que facilitan la

variedad inmensa de reacciones del metabolismo.

Las proteínas no son sólo polipéptidos: sino que son polipéptidos de secuencia definida (Mathews et

al., 2005).

De todas las moléculas que se encuentran en los seres vivos, las proteínas son las que tienen las

funciones más diversas participando en la catálisis (enzimas), estructura (protección y sostén),

movimientos (endocitosis, exocitosis, movimiento ameboide de los leucocitos por la actina y tubulina),

defensa (queratina, inmunoglobulinas, fibrinógeno y trombina en la coagulación sanguínea), regulación

(factores de crecimiento, hormonas), transporte (transportador de glucosa), almacenamiento (reservas

de nutrientes), respuesta a las agresiones (secuestrantes de metales tóxicos, proteínas de choque

térmico), entre otras (McKee y McKee, 2003).

La proteína más abundante en los humanos es la colágena (Roskoski, 2001). En los animales, la

colágena es, entre las proteínas estructurales, la que presenta mayor distribución y la más abundante, al

igual que en humanos, ya que el hígado de los animales tiene alrededor de 4% de colágena, el cartílago

hialino posee casi 50% de esta fibra de colágena y la dermis tiene 72% de colágena. En todos estos

órganos, la colágena proporciona fuerza tensora y resistencia al estiramiento (Banks, 1998).

La alteración de la concentración o estructura de una proteína puede disminuir la función celular y

conducir a la aparición de una enfermedad, por ejemplo, la reducción de la concentración de insulina o

la falla de esta produce diabetes mellitus (Hicks, 2003).

Existen procedimientos de separación para purificar y caracterizar las proteínas. Las proteínas en

disolución muestran cambios profundos de su solubilidad en función del pH, la fuerza iónica, las

propiedades dieléctricas del disolvente y la temperatura (Lehninger, 1983; Laguna y Piña, 2002). Estas

variables que son reflejo del hecho de que las proteínas son electrolitos de peso molecular muy grande,

pueden utilizarse para separar mezclas de proteínas, ya que cada proteína posee una composición en

aminoácidos característica, la cual determina su comportamiento como electrolito.

La solubilidad de la mayor parte de las proteínas globulares se halla profundamente influida por el pH

del sistema. Por ejemplo, la β-lactoglobulina, una proteína de la leche, es mínima cuando el pH se

encuentra entre 5.2 y 5.3, independientemente de la concentración de cloruro de sodio presente. A cada

lado de este valor crítico del pH, la solubilidad experimenta un incremento muy agudo (Figura 3.23).

Casi todas las proteínas globulares muestran un mínimo de solubilidad, aunque el pH al que ello ocurre

varía de una proteína a otra.

El pH al que una proteína muestra un mínimo de solubilidad es su pH isoeléctrico o punto isoeléctrico

(pI), definido como aquel valor de pH al que la molécula de proteína no posee carga eléctrica y es

incapaz de desplazarse en un campo eléctrico (Cuadro 3.5).


82

Figura 3.23. Efecto del pH y de la concentración salina sobre la solubilidad de la β-lactoglobulina a

25º C. Las cifras dan la concentración de NaCl

Fuente:Lehninger (1983)

Cuadro 3.5. Puntos isoeléctricos de algunas proteínas

Proteína pH isoeléctrico Pepsina 1.0

Ovoalbúmina 4.6

Seroalbúmina 4.9

Ureasa 5.0

β -lactoglobulina 5.2

γ1-globulina 6.6

Hemoglobina 6.8

Mioglobina 7.0

Ribonucleasa 9.6

Quimiotripsinógeno 9.5

Citocromo C 10.65

Lisozima 11.0


En estas condiciones no existe repulsión electrostática entre moléculas de proteína vecinas y tiende a

precipitar. Cuando se cuaja el queso lo que se busca es que las proteínas de la leche, por ejemplo, se

encuentren a un pH en que dichas proteínas se encuentren en su punto isoeléctrico, y ya no sean

solubles en la leche y precipiten. Sin embargo, cuando los valores de pH están por encima o por debajo

del punto isoeléctrico, todas las moléculas de proteína poseen una carga eléctrica neta del mismo signo.

Por dicha razón, se repelen mutuamente, impidiendo la coalescencia de las moléculas sencillas para

formar agregados insolubles. Algunas proteínas son virtualmente insolubles en sus pH isoeléctricos.

Puestos que las diferentes proteínas poseen valores de puntos isoeléctricos diferentes, ya que difieren

en el contenido de aminoácidos con grupos –R ionizables, con frecuencia pueden separarse una de otra,

mediante precipitación isoeléctrica. Cuando el pH de una mezcla de proteínas se ajusta al pH


83

isoeléctrico de uno de sus componentes, la mayor parte o casi todo el componente precipitará,

quedando en la disolución las proteínas cuyos valores de pH isoeléctrico se hallen por encima o por

debajo de aquél. La proteína isoeléctrica precipitada permanece en su conformación nativa, y puede

redisolverse en un medio de pH apropiado y concentración salina adecuada.

Para una proteína determinada, el pH isoeléctrico variará algo según la composición iónica del medio,

puesto que las proteínas pueden unirse a ciertos aniones o cationes. Cuando una disolución de proteína

se dializa a fondo frente a agua destilada para eliminar todos los iones pequeños distintos a los H+ y

OH-, el pH de la disolución resultante se conoce como pH isoiónico que es constante para cualquier

proteína determinada (Lehninger, 1983).

3.2.1. Estructura conformacional

Se diferencian varios niveles en la organización estructural de las proteínas. La estructura primaria (es

la secuencia de aminoácidos, especificada por la información genética), la estructura secundaria que se

forma al plegarse la cadena polipeptídica donde se forman ciertas disposiciones localizadas de los

aminoácidos adyacentes, la forma tridimensional global que asume un polipéptido se denomina

estructura terciaria. Las proteínas que constan de dos o más cadenas polipeptídicas (o subunidades) se

dice que tienen estructura cuaternaria (McKee y McKee, 2003).

- Estructura primaria: Cada polipéptido tiene una estructura de aminoácidos específica, un

número, orden y variedad de aminoácidos específica. Las interacciones entre los residuos de

aminoácidos determinan la estructura tridimensional de la proteína, su papel funcional y sus

relaciones con otras proteínas. Los polipéptidos que tienen secuencias de aminoácidos y

funciones semejantes se dice que son homólogos. Las comparaciones de secuencias de

polipéptidos homólogos han sido utilizadas para trazar las relaciones genéticas de las distintas

especies. Los residuos de aminoácidos que son idénticos en las proteínas homólogas, que se

denominan invariables, son esenciales para la función de la proteína. La estructura primaria nos

indica el número, el orden o secuencia y la variedad de los aminoácidos que conforman una

proteína (Figura 3.24).

Figura 3.24. Secuencia de aminoácidos de la insulina bovina


Se ha determinado la composición de aminoácidos de cientos de proteínas y, en varios casos, se

conoce la estructura exacta de la proteína. Por ejemplo, la ribonucleasa A (Figura 3.25) que es una

enzima del páncreas de los bovinos que digiere el RNA que es una molécula muy pequeña comparada

con la mayoría de las proteínas (Church et al., 2004).


84

- Estructura secundaria: las cadenas polipeptídicas se pueden plegar en estructuras regulares

como la hélice alfa, la hoja plegada beta y giros y bucles. La hélice o helicoide α es una

estructura en forma de cilindro, un esqueleto helicoidal plegado muy firmemente forma la parte

interior del cilindro, mientras que las cadenas laterales se extienden hacia fuera en una

distribución helicoidal. La hélice α se estabiliza por puentes de hidrógeno (Figura 3.26) entre

los grupos NH y CO de la cadena principal. En particular, el grupo CO de cada aminoácido

forma un puente de hidrógeno con el grupo NH del aminoácido situado cuatro residuos más

adelante en la cadena principal. Salvo para los aminoácidos cercanos al final de una hélice α,

todos los grupos CO y NH de la cadena principal están unidos por puentes de hidrógeno.

Figura 3.25. Estructura de la ribonucleasa A del páncreas bovino

Fuente: Church et al. (2004)

La distribución de α β y giros en una cadena proteica se conoce como estructura

secundaria.

Figura 3.26. Puentes de hidrógeno para una α-hélice


En la Figura 3.26 se muestra que en la α-hélice el grupo CO del residuo n forma un puente de

hidrógeno con el grupo NH del residuo n+4. Todas las hélices α que se encuentran en las proteínas son

dextrógiras.


85

En la Figura 3.27 se muestra un diagrama de cintas (a) que muestra los átomos del carbono α y las

cadenas laterales (en verde). Al centro (b), se observa una vista lateral, en versión esferas y varillas,

representa los puentes de hidrógeno (líneas discontinuas) entre los grupos NH y CO. En la parte

superior derecha (c) se observa una visión apical mostrando el esqueleto enrollado y las cadenas

laterales (en verde) proyectándose hacia afuera. En la parte inferior derecha (d) se observa el núcleo

interior de la hélice estrechamente empaquetado.

Figura 3.27. Estructura de la α -hélice


El contenido en α hélice de las proteínas oscila entre amplios límites, desde nada hasta casi el 100%.

Por ejemplo, el 75% de los residuos de la ferritina, una proteína que ayuda a almacenar el hierro, están

organizados en hélices α

Figura 3.28. Ferritina. Una proteína principalmente en α


Dos o más hélices α

muy estable. Tales superhelicoides de α hélices (Figura 3.29) se encuentran en la miosina y la


86

tropomiosina del músculo, en la fibrina de los coágulos sanguíneos y en la queratina capilar (Stryer et

al., 2003).

Figura 3.29. Superhelicoide de hélices α


Las hojas plegada β u hoja β se estabilizan por puentes de hidrógeno entre las cadenas polipeptídicas.

La hebra β β, está casi

completamente extendida en vez de estar enrollada y empaquetada como la hélice α. Las cadenas

laterales de aminoácidos contiguos apuntan en direcciones opuestas.

Figura 3.30. Hebra plegada β


Una hoja β se forma uniendo dos o más hebras β mediante puentes de hidrógeno. Las cadenas

adyacentes de una hoja β pueden dirigirse en sentidos opuestos (hoja β en el

mismo sentido (hoja β

En el ordenamiento antiparalelo, los grupos NH y CO de cada aminoácido establecen puentes de

hidrógeno, respectivamente, con un grupo CO y NH de un aminoácido situado en la cadena adyacente.

En el ordenamiento paralelo, el esquema de puentes de hidrógeno es más complicado ya que, en cada

aminoácido, el grupo NH forma puentes de hidrógeno con el grupo CO de un aminoácido de la cadena

adyacente, mientras que el grupo CO forma puentes de hidrógeno con el grupo NH del aminoácido

situado dos residuos más lejos de la cadena. Muchas cadenas, normalmente 4 ó 5, pero hasta 10 ó más,

se pueden unir en hojas β. Tales hojas β pueden ser estrictamente paralelas o antiparalelas (Figura 3.31)

o mixtas (Stryer et al., 2003).


87

Figura 3.31. Proyección más detallada de la lámina plegada β antiparalela


- Estructura terciaria: las proteínas solubles en agua se pliegan en estructuras compactas con un

núcleo no polar. Aunque las proteínas globulares suelen contener cantidades significativas de

elementos estructurales secundarios, otros factores contribuyen a su estructura. El término

estructura terciaria señala las conformaciones tridimensionales únicas que asumen las proteínas

globulares al plegarse en sus estructuras nativas (biológicamente activas). El plegamiento proteico,

un proceso en el que una molécula desorganizada naciente (recién sintetizada) adquiere una

estructura muy organizada, se produce como una consecuencia de las interacciones entre las

cadenas laterales en su estructura primaria.

La estructura terciaria tiene varias características importantes como:

• Muchos polipéptidos se pliegan de forma que los residuos de aminoácido distantes en la estructura

primaria queden cerca.

• Debido al eficaz empaquetamiento al plegarse la cadena polipeptídica, las proteínas globulares son

compactas. Durante este proceso, la mayoría de las moléculas de agua quedan excluidas del interior de

la proteína permitiendo las interacciones entre los grupos polares y apolares.

• Las proteínas globulares grandes (con más de 200 residuos de aminoácidos) suelen contener varias

unidades compactas llamadas dominios. Los dominios son segmentos estructuralmente independientes

que poseen funciones específicas como la unión de un ión o molécula pequeña como el dominio mano

EF que se forma por una configuración hélice-vuelta-hélice, que se une específicamente al Ca2+

(Figura 3.32).

Figura 3.32. Dominio mano EF



88

McKee y McKee (2003) describen que la estructura terciaria se estabiliza por las interacciones

siguientes (Figura 3.33):

Figura 3.33. Interacciones que mantiene la estructura terciaria


• Interacciones hidrófobas: al plegarse un polipéptido, los grupos R hidrófobos se acercan debido a que

son excluidos del agua. Posteriormente, las moléculas de agua muy ordenadas en cubiertas de

solvatación se liberan del interior, aumentando el desorden o entropía de las moléculas de agua. La

variación de entropía favorable es una fuerza impulsora fundamental en el plegamiento proteico.

• Interacciones electrostáticas: este tipo de interacciones se produce de una manera más fuerte entre los

grupos iónicos de carga opuesta. Denominados puentes salinos, estos enlaces no covalentes sólo son

significativos en las regiones de la proteína donde está excluida el agua, debido a la energía que se

requiere para eliminar las moléculas de agua de los grupos iónicos cerca de la superficie. Se ha

observado que los puentes salinos contribuyen a las interacciones entre las subunidades adyacentes en

las proteínas complejas. Lo mismo ocurre con las interacciones electrostáticas más débiles (ión-dipolo,

dipolo-dipolo, van der Waals). Son significativas en el interior de la proteína plegada y entre las

subunidades o en las interacciones proteína-ligando. Cabe aclarar que en las proteínas que constan de

varias cadenas polipeptídicas, cada polipéptido se denomina subunidad. Los ligandos son moléculas

que se unen a lugares específicos en moléculas mayores, como las proteínas. Los bolsillos de unión de

ligando son regiones sin agua de las proteínas.

• Enlaces de hidrógeno: se forman un número significativo de enlaces de hidrógeno dentro del interior

de una proteína y sobre su superficie. Además de formar enlaces de hidrógeno entre ellas, las cadenas

laterales polares de los aminoácidos pueden interaccionar con el agua o con el esqueleto polipeptídico.

De nuevo, la presencia de agua impide la formación de enlaces de hidrógeno con otras especies.


89

• Enlaces covalentes: se crean por reacciones químicas que alteran la estructura del polipéptido durante

su síntesis o posteriormente (modificaciones posteriores a la traducción). Los enlaces covalentes más

destacados en la estructura terciaria son los puentes disulfuro, que se encuentran en muchas proteínas

extracelulares. En los ambientes extracelulares estos enlaces fuertes protegen, en parte, a la estructura

proteica en los cambios adversos de pH o de concentración salina. Las proteínas intracelulares no

contienen enlaces disulfuro debido a las elevadas concentraciones de agentes reductores.

- Estructura cuaternaria: sobretodo las proteínas que tienen pesos moleculares elevados están

formadas por varias cadenas polipeptídicas. Cada componente polipeptídico se denomina

subunidad. Las subunidades en un complejo proteico pueden ser idénticas o diferentes. Las

proteínas con varias subunidades en las que alguna o todas sus subunidades son idénticas se

llaman oligómeros. Los oligómeros están formados por protómeros, que pueden estar formados

por una o varias subunidades. Un gran número de proteínas oligoméricas contienen dos o

cuatro subunidades protoméricas, denominadas dímeros y tetrámeros, respectivamente. Parece

haber varias razones para que existan las proteínas con varias subunidades:

• La síntesis de subunidades aisladas es más eficaz que aumentar sustancialmente la longitud de una

única cadena polipeptídica.

• En los complejos supramoleculares, como las fibras de colágeno, la sustitución de componentes

más pequeños gastados o dañados pueden realizarse de manera más eficaz.

• Las interacciones complejas de varias subunidades sirven para regular la función biológica de una

proteína.

Las subunidades polipeptídicas se ensamblan y se mantienen unidas por interacciones no covalentes,

como el efecto hidrófobo, las interacciones electrostáticas y enlaces de hidrógeno, así como los

estrecruzamientos covalentes. Como con el plegamiento proteico, el efecto hidrófobo es claramente el

más importante, ya que las estructuras de la superficie de unión complementarias entre las subunidades

son semejantes a las observadas en el interior de los dominios de las proteínas globulares. Aunque son

menos numerosos, los entrecruzamientos covalentes estabilizan significativamente determinadas

proteínas con varias subunidades. Entre los ejemplos más destacados se encuentran los puentes

disulfuro de las inmunoglobulinas y los enlaces de desmosina y lisinorleucina (Figura 3.34) en

determinadas proteínas del tejido conjuntivo. Se forman como consecuencia de diversas reacciones que

implican la oxidación de las cadenas laterales de lisina. Se produce un proceso semejante en la

formación de lisinorleucina, una estructura entrecruzada que se encuentra en la elastina y el colágeno

(McKee y McKee, 2003).

Figura 3.34. Formación de lisinorleucina



90

El tetrámero α2β2 de la hemoglobina (Figura 3.35) contiene dos subunidades α idénticas (rojo) que es

similar pero no idéntica a las dos subunidades β (amarillo). La molécula contiene cuatro grupos hemo

(negro con átomo de hierro en púrpura).

Figura 3.35. Tetrámero α2β2 de la hemoglobina


Para resumir consideremos que la estructura primaria es la secuencia de aminoácidos, la estructura

secundaria se refiere al ordenamiento espacial de los residuos de aminoácidos que están cerca de la

secuencia, la hélice α y la hebra β son elementos de estructura secundaria. La estructura terciaria nos

habla del ordenamiento espacial de los residuos de aminoácidos que se encuentran alejados en la

secuencia y del esquema de enlaces disulfuro. La estructura cuaternaria se refiere al ordenamiento

espacial de las subunidades (proteínas con más de una cadena polipeptídica) y la naturaleza de sus

interacciones (Stryer et al., 2003).

Además, las proteínas se presentan en una diversidad enorme de tamaños y formas, como se muestra

en la Figura 3.36 (McKee y McKee, 2003).


Una forma de clasificar a las proteínas es por su forma, su composición y su función.

Según su forma se clasifican en fibrosas y globulares. Las proteínas fibrosas son moléculas largas con

forma de varilla, insolubles en agua y físicamente correosas. Ejemplos son la queratina de la piel, pelo

y uñas que protegen y dan estructura, y la elastina. Las proteínas globulares son moléculas esféricas

compactas, generalmente hidrosolubles y tienen funciones dinámicas o móviles en la célula y como

ejemplos están la mayoría de las enzimas, inmunoglobulinas, hemoglobina, albúmina, etc. Las

proteínas fibrosas-globulares se parecen a las fibrosas por sus largas estructuras cilíndricas y a las

globulares por ser solubles en disoluciones acuosas salinas, por ejemplo la miosina y fibrinógeno.

Según su composición, las proteínas se clasifican en simples y conjugadas. Las proteínas simples

contienen sólo aminoácidos como la albúmina sérica, lactoalbúmina, ovoglobulinas, prolaminas,

colágeno, histonas y la queratina. Cada proteína conjugada consta de una proteína simple conjugada

con un componente no proteico, que se denomina grupo prostético (una proteína sin un grupo

prostético se llama apoproteína. Una molécula proteica combinada con su grupo prostético se llama

haloproteína). Las proteínas conjugadas se clasifican de acuerdo con la naturaleza de su grupo

prostético, por ejemplo en glucoproteínas (contienen un componente de hidratos de carbono),

lipoproteínas (contienen moléculas lipídicas), metaloproteínas (contienen iones metálicos),


91

fosfoproteínas (contienen grupos fosfato) y hemoproteínas (contienen grupos hemo) y nucleoproteínas


Figura 3.36. Diversidad de tamaños y formas de las proteínas


En la Figura 3.37se muestra un resumen gráfico de los niveles de organización de las proteínas.

Las proteínas poseen muy diversas funciones biológicas. En el Cuadro 3.6 se dan ejemplos

representativos de los diferentes tipos de proteínas clasificados de acuerdo con su función. Las enzimas

representan la clase más amplia ya que se conocen cerca de un millar de enzimas diferentes, cada una

de las cuales cataliza un tipo diferente de reacción química. Otras proteínas tienen la función de

almacenar aminoácidos como elementos nutritivos como la ovoalbúmina de la clara de huevo, la

caseína de la leche y la gliadina de las semillas de trigo. Algunas proteínas desempeñan la función de

transporte siendo capaces de unirse y transportar tipos específicos de moléculas por la sangre: la

seroalbúmina se une estrechamente a los ácidos grasos libres y así transporta sus moléculas entre el

tejido adiposo y otros órganos de los vertebrados; las lipoproteínas del plasma sanguíneo transportan

lípidos entre el intestino, el hígado y los tejidos adiposos; la hemoglobina de los eritrocitos de los

vertebrados transporta oxígeno desde los pulmones a los tejidos, en el caso de los invertebrados las

hemocianinas son las proteínas que transportan el oxígeno. Otras proteínas actúan como elementos

esenciales de los sistemas motiles y contráctiles, por ejemplo la actina y miosina son los dos elementos

proteicos principales de los sistemas contráctiles del músculo. Algunas proteínas desempeñan una


92

función protectora o defensiva, por ejemplo las proteínas sanguíneas trombina y fibrinógeno participan

en la coagulación de la sangre, otro ejemplo son los anticuerpos o inmunoglobulinas que se combinan

con proteínas extrañas y las neutralizan. Otro grupo de proteínas son las toxinas como la ricina de la

semilla del ricino, la gosipina de las semillas de algodón, etc. Otro grupo son aquellas proteínas que

actúan como hormonas como la hormona del crecimiento o somatotropina, la insulina, etc. Otras

proteínas actúan como elementos estructurales como la proteína fibrosa colágeno que es la principal

proteína estructural extracelular en el tejido conectivo y en el hueso, otro ejemplo son la elastina y la

queratina. Las arañas y los gusanos de seda segregan una disolución espesa de la proteína fibroína que

solidifica rápidamente formando un filamento insoluble de fuerza tensil excepcional y que sirve para

formar telarañas y capullos (Lehninger, 1983).

Figura 3.37. Niveles de organización de las proteínas

Fuente: Modificado de Proteína (2007)

3.2.3. Procesos de desnaturalización

La funcionalidad de las proteínas está estrictamente relacionada con una determinada conformación,

por tal, la pérdida de esta organización estructural va a constituir una pérdida de su actividad biológica.

Estas conformaciones son muy sensibles a los cambios del entorno. La desnaturalización es un

fenómeno que tiene lugar cuando estos cambios del entorno dan lugar a una alteración de la estructura

proteica que provoca una pérdida de su actividad biológica. Las proteínas son particularmente sensibles

a diversos factores desnaturalizantes como la temperatura (por encima de 50 ó 60º C la estabilidad de la

conformación plegada disminuye drásticamente) y las variaciones bruscas de pH. Otros agentes

desnaturalizantes son mercaptoheptanol, hidrocloruro de guanidina (6M), urea (6 a 8 M), agitación o

sacudimiento vigorosos, detergentes como el sulfato dodecílico de sodio (SDS) (Bohinski, 1991;

Garrido, 1991).

Dado que se trata de un estado muy frágil, la conformación original de las proteínas globulares está

sujeta a alteraciones por diversos agentes físicos, químicos o fisicoquímicos sin que ocurran cambios

en la secuencia de aminoácidos. Así, la desnaturalización, también se puede describir como una pérdida

de la conformación original.


93

Cuadro 3.6. Clasificación de las proteínas según su función biológica

Tipos y ejemplos Localización o función Enzimas

Hexoquinasa Fosforila glucosa

Lactato-deshidrogenasa Deshidrogena lactato

Citocromo c Transfiere electrones

DNA-polimerasa Replica y repara DNA

Proteínas de reserva

Ovoalbúmina Proteína de la clara de huevo

Caseína Proteína de la leche

Gliadina Proteína de la semilla de trigo

Ceína Proteína de la semilla de maíz

Proteínas transportadoras

Hemoglobina Transporta O2 en sangre de vertebrados

Hemocianina Transporta O2 en sangre de algunos invertebrados

Mioglobina Transporta O2 en el musculo

Seroalbúmina Transporta ácidos grasos en la sangre

Globulina que liga hierro Transporta hierro en la sangre

Ceruloplasmina Transporta Cu en la sangre

Proteínas contráctiles

Miosina Filamentos estacionarios en las miofibrillas

Actina Filamentos móviles en las miofibrillas

Dineína Cilios y flagelos

Proteínas protectoras en sangre de vertebrados

Anticuerpos Forman complejos con proteínas extrañas

Complemento Complejos con algunos sistemas antígeno-anticuerpo

Fibrinógeno Precursor de la fibrina en la coagulación sanguínea

Trombina Componente del mecanismo de coagulación

Toxinas

Toxina de Clostridium botulinum Envenenamiento bacteriano en alimentos

Toxina diftérica Toxina bacteriana

Venenos de serpiente Enzimas que hidrolizan fosfoglicéridos

Ricina Proteína tóxica de la semilla del ricino

Gosipina Proteína tóxica de la semilla de algodón

Hormonas

Insulina Regula el metabolismo de la glucosa

Hormona adrenocorticotrópica Regula la síntesis de corticosteroides

Hormona del crecimiento Estimula el crecimiento de los huesos

Proteínas estructurales

Proteínas recubrimiento viral Cubierta alrededor del cromosoma

Glucoproteínas Recubrimientos celulares y paredes celulares

Queratina Piel, plumas, uñas, pezuñas

Esclerotina Exoesqueleto de los insectos

Fibroína Seda de los capullos y telarañas

Colágeno Tejido conectivo fibroso (tendones, cartílago, hueso)

Elastina Tejido conectivo elástico (ligamentos)

Mucoproteínas Secresiones mucosas, fluido sinovial


La diferencia de energía libre entre la proteína desnaturalizada y su conformación nativa, en algunos

casos es muy pequeña. La modificación de alguna interacción que contribuya de forma esencial al

mantenimiento de la estructura, puede ser suficiente para desnaturalizar una proteína. Este proceso

puede ser reversible y en tal caso se habla de una renaturalización (Figura 3.38). En algunos casos la

renaturalización recupera del 95 al 100% de la actividad biológica, como ocurre cuando están

implicados puentes disulfuro en las posiciones esenciales (Figura 3.39). Así, la conformación nativa

puede restaurarse y de forma espontánea se restablece un estado de menor energía libre y mayor

estabilidad. La estructura primaria tiene toda la información para el plegamiento de la proteína

(Garrido, 1991).


94

Figura 3.38. Conformación original y estados de desnaturalización


Figura 3.39. Desnaturalización y renaturalización de una proteína;

estabilización por puentes disulfuro


La mayoría de las proteínas desnaturalizadas precipitan en las disoluciones en que se encuentran, como

consecuencia de las interacciones entre grupos hidrofóbicos, que en la conformación nativa se sitúan en

el interior de las diferentes moléculas (Garrido, 1991).


95

3.2.4. Hidrólisis parcial de las cadenas polipeptídicas

Los aminoácidos ingeridos por los vertebrados se hallan en su mayor parte como proteínas. Puesto

que los aminoácidos sólo pueden incorporarse en forma libre a las rutas metabólicas, las proteínas

ingeridas son hidrolizadas por las enzimas proteolíticas del tracto gastrointestinal, básicamente enzimas

secretadas por el estómago, páncreas y el intestino delgado (Figura 3.40).

Figura 3.40. Digestión de las proteínas

Fuente: Guyton y Hall (2002)

La digestión de las proteínas comienza en el estómago cuya enzima proteolítica principal es la pepsina

que es secretada en su forma zimógena, el pepsinógeno, por las células principales de la mucosa

gástrica. El pepsinógeno se convierte en pepsina activa por acción de la propia enzima al pH ácido del

jugo gástrico, con liberación de 42 restos de aminoácidos del extremo N-terminal de su única cadena

polipeptídica. La pepsina posee una especificidad muy amplia pero ataca preferentemente a los enlaces

peptídicos en los que intervienen restos de aminoácidos aromáticos, así como metionina y leucina,

rindiendo péptidos pero muy pocos aminoácidos libres (Lehninger, 1983).

El jugo pancreático es secretado al intestino delgado y aporta los zimógenos quimotripsinógeno,

tripsinógeno, procarboxipeptidasas A y B, además de la proelastasa. El quimotripsinógeno se convierte

en quimotripsina activa por separación de dos dipéptidos, por la acción de la tripsina y de la

quimotripsina libres. La quimotripsina hidroliza los enlaces peptídicos que contienen grupos carboxilo

de los aminoácidos aromáticos. El tripsinógeno se convierte en tripsina activa por separación de un

hexapéptido N-terminal por la acción de la enzima proteolítica enteroquinasa. La tripsina hidroliza los

enlaces peptídicos en los que intervienen los grupos carboxilo de la arginina y de la lisina. La

carboxipeptidasa A es una enzima que contiene Zn2+

e hidroliza casi todos los tipos de enlaces

peptídicos con carboxilos terminales, mientras que la carboxipeptidasa B escinde a los restos de lisina o

de arginina C-terminales.

Como resultado de la acción de la pepsina en el estómago, seguida de la acción de las proteasas

pancreáticas, las proteínas se convierten en péptidos cortos y en aminoácidos libres. Los péptidos

cortos que quedan se degradan después completamente para dar aminoácidos libres por acción de las

peptidasas que se encuentran en la mucosa intestinal y que son secretadas por la misma,

particularmente la leucín-aminopeptidasa (aminopeptidasa) que es una enzima que contiene Zn2+

y que

separa los restos N-terminales de los péptidos. Los aminoácidos libres resultantes son absorbidos hacia

la sangre y alcanzan el hígado donde tiene lugar gran parte del metabolismo ulterior de los

aminoácidos, incluida su degradación.


96

Las proteínas endógenas tienen también que degradarse hasta aminoácidos antes de que puedan ser

utilizadas como combustible (Lehninger, 1983).

El nitrógeno de la dieta de los rumiantes principalmente proviene de la proteína preformada a la cual

se le denomina proteína verdadera y de nitrógeno no proteico proveniente de la urea, sales de amonio,

nitratos, nitritos y ácidos nucleicos, además de la proteína microbiana y la urea que contiene la saliva.

En el rumen, la proteína de la dieta puede ser fermentada o escapar de la digestión ruminal, a esta

proteína que pasa al intestino sin sufrir transformaciones en el rumen, se le denomina proteína de

escape. Si la proteína es fermentada en el rumen, puede ser transformada a aminoácidos o a amoníaco

por acción de las enzimas microbianas, estos compuestos pueden ser usados por las bacterias para la

síntesis de proteína microbiana. En el caso del nitrógeno no proteico, puede ser desdoblado en

amoníaco y servir también para la formación de proteína microbiana.

Muchas especies de bacterias ruminales, protozoarios y hongos son proteolíticos. Cantidades

importantes de ácidos grasos volátiles (AGV) son derivados de la fermentación de aminoácidos. Los

principales productos son acetato, butirato y ácidos grasos de cadena ramificada, valerato, isobutirato,

isovalerato y 2-metilbutirato. Con relación a aminoácidos esenciales, valina, leucina e isoleucina, son

convertidos en ácidos grasos de cadena ramificada por desaminación oxidativa y descarboxilación.

Como resultado de la actividad de los microorganismos del rumen, el modo de utilización de las

proteínas por los rumiantes difiere significativamente del que tiene lugar en los animales no rumiantes.

Los microorganismos del rumen se caracterizan por su capacidad para sintetizar todos los aminoácidos,

incluyendo los esenciales, necesarios para el animal huésped. Por tanto, los rumiantes son casi

totalmente independientes, respecto a la calidad de las proteínas ingeridas. La utilización de las

proteínas ingeridas se realiza del modo mostrado en la Figura 3.41 en el rumen.

Figura 3.41. Hidrólisis de las proteínas en el rumen

Fuente: Spross (2002)

Los microorganismos (bacterias y protozoos) que contienen proteínas como componente principal

pasan con las proteínas de la ración no modificadas en el retículo-rumen, a través del omaso y

abomaso, hasta el intestino delgado.

Entre 30% y 80% de la proteína de los forrajes se degrada en el rumen, la cantidad depende del tiempo

de permanencia en el mismo y del nivel de alimentación. La digestión y absorción de las proteínas,

microbiana y del alimento, tiene lugar en el intestino delgado de los rumiantes del mismo modo que en

los no rumiantes mediante las enzimas mostradas en el Cuadro 3.7. La proteína microbiana y la


97

procedente del alimento no degradado se digieren en el intestino delgado por proteasas. Las enzimas y

demás proteínas endógenas segregadas al intestino también son digeridas.

Cuadro 3.7. Principales enzimas digestivas proteolíticas secretadas en el

tubo gastrointestinal de los rumiantes

Enzima Origen Sustrato Productos finales

Pepsina Estómago (células

principales) Proteína nativa

Proteosas, peptonas,

polipéptidos

Renina Abomaso Coagula leche (caseína) Caseinato de Calcio

Tripsina Páncreas Proteínas y polipéptidos Péptidos con un grupo

arginina o lisina

Quimotripsina Páncreas

Proteínas nativas o los

productos de digestión

de la pepsina

Péptidos con un

aminoácido aromático

Elastasa Páncreas Elastina y otras

proteínas

Péptidos con un

aminoácido alifático

Carboxipeptidasa

A Páncreas

Péptidos con

aminoácidos aromáticos

o alifáticos

Péptidos, pequeños

aminoácidos neutros,

aminoácidos ácidos

Carboxipeptidasa

B Páncreas

Péptidos con una

arginina o lisina

terminal

Aminoácidos básicos

Aminopeptidasas Intestino delgado Péptidos Aminoácidos

Dipeptidasas Intestino delgado Dipéptidos Aminoácidos

Nucleasas Páncreas e intestino

delgado Ácidos nucleicos Nucleótidos

Nucleotidasas Intestino delgado Nucleótidos

Bases de purinas y

pirimidinas, ácido

fosfórico, azúcares

pentosas

Fuente: Spross (2002)

Los aminoácidos procedentes de la proteína microbiana, de los alimentos y de la proteína endógena,

participan en el flujo de aminoácidos absorbidos en el intestino. Los aminoácidos considerados

esenciales para los rumiantes parecen ser los mismos que los esenciales para los demás mamíferos.

Para el aporte de los aminoácidos esenciales, los rumiantes dependen de la proteína microbiana y de la

proteína de la ración que escapa de la digestión del rumen. Aproximadamente 40% de las bacterias del

rumen tienen actividad proteolítica. Las proteasas de las bacterias del rumen están ligadas a las células,

pero se localizan en la superficie celular, de modo que tienen libre acceso al sustrato. Los protozoos

existentes en el rumen están equipados con potentes proteasas intracelulares. Estas enzimas

proteolíticas microbianas operan a un pH óptimo de 6 a 7.

El abomaso está dividido en dos regiones: la proximal o fúndica y la distal o pilórica. La región

fúndica contiene la mayor parte de las glándulas que segregan ácido clorhídrico, pepsina, mucina,

gastrina, y en los becerros jóvenes, renina (Spross, 2002).


98

4. Catálisis y energética de sistemas bioquímicos

4.1. Enzimas y coenzimas

Una de las funciones más importantes de las proteínas es su papel como catalizadores. Cabe mencionar

que hasta hace poco tiempo se consideraba que todas las enzimas eran proteínas, sin embargo, se ha

comprobado la existencia de varias moléculas de RNA catalíticas (McKee y McKee, 2003).

Las enzimas se requieren para casi todas las reacciones celulares (Roskoski, 2001).

Hay diferencia entre catálisis química y enzimática, ya que se diferencia en varios aspectos como los

descritos por Hicks (2003):

• Gran capacidad de reacción: la eficacia catalítica de las enzimas es de 106 a 10

12, la cuál es mayor que

la de reacciones no catalizadas e incluso es mayor cuando se compara con catalizadores químicos. Por

ejemplo, la hidratación del bióxido de carbono para formar ácido carbónico es una reacción que puede

efectuarse de manera espontánea, sin embargo, su realización eficaz y rápida es trascendente para la

vida de los seres que dependen del intercambio oxígeno-bióxido de carbono (Figura 4.1). Cada

molécula de la enzima anhidrasa carbónica cataliza la hidratación de 105 moléculas de CO2 en un

segundo. Esta reacción se verifica 107 veces más rápidamente que si se realizara en ausencia de la

enzima. En los organismos aerobios, el CO2 producido por los tejidos difunde a la sangre, en donde es

inmediatamente hidratado. Posteriormente llega a los alvéolos donde es deshidratado, liberando CO2.

Ambos procesos son catalizados por la enzima anhidrasa carbónica.

Figura 4.1. Reacciones de los organismos aerobios catalizadas por enzimas


• Condiciones específicas de reacción: las enzimas catalizan sus reacciones a temperaturas menores a

100º C y a pH cercanos a la neutralidad, mientras que los catalizadores químicos frecuentemente

requieren altas temperaturas y presiones, así como pH extremos.

• Especificidad: alta especificidad molecular. Por ejemplo, en la Figura 4.2 se muestra que la tripsina

(A) rompe en el lado carboxílico de los residuos de arginina y lisina, mientras que la trombina (B)

rompe los enlaces Arg-Gly sólo en secuencias específicas.

• Capacidad de regulación: la actividad catalítica de muchas enzimas varía en respuesta a la

concentración de sustancias diferentes al sustrato. Los mecanismos de este proceso regulador incluyen:

control alostérico, modificación covalente y variación en la cantidad de enzima sintetizada.


99

Figura 4.2. Especificidad enzimática de tripsina (A) y trombina (B)


4.1.1. Concepto de catalizador y enzima

Una enzima es un catalizador proteínico. Un catalizador es una sustancia que altera la velocidad de una

reacción química. Las moléculas sobre las cuáles actúan las enzimas se denominan sustratos y las

moléculas resultantes son productos (Roskoski, 2001). Las enzimas se unen con los sustratos por medio

de interacciones hidrofóbicas y electrostáticas, puentes de hidrógeno y fuerzas de van der Waals

(Laguna y Piña, 2002). En ausencia de un catalizador, las diferentes reacciones bioquímicas se

efectuarían tan lentamente que sería insignificante su participación en un ecosistema, e incluso la

lentitud en la reacción de un proceso sería incompatible con la vida.

Prácticamente todas las reacciones bioquímicas que ocurren en los sistemas biológicos requieren una

cantidad de energía que permita su inicio. La función de un catalizador es la de disminuir el

requerimiento de energía inicial necesaria para que un proceso se lleve a cabo.

Las enzimas son proteínas que disminuyen la cantidad de energía que se requiere para llevar a cabo

una reacción, dicha actividad catalítica es específica. Para realizar su función se unen a las moléculas

por catalizar, o sustratos, en un sitio específico denominado sitio activo, para establecer un complejo

enzima-sustrato, el cuál se puede disociar en sus moléculas originales, enzimas y sustratos, o bien

generar un producto y la enzima libre (Hicks, 2003).

La unión del sustrato a la enzima se puede explicar por medio de dos mecanismos. En 1890 Emil

Fischer planteó el modelo de la llave y la cerradura, el cual considera que el sitio activo de la enzima

está preformado, de tal manera que los residuos de aminoácidos mantienen una posición fija y

complementaria a los grupos del sustrato (Figura 4.3). La lisozima es una enzima presente en las

lágrimas y es capaz de hidrolizar uno de los polisacáridos presentes en las paredes bacterianas, siendo

uno de los pocos casos que se adaptan al modelo de la llave y la cerradura.


100

Figura 4.3. Modelo de la llave y la cerradura donde se muestra que el sitio activo de la enzima es

complementario a la estructura del sustrato

Fuente: Laguna y Piña (2002)

En contraste con este mecanismo rígido, el modelo del ajuste inducido propuesto por Koshland Jr. en

1958, propone que al interactuar el sustrato con la enzima se inducen cambios conformacionales en

ésta, que dan lugar a la formación del sitio activo. Se ha dicho que la enzima semeja un guante vacío, y

la presencia del sustrato equivale a introducir la mano en el guante, con lo que se le da forma precisa al

sitio activo (Figura 4.4). El modelo del ajuste inducido es el que se observa más frecuentemente en la

naturaleza (Laguna y Piña, 2002).

Figura 4.4. Modelo del ajuste inducido


Algunas enzimas responden a estímulos reguladores, ya que presentan en su estructura uno o varios

sitios de control, denominados sitios alostéricos. Estas regiones de la enzima son reconocidas por

sustancias con efectos activadores o inhibidores, que son generalmente productos del metabolismo, que

ejercen una interacción no covalente. Existe un grupo de enzimas de control o alostéricas que requieren

modificaciones covalentes en su estructura, como es el caso de la adición de grupos funcionales como

el fosfato, para ser reguladas. Algunas enzimas necesitan para su funcionamiento una o más moléculas

no proteínicas, que participan de manera directa en la reacción química durante la catálisis. Se les

denomina grupos prostéticos y se clasifican en cofactores y coenzimas. Los cofactores generalmente

son iones inorgánicos como el Ca2+

y Mg2, y las coenzimas son sustancias orgánicas derivadas de las

vitaminas hidrosolubles.

Los cofactores se subdividen en dos grupos: metales y moléculas orgánicas pequeñas (Cuadro 4.1). La

enzima anhidrasa carbónica, por ejemplo, necesita Zn2+

para su actividad (Hicks, 2003).


101

Stryer et al. (2003), a diferencia de Hicks (2003), describe que los cofactores que son moléculas

orgánicas pequeñas se llaman coenzimas que generalmente son derivados de vitaminas y pueden estar

unidos a la enzima fuerte o débilmente. Si la unión es muy fuerte se denominan grupos prostéticos.

Una enzima sin su cofactor se denomina apoenzima; el enzima completo activo catalíticamente se

llama holoenzima: apoenzima + cofactor = holoenzima (Stryer et al., 2003).

Los cofactores actúan generalmente por alguno de los siguientes mecanismos, según Hicks (2003):

• El cofactor, de manera aislada es capaz de catalizar una reacción; sin embargo, en presencia de la

enzima aumenta su capacidad catalítica y adquiere especificidad por el sustrato.

• Puede formar un complejo con el sustrato y el sitio activo de la enzima, permitiendo así, la catálisis.

• Suele funcionar como un poderoso atrayente de electrones en algún punto del ciclo catalítico.

Las coenzimas tienen un tamaño molecular mayor que los cofactores. La unión del cofactor a la

enzima es reversible en la mayoría de los casos, pero en otros se establece un enlace covalente .

Las características de las coenzimas son las siguientes:

● Son termoestables, es decir, mantienen su estructura química a temperaturas en que las proteínas se

desnaturalizan.

● Generalmente son derivados de vitaminas.

● Diversas enzimas que realizan la misma actividad catalíica, utilizan la misma coenzima; dinucleótido

de nicotinamida y adenina (NAD), que participan en varias reacciones de deshidrogenación.

● En algunos casos funcionan como cosustratos, ya que son modificadas durante una reacción

catalítica, retornando a su forma original en otra reacción.

La mayoría de las coenzimas derivan de las vitaminas. Las vitaminas son nutrientes orgánicos que se

requieren en cantidades pequeñas en la alimentación animal y se dividen en dos clases: hidrosolubles y

liposolubles (Cuadro 4.1). Existen determinados nutrientes semejantes a las vitaminas como el ácido

lipoico, carnitina y ácido para-aminobenzoico, que pueden sintetizarse en pequeñas cantidades y que

facilitan los procesos catalizados por las enzimas (McKee y McKee, 2003).

En algunos casos, una reacción metabólica específica es catalizada por varias enzimas distintas, a las

que se les denomina isoenzimas (Hicks, 2003).

Las características generales de las enzimas, según Hicks (2003), son las siguientes:

• La mayoría de las enzimas se constituyen por más de 100 aminoácidos.

• Disminuyen la energía de activación facilitando así, el inicio de una reacción, es decir, son

catalizadores que son agentes que afectan la velocidad de una reacción química, sin participar como

reactantes y sin aparecer en los productos finales de la reacción.

• Se requieren en cantidades mínimas.

• Alta especificidad. Una enzima generalmente cataliza una reacción. El grado de especificidad por el

sustrato es alto y en ocasiones absoluto.

• Pueden ser regulables (alostéricas)

• Son sensibles de ser inhibidas al disminuir o abolir su actividad por medio de diversas sustancias.

• Modifican la estructura química del sustrato, según el tipo de reacción que catalicen.


102

• No alteran el equilibrio de las reacciones, por ejemplo, la interconversión de A en B alcanza un

equilibrio en el que existe un porcentaje de A (90) y un porcentaje de B (10). En presencia de la enzima

específica, se incrementa la velocidad de reacción para que se establezca tal equilibrio (90:10).

• Pueden ser capaces de intercambiar diferentes formas de energía, por ejemplo, durante la fotosíntesis,

la energía luminosa es convertida en energía química de enlace. En la mitocondria, la energía libre

contenida en algunas moléculas provenientes de la alimentación es atrapada como energía de enlace

disponible para otras reacciones; en este caso, la energía está presente en enlaces altamente energizados

como en el caso del trifosfato de adenosina (ATP). Esta energía acumulada puede usarse para realizar

diversos procesos. Las células y sus orgánulos tienen sistemas que utilizan el ATP para transportar

iones y moléculas contra gradientes químicos y eléctricos.

Cuadro 4.1. Vitaminas y cofactores que son precursores de coenzimas

Vitamina Coenzima Reacción en que participa

Hidrosolubles

Biotina Biocitina Carboxilación

Cobalamina (B12) Coenzimas de cobamida Alquilación

Ácido fólico Tetrahidrofolato Transferencia de un carbono

Nicotinamida (B5) NAD, NADP Oxidorreducción

Pantotenato CoA Transferencia de gpos. acilos

Piridoxina (B6) Fosfato de piridoxal Transferencia de gpos. amino

Riboflavina (B2) FAD, FMN Oxidorreducción

Tiamina (B1) Pirofosfato de tiamina Transferencia de aldehídos,

descarboxilación

Liposolubles

Vitamina A Retinal Visión, crecimiento y reproducción

Vitamina D 1,25-dihidroxicolecalciferol Metabolismo del Ca y P

Vitamina E Desconocida Antioxidante lipídico

Vitamina K Desconocida Coagulación de la sangre

Cofactor Se requiere en: Procesos

Mg++

Enzimas que usan ATP Fosforilación

Ca++

Activación por AMPc Contracción muscular, glucogenólisis

Fe2+/

Fe3+

Hemoglobina, citocromos Transporte de electrones

Cu1+

/Cu2+

Citocromo oxidasa Transporte de electrones

Zn++

Deshidrogenasa láctica,

Anhidrasa carbónica

Varios

Mo6+ Xantina oxidasa Oxidasas y deshidrogenasas

Mn++

DNAasa Varios

Cl- Amilasa Hidrólisis

Se Glutatión peroxidasa

Va Nitrato reductasa

Ni Ureasa


En la Figura 4.5 se muestra una molécula de ATP que constituye el reservorio principal de energía en

diversos organismos, la cual libera al hidrolizarse un fosfato y 7.3 kcal/mol, energía que se utiliza en

muy diversas reacciones bioquímicas.


103

Figura 4.5. Molécula de ATP


Las enzimas disminuyen la energía de activación que es la cantidad de energía en calorías, necesaria

para llevar a todas las moléculas de un mol de una sustancia desde un estado dado hasta un

determinado estado activo (Figura 4.6). En una reacción química en que la molécula de sustrato es

modificada a producto, el sustrato tiene que pasar por un estado de transición con un contenido

energético mayor al del sustrato y del producto. La cantidad del producto de la reacción depende de la

temperatura, así como de la cantidad de energía libre entre la molécula del sustrato y la del estado de

transición, a esta diferencia se ha denominado energía libre de Gibbs y se simboliza por ΔG.

Figura 4.6. Definición de energía libre de activación (ΔG)


ΔG es el símbolo de una cantidad termodinámica denominada cambio de energía libre real o

fisiológica. Existen dos formas de energía útil: la energía libre que puede realizar trabajo a temperatura

y presión constantes, se representa por G, y energía calórica que puede realizar trabajo, produciendo un

cambio en la temperatura o presión.

La velocidad de una reacción es proporcional al número de moléculas que tienen una energía libre

igual o mayor que ΔG. El número de estas moléculas aumenta con la temperatura, así, las enzimas

aceleran las reacciones al disminuir ΔG, que es la barrera de activación. La combinación de enzima y


104

sustrato crea una nueva posibilidad de reacción, cuyo estado de transición energético es menor que si se

lleva a cabo en ausencia de la enzima (Figura 4.7).

Figura 4.7. Las enzimas disminuyen la energía de activación


El sustrato se une a una región específica de la enzima denominada sitio activo o sitio isostérico cuyas

características son las siguientes:

• Tamaño: es relativamente pequeño cuando se compara con el resto de la enzima, ya que esta región

está formada por pocos aminoácidos.

• Forma: es tridimensional.

• Unión: el sustrato se une a las enzimas por fuerzas relativamente débiles.

• Interacción: al interactuar el sitio activo con el sustrato, se forma un complejo tan compacto que en su

espacio intermolecular no cabe ni la molécula de agua. El sitio activo contiene varias zonas polares,

que son esenciales para el enlace y la catálisis; asimismo, posee otras regiones no polares en la que el

sustrato interactúa con mayor o menor intensidad, según sus características.

• Especificidad: un sustrato debe tener una forma, tamaño y características de carga para interactuar en

el sitio específico (Hicks, 2003).

4.1.2. Clasificación de enzimas

Las seis ategorías principales de enzimas (Cuadro 4.2), así como algunos ejemplos representativos

(Cuadro 4.3) descritos por McKee y McKee (2003), son las siguientes:

Oxidorreductasas: catalizan reacciones de oxidación-reducción. Entre las subclases de este grupo se

encuentran deshidrogenasas, oxidasas, oxigenasas, reductasas, peroxidasas e hidrolasas.

Transferasas: catalizan reacciones en las que hay una transferencia de grupos de una molécula a

otra. Entre los ejemplos de estos grupos están: amino, carboxilo, carbonilo, metilo, fosforilo y acilo

(RC=O). Los nombres comunes triviales suelen incluir el prefijo trans, por ejemplo:

transcarboxilasas, transmetilasas y transaminasas.

Hidrolasas: catalizan reacciones en las que se produce la rotura de enlaces por la adición de agua.

Entre las hidrolasas están: esterasas, fosfatasas y peptidasas.


105

Liasas: catalizan reacciones en las que se eliminan grupos de sus sustratos (por ejemplo: H2O, CO2

y NH3), por cualquier reacción que no sea hidrólisis, dejando enlaces dobles o que, a la inversa,

añaden grupos a enlaces dobles (Blood y Studdert, 1994). Los ejemplos son liasas, descarboxilasas,

hidratasas, deshidratasas, desaminasas y sintasas.

Isomerasas: se trata de un grupo heterogéneo de enzimas. Las isomerasas catalizan varios tipos de

reordenamientos intramoleculares. Las epimerasas catalizan la inversión de átomos de carbono

asimétricos. Las mutasas catalizan la transferencia intramolecular de grupos funcionales.

Ligasas: catalizan la formación de un enlace entre dos moléculas de sustrato. La energía para estas

reacciones la aporta siempre la hidrólisis del ATP. Los nombres de muchas ligasas incluyen el

término sintetasa. Otras ligasas se denominan carboxilasas.

Cuadro 4.2. Clasificación internacional de las enzimas de acuerdo a su función

Número de código y

nombre sistemático

Características

1. Oxidorreductasas

1.1

1.2

1.4

1.6

Catalizan la reacción de oxidorreducción al adicionar o sustraer un

hidruro(H:) y un hidronio (H+)

Actúan en grupos alcohol

Reacción aldehído o cetona→ alcohol

Actúan en grupos amino (NH3)

Actúan con NADH o NADPH

2. Transferasas

2.1

2.3

2.6

2.7

Transfieren diferentes moléculas

Un átomo de carbono en sus diferentes formas

Aminoácidos

Nitrógeno en sus diferentes formas

Fósforo en sus diferentes formas

3. Hidrolasas

3.1

3.2

3.4

3.5

Introducen una molécula de agua en el sitio de rotura

Ésteres

Carbohidratos

Enlaces peptídicos

Enlaces C-N diferentes al enlace peptídico

4. Liasas

4.1

4.2

4.3

Catalizan el rompimiento de un enlace covalente o su formación

C-C

C-O

C-N

5. Isomerasas

5.1

5.2

5.3

Catalizan esta reacción química en sus diferentes posibilidades

(moléculas con igual fórmula condensada y diferente fórmula

desarrollada, o con propiedades químicas iguales y físicas diferentes).

Las enzimas distinguen las diferentes formas de isomería.

Recemasas y epimerasas

Cis-Transisomerasas

Oxidorreductasas intramoleculares

6. Ligasas

6.1

6.3

6.4

Catalizan la reacción que permite la unión de dos moléculas con

hidrólisis simultánea de ATP

Enlace C-O

Enlace C-N

Enlace C-C


Una vez clasificadas de acuerdo a la reacción que catalizan, se pueden subdividir en tres grupos. De un

total de 1500 enzimas diferentes que posee la célula, existe un grupo que se encuentra presente pero en


106

forma inactiva, otro grupo que es el más numeroso está integrado por enzimas presentes en la célula

con capacidad catalítica activa independiente de los requerimientos fisiológicos o patológicos del

metabolismo y un tercer grupo integrado por enzimas que se encuentran en baja concentración o que no

se hallan presentes en un momento dado y requieren un estímulo adecuado que active su síntesis de

novo (denominadas enzimas inducibles). Los dos primeros grupos anteriores se denominan enzimas

constitutivas y proporcionan un control fino y rápido del metabolismo, mientras que las inducibles o

adaptativas efectúan un ajuste tardío y más exacto aún.

Cuadro 4.3. Ejemplos seleccionados de enzimas

Clase

enzimática

Ejemplo Reacción catalizada

Oxidorreductasas Alcohol

deshidrogenasa

Transferasas Hexoquinasa Glucosa + ATP → Glucosa-6-fosfato + ADP

Hidrolasas Quimiotripsina Polipéptido + H2O → Péptidos

Liasas Piruvato

descarboxilasa

Isomerasas Alanina racemasa D-Alanina ↔ L-Alanina

Ligasas Piruvato carboxilasa


En función de su capacidad intrínseca para ser regulables o no, las enzimas pueden dividirse en dos

grandes grupos:

• Enzimas alostéricas o regulables: además del sitio activo o isostérico presentan otros sitios no

catalíticos o alostéricos que son capaces de aceptar moléculas interaccionantes que ejercen un efecto

regulador sobre el sitio activo, al modificar las características esteroisoméricas de la proteína, y como

consecuencia, del sitio activo. La activación puede ser de dos tipos:

- Activación alostérica: la enzima aumenta su afinidad por el sustrato (disminuye su Km), así

como su velocidad de catálisis.

- Ihibición alostérica: se habla de efectores negativos y el tipo de respuesta implica una

modificación en la proteína que da como resultado una disminución en la velocidad de reacción

o en la afinidad por el sustrato (aumenta la Km). Este efecto inhibitorio se ejerce también en el

sitio alostérico.

También son llamadas enzimas de no equilibrio y catalizan una reacción dada independientemente de

la concentración de sustrato o productos, como en el caso de la hexocinasa, fosfofructocinasa y

piruvatocinasa en la glucólisis, así como de la isocitrato deshidrogenasa en el ciclo de Krebs.

• Enzimas isostéricas: a diferencia de las anteriores no son reguladas por moléculas diferentes de su

sustrato o productos de la reacción que catalizan. También se conocen como enzimas de equilibrio


107

porque mantienen un porcentaje dado de sustratos y productos, por lo que tienen una participación

importante en la regulación de las vías metabólicas, puesto que su función primordial es mantener una

concentración dada de productos y de sustrato, permitiendo un aporte adecuado e productos a las

enzimas subsecuentes.

Para explicar la regulación de una vía metabólica a nivel enzimático se considera que es innecesario y

poco económico para la célula, si una vía metabólica requiere la actividad catalítica de seis enzimas

consecutivas, regular cada una de ellas individualmente, es mejor que un solo sitio de control sea

suficiente para regular el flujo de moléculas (Hicks, 2003).

4.1.3. Cinética enzimática

Para que sean útiles para un organismo, las reacciones bioquímicas deben producirse a velocidades

razonables. La velocidad de una reacción bioquímica se define como el cambio de la concentración de

un reactante o producto por unidad de tiempo. La velocidad inicial v0 de la reacción A→P, donde

A=sustrato y P=producto es:

Donde [A] es la concentración del sustrato y [P] es la concentración del producto y t es el tiempo.

La velocidad inicial (v0), la velocidad cuando [A] es mucho mayor que la concentración de la enzima

[E] y el tiempo de reacción es muy corto, es la velocidad de la reacción inmediatamente después de

mezclar la enzima y el sustrato. Se mide ya que puede suponerse que la reacción inversa, conversión

del producto a sustrato, sí es posible.

El estudio cuantitativo de la catálisis enzimática, que se denomina, cinética enzimática, proporciona

información sobre las velocidades de reacción. Los estudios cinéticos miden también la afinidad de las

enzimas por los sustratos y los inhibidores, y proporcionan conocimientos sobre los mecanismos de

reacción (McKee y McKee, 2003).

El efecto catalítico de una enzima siempre es precedido por la formación de un complejo enzima-

sustrato que al formarse produce la modificación de algunas de las propiedades físicas de las enzimas,

como la solubilidad y la estabilidad al calor.

A una concentración constante de enzima, la velocidad de una reacción se incrementa directamente en

proporción al aumento de la cantidad de sustrato, hasta alcanzar un óptimo, es decir, a una

concentración suficientemente alta de sustratos, los sitios catalíticos de la enzima se saturan y la

reacción alcanza su velocidad máxima. En contraste, las reacciones no catalizadas no presentan este

efecto de saturación.

La saturación indica también que la enzima presenta un número finito de sitios de combinación con el

sustrato. Cuando todos los sitios están ocupados por sustrato, se puede hablar de saturación y es posible

explicar el tipo de cinética descrito por Michaelis y Menten en 1913. En este caso, debe considerarse

que sólo un sustrato y un producto son libremente interconvertibles. El complejo enzima-sustrato (ES)

puede disociarse para dar enzima (E) y sustrato (S) o puede generar el producto de la reacción (P) y

liberar la enzima (E):


108

Donde k es igual a la velocidad de la reacción.

La ecuación de Michaelis-Menten para reacciones de un solo sustrato es:

v = (Vmáx[S])/(Km+[S])

Donde relaciona Vmáx [S], con la constante de Michaelis-Menten (Km) (Hicks, 2003).

Se puede evaluar la ecuación de Michaelis-Menten que relaciona la velocidad de la reacción

catalizada por una enzima, a dos constantes cinéticas con las siguientes propiedades. Bajo condiciones

definidas y con una cantidad específica de enzima, ésta muestra la velocidad máxima que se alcanza

como valor limitante cuando la concentración de sustrato aumenta. La Km (constante de Michaelis) es

la concentración de sustrato para alcanzar la mitad de la velocidad máxima (Roskoski, 2001).

Si se mide la velocidad de la reacción (v) a diferentes valores de [S], el valor de Km puede estimarse a

partir de la curva hiperbólica obtenida (Figura 4.8).

Figura 4.8. Trazo de la actividad relativa de una enzima (v) como una función de la concentración de

sustrato, para una enzima que obedece la cinética de Michaelis-Menten


Vmáx es la velocidad máxima y Km es la constante de Michaelis. Como una función de la

concentración de la enzima Vmáx es 1.0 y la concentración de sustrato requerida para alcanzar 1/2 Vmáx

es igual a Km.

Sin embargo, la Vmáx casi nunca puede ser calculada a partir de esta curva, ya que las concentraciones

de sustrato no son suficientes para saturar a la enzima.

En contraste con la curva hiperbólica obtenida, cuando se grafica velocidad relativa (y) en

contraposición a [E] es una recta (Figura 4.9).


109

Figura 4.9. Gráfica de velocidad en contraposición a [E]


Pero utilizando la recíproca de la ecuación de v, se obtiene la ecuación lineal conocida como ecuación

de Lineweaver-Burk (Hicks, 2003):

Resulta difícil determinar la Km y la velocidad máxima a partir de una hipérbola rectangular. Un

procedimiento común para establecer las constantes cinéticas es por la ecuación de Lineweaver-Burk o

doble recíproca que se puede comparar con la siguiente ecuación de línea recta, donde b es la

intersección con el eje Y, y m es la pendiente: y = mx + b.

En la ecuación de Lineweaver-Burk, 1/Vmáx es la intersección con el eje y (b), y Km/ Vmáx es la

pendiente (m) (Figura 4.10).

Figura 4.10. Gráfica de Lineweaver-Burk o doble recíproca


La curva obtenida al graficar 1/v contra 1/[S] (doble recíproca) produce una línea recta con una

pendiente Km/Vmáx y un intercepto en la ordenadas 1/Vmáx . La pendiente y el intercepto pueden

medirse rápidamente utilizando la gráfica o, de manera alternativa, al multiplicar la ecuación por [S]:

El valor de Km de una enzima generalmente es bajo (10

-1 a 10

-6 M), cuanto más pequeño es, indica que

la enzima tiene mayor afinidad por su sustrato, y por tal, la unión es más fuerte (Hicks, 2003).


110

Roskoski (2001) describe de una forma más simple todo lo anterior y menciona que en una reacción

catalizada por una enzima hay aumento de la velocidad de la reacción cuando la concentración del

sustrato aumenta (Figura 4.11). A menudo, una gráfica de velocidad como función de la concentración

del sustrato da una hipérbola rectangular. A concentraciones cada vez mayores del sustrato, el aumento

de actividad es progresivamente menor. Estos datos demuestran que las enzimas exhiben el llamado

efecto de saturación. La saturación significa que los sustratos interactúan con un número dado de

moléculas catalíticas y son convertidos a productos.

Figura 4.11. Velocidad de una reacción catalizada por una enzima como función

de la concentración de sustrato

Fuente: Champe et al. (2006)

A bajas concentraciones, un aumento en la concentración de sustrato produce un incremento lineal o

de primer orden en la velocidad de la reacción catalizada por una enzima. A muy altas concentraciones,

un aumento en la concentración de sustrato produce incremento muy pequeño de la velocidad de la

reacción catalizada por una enzima con cinética de orden cero (cuando la velocidad es independiente de

la concentración de sustrato) (Roskoski, 2001).

4.1.4. Factores que influyen en la actividad enzimática

Dada su naturaleza proteínica, las enzimas son afectadas en su actividad por factores físicos,

temperatura, fuerza iónica, pH, factores químicos, presencia de cofactores, activadores específicos e

inhibidores, la concentración de la enzima y la concentración del sustrato (Hicks, 2003; Boyer, 2000;

Mertz, 1985; Bronk, 1980; Cantarow y Schepartz, 1977). Cualquier factor ambiental que distorcione

dicha estructura proteica puede alterar la actividad enzimática. Sobretodo son especialmente sensibles a

las variaciones de temperatura y pH.


111

- Temperatura: La temperatura afecta a todas las reacciones químicas. Cuanto mayor es la

temperatura, mayor es la velocidad de reacción, que aumenta debido a que hay más moléculas

con la energía suficiente para entrar en el estado de transición (Figura 4.12). Las velocidades de

las reacciones catalizadas por enzimas aumentan también al incrementarse la temperatura, sin

embargo, las enzimas son proteínas que se desnaturalizan a temperaturas elevadas. Cada enzima

tiene una temperatura óptima a la que actúa con su máxima eficacia. Los valores de temperatura

óptima dependen del pH y de la fuerza iónica. Si la temperatura se incrementa más allá de la

óptima, la actividad enzimática desciende bruscamente (McKee y McKee, 2003). La

temperatura óptima de una enzima normalmente está cerca de la temperatura normal del

organismo del que procede. La mayor parte de las enzimas animales comienzan a ser

desnaturalizadas de manera importante a temperaturas que exceden de 40º C (Cantarow y

Schepartz, 1977).

Figura 4.12. Efecto de la temperatura sobre la actividad enzimática, se aprecia que la actividad

catalítica se pierde ya que el calor desnaturaliza a la enzima


- pH: La concentración de ión hidrógeno afecta a las enzimas de diversas formas, ya que la

actividad catalítica está relacionada con el estado iónico del lugar activo que se ve afectado por

las variaciones de concentración del ión hidrógeno. Los sustratos pueden afectar también la

actividad enzimática, ya que si un sustrato tiene un grupo ionizable, un cambio del pH puede

alterar su capacidad para unirse al lugar activo. Los cambios de los grupos ionizables pueden

alterar la estructura terciaria de la enzima. Los cambios drásticos del pH frecuentemente

conducen a la desnaturalización. El valor de pH al que la actividad de una enzima es máxima se

denomina pH óptimo y varían considerablemente según la enzima (McKee y McKee, 2003;

Boyer, 2000). El pH óptimo de la pepsina, una enzima proteolítica que se produce en el

estómago, es aproximadamente de 2.0; la quimiotripsina digiere las proteínas en el intestino

delgado y su pH óptimo es 8.0 (Figura 4.13) (McKee y McKee, 2003).

- Concentración del sustrato: Cuando la concentración del reactante es alta, la cantidad de

moléculas con energía suficiente para reaccionar, así como la frecuencia de las colisiones,

también son altas. Esto resulta cierto ya sea que todas las moléculas o sólo una fracción de ellas,

tengan energía suficiente para reaccionar. Considérese las reacciones que involucran dos

moléculas diferentes, A y B: A+B AB. Al duplicar la concentración de A o B se duplicará la

velocidad de la reacción; al duplicar la concentración de ambas, se incrementa cuatro veces la


112

probabilidad de una colisión, por tanto, la velocidad de reacción se incrementa cuatro veces y

resulta proporcional a la concentración de las moléculas reactantes. En la explicación siguiente,

las reacciones enzimáticas se tratan como si tuvieran un solo sustrato y un solo producto. Si

bien éste es el caso en algunas reacciones catalizadas por enzimas, la mayor parte de las

reacciones tiene dos o más sustratos y productos. Sin embargo, tal consideración no invalida la

explicación. Al incrementarse la concentración de un sustrato [S], al tiempo que el resto de las

condiciones se conserva constante, la velocidad inicial medida vi (la velocidad medida cuando

ha reaccionado muy poco sustrato), se incrementa hasta alcanzar un valor máximo Vmáx. La

velocidad se incrementa conforme aumenta la concentración del sustrato, hasta un punto en el

que se dice que la enzima se satura con dicho sustrato. La velocidad inicial medida, alcanza un

valor máximo que no se modifica por incrementos subsecuentes de la concentración del

sustrato, debido a que existe un gran exceso molar de sustrato respecto a la enzima (Figura

4.12) (Murray et al., 2001).

Figura 4.13. Efecto del pH sobre dos enzimas


- Concentración de la enzima: la velocidad de una reacción enzimática es directamente

proporcional a la concentración de la enzima, es decir, a mayor concentración de enzimas, la

reacción es más rápida como se observa en la Figura 4.14 (Toporek, 1985). Si existe un exceso

de sustrato, al duplicar la concentración de la enzima, generalmente, se duplica la velocidad de

formación de productos finales. Esto se aplica, de ordinario, sólo al comienzo de la reacción, ya

que los productos finales de la reacción tienen a menudo un efecto inhibitorio sobre la enzima,

y disminuyen su eficiencia. A medida que se aumenta la concentración de la enzima, se puede

llegar a un punto (teóricamente) en el que el sustrato (manteniendo su concentración constante)

está saturado con la enzima (todo en la forma de complejo enzima-sustrato). Esto requeriría una

relación mol a mol para la mayoría de las enzimas. Si pudiera alcanzarse este punto, los

incrementos adicionales en la concentración de la enzima no tendrían influencia sobre la

velocidad de la formación de productos finales. En la Figura 4.15 se muestra la forma general

de la curva que relaciona la concentración de la enzima con la actividad enzimática,

manteniendo constantes los demás factores. La parte punteada de la Figura 4.16 es hipotética y

casi imposible de alcanzar in vitro, puede ocurrir hasta un grado limitado en la célula viva.

- Fuerza iónica: la actividad de muchas enzimas es afectada por la concentración de iones en la

solución. Este efecto se agrega a los efectos más específicos de ciertos activadores de cationes y

de aniones. La sensibilidad de las enzimas a la concentración de iones se debe a la presencia de

una atmósfera iónica difusa alrededor de cada molécula de proteína enzimática que atrae iones

del signo opuesto.


113

Figura 4.14. Efecto de la concentración de la enzima sobre la velocidad de la reacción

Fuente: Toporek (1985)

Figura 4.15. Relación de la concentración de la enzima con la actividad enzimática

Fuente: Mertz (1985)

- Activadores específicos: los iones metálicos son partes integrantes de muchos sistemas

enzimáticos. Puesto que pueden eliminarse reversiblemente de la apoenzima, pueden

considerarse como activadores. Así, la arginasa requiere iones de cobalto, manganeso o hierro,

pero la apoenzima no puede ser activada por otros iones. La leucilpeptidasa es activada por

iones de magnesio o manganeso. La enzima amilasa salival requiere la presencia de un anión,

ion cloruro, para su completa actividad. La teoría para las propiedades activadoras de la

mayoría de los iones metálicos es que forman compuestos de coordinación y actúan como

puentes entre el sustrato y la enzima. En la Figura 4.16 se observa el sustrato leucil glicina y su

enzima leucil peptidasa empleando manganeso como el ion activador (Mertz, 1985).

Figura 4.16. Acción del manganeso como ion activador



114

- Activadores proenzimáticos: muchas proteínas son elaboradas por las células en una forma

inactiva denominada preenzima, cimógeno o proenzima. Esta es la forma en que la naturaleza

protege a la célula madre de la autodigestión a autolisis. Ejemplos de zimógenos son el

pepsinógeno, tripsinógeno, quimiotripsinógeno y protrombina. El pepsinógeno es activado a

pepsina por hidrogeniones y más rápidamente por la pepsina misma (autocatálisis). El

tripsinógeno es activado a tripsina por la enzima enterocinasa y por la misma tripsina. El

quimiotripsinógeno es activado a quimiotripsina por la tripsina. La protrombina es activada a

trombina por la acción combinada de iones calcio, tromboplastina, acelerador del plasma y

factores de las plaquetas. Si la trombina fuera secretada por el hígado en la corriente sanguínea

como trombina activa causaría la muerte rápida del animal por coagulación intravascular

(Toporek, 1985; Mertz, 1985).

4.1.5. Inhibición enzimática

La actividad de las enzimas puede inhibirse. Las moléculas que reducen la actividad de una enzima,

denominadas inhibidores, incluyen muchos fármacos, antibióticos, conservantes alimentarios y

venenos. Dicha inhibición es importante para regular las rutas metabólicas, numerosos tratamientos

clínicos se fundamentan en la inhibición enzimática.

La inhibición enzimática puede producirse cuando un compuesto compite con el sustrato por el lugar

activo de la enzima libre, se une al complejo ES en un lugar separado del lugar activo, o se une a la

enzima libre en un lugar separado del lugar activo. Se describen tres clases de inhibidores enzimáticos:

competitivos, acompetitivos y no competitivos

• Inhibidores competitivos: se unen de forma reversible a la enzima libre, y no al complejo ES, para

formar un complejo enzima-inhibidor (EI) como se muestra en la Figura 4.17.

Figura 4.17. Formación del complejo enzima-inhibidor mostrando que no hay reacción


Con frecuencia el sustrato y el inhibidor compiten por el mismo lugar en la enzima. El complejo EI se

disocia fácilmente, por lo que la enzima está disponible nuevamente para unirse al sustrato. El efecto de

un inhibidor competitivo sobre la actividad puede revertirse aumentando la concentración del sustrato.

A [S] elevadas, todos los lugares activos están llenos de sustrato y la velocidad de reacción alcanza el

valor que se observa sin un inhibidor. Las sustancias que se comportan como inhibidores competitivos,

es decir, que reducen la afinidad aparente de una enzima por el sustrato, suelen tener una estructura

semejante a la del sustrato. En la gráfica de la Figura 4.18 se muestra la representación de Michaelis-

Menten de una actividad enzimática sin inhibir frente a una inhibición competitiva.


115

Figura 4.18. Representación de Michaelis-Menten de una actividad enzimática

sin inhibir frente a una inhibición competitiva


• Inhibidores acompetitivos: el inhibidor sólo se une al complejo enzima-sustrato, y no a la enzima

libre (Figura 4.19).

Figura 4.19. Inhibición acompetitiva


La adición de más sustrato a la reacción da lugar a un aumento de la velocidad de reacción, pero no

hasta el grado que se observa en las reacciones sin inhibir. La inhibición acompetitiva suele observarse

en las reacciones en las que las enzimas unen más de un sustrato.

• Inhibidores no competitivos: el inhibidor puede unirse tanto a la enzima como al complejo enzima-

sustrato (Figura 4.20).

Figura 4.20. Inhibición no competitiva


En estas circunstancias el inhibidor se une a un lugar diferente del lugar activo. La unión del inhibidor

ocasiona la modificación de la conformación de la enzima que impide la formación del producto.

Generalmente, los inhibidores no competitivos, no afectan a la unión del sustrato y se parecen poco o


116

nada a éste. La inhibición no competitiva sólo se invierte parcialmente aumentando la concentración de

sustrato. En la Figura 4.21 se representa la gráfica de Michaelis-Menten de una actividad enzimática

sin inhibir frente a una inhibición no competitiva.

Figura 4.21. Representación de Michaelis-Menten de una actividad enzimática

sin inhibir frente a una inhibición no competitiva


La inhibición competitiva, acompetitiva y no competitiva puede diferenciarse fácilmente con

representaciones dobles inversas (Figura 4.22), observándose:

Figura 4.22. Análisis cinético de la inhibición enzimática


a) Inhibición competitiva. Las representaciones de 1/v frente a 1/[S] en presencia de varias

concentraciones del inhibidor cortan en el mismo punto sobre el eje vertical, 1/Vmáx.

b) Inhibición acompetitiva. Las representaciones de 1/v frente a 1/[S] en presencia de varias

concentraciones del inhibidor no tienen una intersección común ni en el eje horizontal ni en el

eje vertical.

c) Inhibición no competitiva. Las representaciones de 1/v frente a 1/[S] en presencia de varias

concentraciones del inhibidor cortan en el mismo punto sobre el eje horizontal -1/Km. Se

supone que las constantes de disociación de ES y ESI son las mismas (McKee y McKee, 2003).


117

Algunas sustancias se combinan de forma covalente con las enzimas y las inactivan de manera

irreversible (Cuadro 4.4). Casi todos los inhibidores enzimáticos irreversibles son sustancias tóxicas,

naturales o sintéticas. En la mayoría de los casos, estas sustancias reaccionan con algún grupo

funcional del lugar activo para bloquear el lugar del sustrato o para dejarlo catalíticamente inactivo


4.1.6. Enzimas alostéricas

La regulación de la velocidad de reacción de las enzimas es un aspecto esencial para que el organismo

pueda coordinar sus numerosos procesos metabólicos. Las velocidades de la acción de la mayor parte

de las enzimas reaccionan a los cambios de la concentración de los sustratos, porque la concentración

intracelular de muchos de ellos se encuentra dentro de los límites de la Km. De esta manera, el aumento

en la concentración de sustrato incrementa de inmediato la velocidad de la reacción, que tiende a hacer

volver a esta concentración hacia sus límites normales. Por añadidura, algunas enzimas con funciones

reguladoras especializadas reaccionan a los efectores alostéricos o a la modificación covalente, o

manifiestan velocidades alteradas de síntesis de enzimas cuando cambian las condiciones fisiológicas.

Las enzimas alostéricas se encuentran reguladas por moléculas que se denominan efectores (o

modificadores) que se fijan de manera no covalente en un sitio distinto al sitio activo. Estas enzimas

están compuestas por subunidades múltiples, y el sitio regulador que se enlaza con el efector puede

estar localizado en una subunidad que en sí misma no es catalítica. La presencia de un efector

alostérico puede alterar la afinidad de la enzima por su sustrato, modificar la actividad catalítica

máxima de la enzima, o hacer ambas cosas. Los efectores que inhiben la actividad enzimáticas se

denominan efectores negativos, en tanto que los que incrementan la actividad enzimática se denominan

efectores positivos. Las enzimas alostéricas suelen contener subunidades múltiples y a menudo

catalizan la etapa programada al principio de una vía de reacción.

Cuando el propio sustrato funciona como efector se dice que el efecto es homotrópico. Más a menudo

un sustrato alostérico funciona como efector positivo. En este caso, la presencia de una molécula del

sustrato en un sitio sobre la enzima incrementa las propiedades catalíticas de los otros sitios de fijación

del sustrato, es decir, los sitios en los que se fijan manifiestan cooperatividad. Estas enzimas producen

una curva sigmoidea cuando se proyecta la velocidad de reacción (V0) contra la concentración del

sustrato (Figura 4.23) en contraste con la curva hiperbólica característica de las enzimas que siguen la

cinética de Michaelis-Menten. Los efectores positivos y negativos de las enzimas alostéricas pueden

afectara la Vmáx, a la Km o a ambas.

En la Figura 4.23 se muestra que en A) está alterada la Vmáx y en B) está alterada la concentración de

sustrato que produce la velocidad submáxima (K0.5).

El efector puede ser diferente del sustrato, caso en el que se dice que el efecto es heterotrópico. Por

ejemplo la inhibición de retroalimentación que se ilustra en la Figura 4.24 donde la enzima que

convierte a A en B tiene un sitio alostérico que se fija al producto final E. Si la concentración de E

aumenta (por ejemplo si no se emplea con la misma rapidez con la que se sintetiza), se inhibe la enzima

inicial de la vía de reacción. La inhibición de retroalimentación provee a la célula con un producto que

necesita al regular el flujo de moléculas de sustrato por la vía que sintetiza a ese producto.


118

Cuadro 4.4. Inhibidores enzimáticos irreversibles

Nombre Fórmula Origen Modo de acción

Cianuro Almendras

amargas

Reacciona con iones metálicos

de enzimas (Fe, Zn, Cu); sus

dianas primarias son las

enzimas de la cadena

respiratoria

Diisopropil

fluorofosfat

o (DFP)

Sintético

Inhibe enzimas con serina en el

lugar activo, como la

acetilcolinesterasa

Sarín

Sintético (gas

nervioso)



acetilcolinesterasa

Fisostigmin

a

Semillas de

Physostigma

venosum



acetilcolinesterasa

Paratión

Sintético

(insecticida)



acetilcolinesterasa pero

especialmente de insectos

N-tosil-L-

fenil-

alaninaclor

o-metil-

cetona

(TPCK)

Sintético Reacciona con la His 57 de la

quimiotripsina

Penicilina

Del hongo

Penicillium

Inhibe las enzimas de la síntesis

de la pared de la célula

bacteriana


Muchas enzimas pueden estar reguladas por modificación covalente, con más frecuencia mediante

añadidura o remoción de grupos fosfato de residuos de serina, treonina o tirosina específicos de la

enzima. La fosforilación de las proteínas se reconoce como una de las maneras primarias en las que se

regulan los procesos celulares.


119

Figura 4.23. Acción resultante de los efectores negativos (rojo) o positivos (verde) sobre un enzima

alostérica


Figura 4.24. Inhibición de retroalimentación de una vía metabólica


Para resumir el tema de enzimas y coenzimas en la Figura 4.25 se muestra un mapa conceptual.

4.2. Metabolismo y bioenergética

La transformación de las sustancias dentro de la célula se lleva a cabo mediante rutas metabólicas. Una

ruta metabólica consiste en una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente en las que el producto

de una enzima es el sustrato de la siguiente. Al conjunto de rutas metabólicas que tienen lugar en las

células vivas se conoce como metabolismo.

Las funciones específicas del metabolismo son obtención de energía de la luz solar o de los nutrientes,

transportar los nutrientes al interior de la célula y transformarlos en moléculas sencillas, unir estas

moléculas sencillas para formar macromoléculas y otros componentes celulares y, finalmente, sintetizar

biomoléculas con funciones especializadas en la célula y su degradación (Figura 4.26) (Garrido, 1991).


120

Figura 4.25. Mapa conceptual clave de las enzimas



121

Figura 4.26. Visión general del metabolismo


La bioenergética es una rama de la termodinámica (investigación de las transformaciones energéticas

que acompañan a los cambios físicos y químicos de la materia cuyos principios se utilizan para evaluar

el flujo y los intercambios de materia y energía) que estudia las transformaciones energéticas en los

seres vivos, especialmente es útil en la determinación de la dirección y la cuantía a la que se producen

las reacciones bioquímicas específicas. Estas reacciones están afectadas por tres factores, dos de los

cuáles están relacionados con la primera y segunda ley de la termodinámica respectivamente y son:

entalpía (contenido total de calor) y entropía (desorden). El tercer factor denominado energía libre

(energía disponible para realizar un trabajo químico), deriva de una relación matemática entre la

entalpía y la entropía (Figura 4.27).

Las leyes de la termodinámica describen las transformaciones energéticas y son:

• Primera ley de la termodinámica: la cantidad total de energía del universo es constante. La energía

no puede crearse ni destruirse, sino que sólo puede transformarse de una forma en otra.

• Segunda ley de la termodinámica: el desorden del universo aumenta siempre. En otras palabras,

todos los procesos físicos y químicos sólo se producen espontáneamente cuando aumenta el desorden.

• Tercera ley de la termodinámica: al acercarse la temperatura de un cristal sólido perfecto al cero

absoluto (0 K), el desorden se aproxima a cero.


122

Figura 4.27. Relaciones entre los cambios en la energía libre (G), la entalpía (H)

y la entropía (S).


T es la temperatura absoluta en grados Kelvin (ºK=ºC+273)

La termodinámica trata de las transformaciones del calor y la energía que tienen lugar en un universo

compuesto por un sistema y su entorno. Cada sistema se define según el investigador, desde una célula

hasta un ser vivo entero o una reacción en un recipiente. En un sistema abierto la materia y la energía

se intercambian entre el sistema y su entorno (Figura 4.28). Si sólo puede intercambiarse energía con el

entorno, el sistema se dice que es cerrado. Los seres vivos, que consumen nutrientes de su entorno y

liberan a él productos de desecho, son sistemas abiertos (McKee y McKee, 2003).

Figura 4.28. Un universo termodinámico formado por un sistema y su entorno


La primera ley establece que la energía no puede crearse ni destruirse, es decir, la cantidad total de

energía de un sistema y su entorno, que se denomina energía interna (E), debe ser la misma antes y

después de producirse un proceso. Cuando se está realizando trabajo y se está transfiriendo calor, la

primera ley puede establecerse de la siguiente forma:

ΔE = q+w

Donde:

ΔE = variación de energía del sistema

q = calor del entorno absorbido por el sistema

w = trabajo realizado por el entorno sobre el sistema


123

Los químicos han definido el término entalpía (H), que está relacionado con la energía interna,

mediante la ecuación:

H=E+PV

Donde PV = trabajo presión-volumen, es decir, el trabajo realizado sobre o por un sistema que supone

variaciones de la presión y del volumen.

En los sistemas bioquímicos en los que la presión es constante, las variaciones de entalpía (ΔH) son

iguales al calor ganado o perdido por el sistema (ΔE=q). Cuando la variación del volumen en este

proceso es relativamente despreciable, como ocurre en las células, la variación de entalpía es

esencialmente igual a la energía interna:

ΔH=ΔE

Cuando ΔH es negativa (ΔH<0), la reacción o proceso desprende calor y se denomina exotérmico.

Cuando ΔH es positiva (ΔH >0), se absorbe calor del entorno y ese proceso se llama endotérmico. En

los procesos isotérmicos (ΔH=0), no se intercambia calor con el entorno.

Respecto a la segunda ley de la termodinámica, el grado de desorden de un sistema se mide por la

función del estado denominada entropía (S). Cuanto más desordenado está un sistema, mayor es el

valor de su entropía. La variación de entropía del universo es positiva para todos los procesos

espontáneos. El aumento puede tener lugar en cualquier parte del universo (ΔSsis o ΔSent):

ΔSuniv=ΔSsis+ΔSent.

El conocimiento de las funciones termodinámicas como la entalpía, la entropía y la energía libre

permite a los bioquímicos predecir si un proceso es espontáneo (termodinámicamente favorable). Esto

no indica que se producirá la reacción (es cinéticamente favorable), sino que puede tener lugar con un

conjunto adecuado de condiciones. Las reacciones sólo son cinéticamente favorables cuando el sistema

que experimenta el cambio dispone de energía suficiente.

La variación de la energía libre (ΔG) es negativa cuando ΔSuniv es negativa, la cual refleja una

reacción espontánea, que se dice es exergónica. Si ΔG es positiva, se dice que el proceso es

endergónico (no espontáneo). Cuando ΔG es cero, el proceso se encuentra en equilibrio (Figura 4.29).

Figura 4.29. Ecuación de la energía libre de Gibbs



124

Un convenio conocido como estado estándar proporciona una base uniforme para los cálculos de

energía libre. Se define la energía libre estándar, ΔGº, para las reacciones a 25º C (298º K) y 1 atm de

presión con todos los solutos a una concentración de 1.0 M. La variación de energía libre estándar está

relacionada con la constante de equilibrio de la reacción, Keq, el valor del cociente de la reacción es el

equilibrio cuando las velocidades de las reacciones en sentido directo e inverso son iguales.

A presión constante, la entalpía (H) es esencialmente igual al contenido total de energía del sistema.

Un proceso es espontáneo cuando disminuye su energía libre. Las variaciones de energía libre ΔG son

negativas si disminuye la entalpía o si el término de entropía TΔS es suficientemente grande.

La variación de la energía libre de la reacción está relacionada con la constante de equilibrio de la

reacción (McKee y McKee, 2003).

4.2.1. Concepto de anabolismo y catabolismo

El metabolismo se divide en dos fases principales: catabolismo y anabolismo.

El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo, en el cual las moléculas que constituyen los

nutrientes, en algunos casos complejas como carbohidratos, proteínas y lípidos, que proceden del

entorno o de sus propios depósitos de reserva, se degradan para producir moléculas sencillas de uno,

dos o tres átomos de carbono como CO2, ácido acético, ácido láctico, etc. El catabolismo va

acompañado de liberación de energía química, inherente en las moléculas de los nutrientes, parte de la

cual se conserva en moléculas de ATP.

El anabolismo constituye la fase biosintética del metabolismo. En esta fase se forman, a partir de

algunas moléculas sencillas procedentes del catabolismo, moléculas de elevado peso molecular como

proteínas, polisacáridos, lípidos y ácidos nucleicos y otros componentes celulares. La biosíntesis de

estas biomoléculas requiere el consumo de moléculas de ATP producidas durante el catabolismo, por lo

que precisan de energía (Garrido, 1991):

En las células vivas, el catabolismo y anabolismo se llevan a cabo simultáneamente, pero al ser dos

procesos opuestos, se realizan de forma coordinada y regulados independientemente. El metabolismo

implica una serie de rutas metabólicas tanto anabólicas y catabólicas en las que a su vez intervienen

varias reacciones con intermediarios, por tal, se emplea con frecuencia el término metabolismo

intermediario para designar a las rutas químicas del metabolismo y a los compuestos intermediarios

implicados en dichas rutas se les denomina metabolitos (Figura 4.30) (Garrido, 1991).

En la Figura 4.31 se observa el organelo donde se efectúan las principales rutas metabólicas en una

célula eucariota vegetal y animal.


125

Figura 4.30. Rutas catabólicas y anabólicas del metabolismo



126

Figura 4.31. Localización de las principales rutas metabólicas en una célula eucariota

vegetal y animal


4.2.2. Términos de autótrofo, heterótrofo, fotótrofo y quimiótrofo

Las células, según las diferentes fuentes de carbono que utilizan se pueden clasificar en dos grandes

grupos: autótrofas (autoalimentadas) que pueden emplear CO2 como fuente única de carbono y

heterótrofas (alimentadas de otros) que obtienen el carbono de moléculas relativamente complejas

como glucosa, fructosa, etc.; las células autótrofas deben construir a partir del CO2 el esqueleto

carbonado de todas las biomoléculas de la célula, mientras las heterótrofas lo construyen a partir de las

moléculas sencillas que se obtienen degradando las moléculas complejas que constituyen los nutrientes.

Las células fotosintéticas y algunas bacterias son autótrofas, mientras que las células de los animales

superiores y de la mayor parte de los microorganismos son heterótrofas.

Respecto a la naturaleza de la fuente de energía las células se pueden clasificar en fotótrofas, que

emplean la energía solar, y quimiótrofas que utilizan la energía procedente de las reacciones de

oxidación-reducción.

En las plantas superiores, las hojas verdes, que contienen clorofila, son autótrofas, mientras las células

de las raíces son heterótrofas. Las células de las hojas actúan como heterótrofas en la oscuridad, es

decir, durante la noche, estas células usan como nutrientes las sustancias que sintetizan durante el día.


127

El último aceptor de electrones de la cadena respiratoria es el oxígeno y las células que requieren de

oxígeno se denominan aerobias. Otras células emplean otros elementos o moléculas como aceptores de

electrones y se denominan anaerobias. Otras células pueden vivir en medios anaerobios o aerobios y se

denominan anaerobias facultativas, ellas pueden usar el oxígeno cuando disponen de él o emplear otras

sustancias como aceptores electrónicos. Algunas células, sobretodo de microorganismos, no pueden

usar el oxígeno en absoluto, son aerobias estrictas y la presencia de oxígeno las envenena.

Entre las células autótrofas fotosintéticas y las heterótrofas existe una relación denominada sintropía

en la que los productos de unas células pueden ser utilizados por las otras. Así, las células fotosintéticas

producen compuestos orgánicos, como la glucosa a partir de CO2 de la atmósfera, del agua y de la

energía solar (Figura 4.32). Las células heterótrofas utilizan la glucosa y otros compuestos producidos

por las células fotosintéticas y el O2 de la atmósfera para obtener la energía y los componentes

celulares y liberan CO2 que puede ser utilizado nuevamente por las células fotosintéticas nuevamente.

En resumen, el carbono realiza un ciclo entre ambas clases de células (Figura 4.33).

Figura 4.32. Ciclos del carbono y el oxígeno en la naturaleza


El nitrógeno es otro elemento esencial de algunos componentes moleculares como proteínas, ácidos

nucleicos y otras biomoléculas. Este elemento se encuentra en gran proporción en la atmósfera, como

nitrógeno molecular, N2, pero desde el punto de vista químico es bastante inerte y no puede ser usado

como fuente de nitrógeno por la mayor parte de células vivas, por ello, lo obtienen a partir de

compuestos nitrogenados como nitratos o aminoácidos. La inmensa mayoría de las plantas obtienen el

nitrógeno del suelo en forma de nitratos, y lo transforman en aminoácidos y otros compuestos

nitrogenados. Los animales obtienen el nitrógeno de las proteínas de las plantas o de otros animales.

Las células heterótrofas, tanto animales como vegetales, devuelven su nitrógeno al suelo, generalmente

en forma de aminoácidos, amoníaco y urea. Las plantas lo hacen, una vez que han muerto, como

productos de procesos de putrefacción y los animales como productos de excreción. En el suelo,

bacterias de los géneros Nitrosomonas y Nitrobacter oxidan el amoníaco a nitratos, los cuáles pueden

ser de nuevo utilizados por las plantas. Resulta así, el ciclo del nitrógeno. Algunas células bacterianas,

ya sea solas o asociadas con otras vegetales, pueden convertir el nitrógeno atmosférico en amoníaco o

en nitratos, aumentando así la fuente de nitrógeno que precisan los seres vivos; dichas bacterias se

denominan bacterias fijadoras de nitrógeno o nitrificantes (Figura 4.34) (Garrido, 1991).


128

Figura 4.33. Fotosíntesis


Figura 4.34. El ciclo del nitrógeno en la biosfera



129

4.2.3. Moléculas almacenadoras de energía (ATP, ADP, AMP)

La adenosina trifosfato (ATP) desempeña una función extraordinariamente importante dentro de las

células. La hidrólisis del ATP proporciona de forma inmediata y directa la energía libre para impulsar

una variedad inmensa de reacciones bioquímicas.

Producido a partir del ADP y el Pi con la energía liberada por la degradación de las moléculas del

alimento y las reacciones luminosas de la fotosíntesis, el ATP impulsa varias clases de procesos, entre

los que se encuentran la biosíntesis de macromoléculas, el transporte activo de sustancias a través de

las membranas celulares y el trabajo mecánico, como la contracción muscular.

El ATP está adecuado de forma ideal para su función como moneda de intercambio universal debido a

su estructura. El ATP es un nucleótido formado por adenina, ribosa y una unidad trifosfato. Los dos

grupos fosforilo terminales (-PO2-

3) están unidos mediante enlaces fosfoanhídrido (Figura 4.35).

Aunque los anhídridos son fácilmente hidrolizables, los enlaces fosfoanhídrido del ATP son

suficientemente estables en condiciones intracelulares suaves. Existen enzimas específicas que facilitan

la hidrólisis del ATP.

Figura 4.35. Estructura de ATP, ADP y AMP. El signo (~) en al ATP indica que los enlaces se

hidrolizan con facilidad


La tendencia del ATP a hidrolizarse, que también se denomina potencial de transferencia de grupo, no

es singular. Diversas biomoléculas pueden transferir grupos fosfato a otros compuestos como los que se

muestran en el Cuadro 4.5.

Los compuestos fosforilados con valores de hidrólisis ΔGº´ negativos elevados poseen potenciales de

transferencia de grupo fosfato más elevados que aquellos compuestos con valores negativos más

pequeños. Dado que el ATP tiene un poder de transferencia de grupo fosfato intermedio, puede ser un

transportador intermedio de grupos fosforilo desde los compuestos de energía más elevada, como el

fosfoenolpiruvato, a los compuestos de energía baja. Por lo tanto, el ATP es la moneda de intercambio

para los sistemas vivos, debido a que las células normalmente transfieren el fosfato acoplando las


130

reacciones a la hidrólisis del ATP. Los dos enlaces fosfoanhídrido del ATP con frecuencia se

denominan de energía elevada (Figura 4.36) (McKee y McKee, 2003).

Cuadro 4.5. Energía libre estándar de la hidrólisis de biomoléculas fosforiladas seleccionadas


Figura 4.36. Función del ATP


Cuando se oxida un mol de glucosa en una célula aeróbica se producen 36 moléculas de ATP y cuando

se oxida ácido palmítico se forman 129 moléculas de ATP (Garrido, 1991).

El ATP puede hidrolizarse para formar ADP y Pi (ortofosfato) o AMP (adenosina monofosfato) y PPi

(pirofosfato). El pirofosfato puede a continuación hidrolizarse a ortofosfato, liberando más energía

libre. La hidrólisis del ATP para formar AMP y pirofosfato se utiliza frecuentemente para impulsar

reacciones con valores de ΔGº´ positivos elevados, o para asegurar que una reacción procede hasta

completarse (Figura 4.37).


131

Figura 4.37. Hidrólisis del ATP


El ATP es un intermediario en el flujo de energía desde las moléculas de alimento a las reacciones de

biosíntesis del metabolismo.

La energía libre desprendida en la hidrólisis del ATP se usa para impulsar reacciones que requieren un

aporte de energía libre, como son las de contracción muscular (McKee y McKee, 2003).


132

5. Carbohidratos. Generalidades y metabolismo

5.1. Características generales de los Carbohidratos

Los carbohidratos constituyen la mayor parte de la materia orgánica de la tierra y tienen muy variadas

funciones en los seres vivos. Tienen funciones de almacén de energía, son combustibles e

intermediarios metabólicos. El almidón en los vegetales y el glucógeno en los animales son

carbohidratos que pueden ser usados rápidamente para formar glucosa, que es el combustible primario

para liberar energía para llevar a cabo las funciones celulares. Participan en la formación de la pared

celular de las bacterias y, además, los carbohidratos desempeñan un papel estructural fundamental ya

que constituyen parte del exoesqueleto de los artrópodos y forman parte del esqueleto leñoso de las

plantas; también se encuentran unidos a muchas proteínas y lípidos en las membranas celulares

participando en el reconocimiento intercelular (Laguna y Piña, 2002).

En los vegetales, la glucosa se sintetiza mediante la fotosíntesis a partir de bióxido de carbono y agua,

y se almacena como almidón o se convierte en la celulosa vegetal. Los animales tienen la capacidad de

sintetizar algunos carbohidratos a partir de las grasas y las proteínas, pero el volumen mayor de los

carbohidratos animales se obtiene finalmente de los vegetales (Murray et al., 2001).

En la fotosíntesis, las plantas utilizan la energía de la luz solar para combinar dióxido de carbono y

agua en hidratos de carbono, liberando oxígeno en el proceso. En la respiración, tanto las plantas como

los animales oxidan los carbohidratos elaborados por las plantas, liberando energía y volviendo a

formar CO2 y H2O (Figura 5.1) (Mathews et al., 2005).

Figura 5.1. Ciclo energético de la vida

Fuente:Mathews et al. (2005)

Laguna y Piña (2002) mencionan que los carbohidratos componen cerca del 0.3% del organismo

(mientras que el agua constituye el 70%, las proteínas el 16% y los lípidos 9% en promedio) pero son

objeto de un elevado recambio y metabolismo.


133

5.1.1. Definición y fórmula empírica

Los carbohidratos o hidratos de carbono o azúcares o sacáridos o glúcidos, son compuestos orgánicos

formados por carbono, hidrógeno y oxígeno, aunque en algunos tipos de carbohidratos también hay

azufre y nitrógeno. Desde el punto de vista químico se definen como derivados aldehídicos o cetónicos

de alcoholes polihídricos, o sea, con varios grupos –OH (Laguna y Piña, 2002; Roskoski, 2001).

Cuando se inició el estudio de la glucosa se decía que, como era un compuesto formado por 6

carbonos, 12 hidrógenos y 6 oxígenos, o sea, que tenía 6 carbonos hidratados, C6(H20)6, se les llamaría

carbohidratos y posteriormente se comprobó que no eran carbonos hidratados, por lo que la fórmula de

la glucosa se representó C6H12O6 (Laguna y Piña, 2002).

Los carbohidratos pueden representarse con la fórmula estequiométrica simple (CH2O)n o son

derivados de estos compuestos. Sin embargo, esta fórmula está demasiado simple, ya que muchos

carbohidratos están modificados o algunos contienen grupos amino, sulfato y fosfato (Mathews et al.,

2005).

Laguna y Piña (2002) describen que la fórmula general de los polisacáridos de mayor importancia es:

(C6(H20)5)n que corresponde a un polímero de hexosa, u homopolisacárido. Algunos de estos polímeros

son la celulosa, el glucógeno y el almidón, los tres son homopolímeros de glucosa. La inulina es un

homopolímero de la fructosa. Cuando la unidad monomérica de monosacárido es variable, se tiene a

los heteropolisacáridos como el agar-agar, el mucílago, la mucina y las gomas vegetales. Cuando los

azúcares que contienen al polisacárido contienen nitrógeno, se tienen los mucopolisacáridos como la

heparina, el condroitín-sulfato, el ácido hialurónico y la quitina.

Lehninger (1983) describe que las fibrillas de celulosa en las paredes celulares de las plantas se

encuentran muy densamente empaquetadas y dispuestas en haces paralelos que rodean a la célula y

frecuentemente forman capas cruzadas; dichas fibrillas se hallan aglutinadas por una matriz de otros

tres materiales polímeros: la hemicelulosa, la pectina y la extensina. Las hemicelulosas no están

estructuralmente relacionadas con la celulosa, sino que son polímeros de las pentosas, sobre todo D-

xilanos, los cuáles son polímerosde la D-xilosa con enlaces β(1→4) y poseen cadenas laterales de

arabinosa y de otros azúcares. La pectina es un polímero del metil-D-galacturonato. La extensina es

una glucoproteína compleja que se halla unida covalentemente a las fibrillas de celulosa y se parece a

su correspondiente animal, el colágeno.

Los compuestos derivados de los carbohidratos son, entre otros, el ácido siálico, la vitamina C, la

estreptomicina, el inositol, el ácido glucorónico, el sorbitol, el xilitol, etc. (Laguna y Piña, 2002).


Los carbohidratos se clasifican en monosacáridos, disacáridos, trisacáridos, tetrasacáridos,

pentasacáridos, hexasacáridos, heptasacáridos y polisacáridos, según conste de uno, dos, tres, cuatro,

cinco, seis, siete o muchas moléculas de azúcares simples o monómeros. Cuando se unen dos

moléculas de azúcares simples, con pérdida de una molécula de agua, se constituyen los disacáridos o

dímeros. Cuando son tres lo que se unen se forman los trisacáridos o trímeros, y así sucesivamente; se

denominan en general polímeros o polisacáridos cuando están constituidos por muchas moléculas de

azúcares simples o monómeros (Olvera, 1992).


134

Murray et al. (2001) realiza una descripción más específica de la clasificación de los carbohidratos y lo

hace así (Cuadro 5.1):

Cuadro 5.1. Clasificación de carbohidratos y ejemplos

I. Monosacáridos simples

Aldosas Cetosas

Triosas Gliceraldehído Dihidroxiacetona

Tetrosas Eritrosa Eritrulosa

Pentosas Ribosa Ribulosa

Hexosas Glucosa Fructosa

Heptosas Seudoheptulosa

II. Monosacáridos derivados

Ésteres Glucosa-6-fosfato

Azúcares alcoholes Glicerol

Azúcares ácidos Ácido glucorónico

Azúcares aminados Glucosamina

III. Oligosacáridos

Disacáridos Maltosa, Lactosa, Sacarosa

Trisacáridos, etc. Rafinosa, Melicitosa

IV. Polímeros (de un monosacárido): Almidones,

Glucógenos, Celulosas, Quitina

V. Glucosaminoglicanos: Acido hialurónico, Condroitín

4-sulfato, Dermatán sulfato, Heparina, Queratán

sulfato, Heparán sulfato, etc.

VI. Carbohidratos con proteínas

Glicoproteínas Receptores de hormonas

Proteoglicanos

Fuente: Modificado de Lehninger (1983), Murray et al. (2001), Laguna y Piña (2002)

◘ Monosacáridos: Son aquellos carbohidratos incapaces de hidrolizarse en carbohidratos más

simples. Pueden subdividirse en triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, heptosas u octosas según la

cantidad de átomos de carbono que poseen, y como aldosas o cetosas por la presencia del grupo

aldehído o del grupo cetona (Cuadro 5.1 y Figuras 5.2), el nombre de estos compuestos termina con –

osa, y la fórmula general es:

Cn(H2O)n

Las moléculas más simples que cumplen con esta definición son el gliceraldehído y la dihidroxi-

acetona (Figura 5.3).

El carbono central del gliceraldehído es asimétrico, es decir, tiene sus 4 valencias saturadas por

distintos átomos o radicales (H-C=O, H, OH y H2C-OH). Mertz (1985) define un carbón asimétrico

como los átomos de carbono con 4 átomos o grupos atómicos diferentes unidos a ellos. Esta estructura

le permite tener dos estereoisómeros, el D y el L, de acuerdo a la posición del H y OH vecinos al

alcohol primario, -CH2OH. En las células predominan los azúcares derivados del D-gliceraldehído. La

dihidroxiacetona no tiene carbono asimétrico (Figura 5.3) (Laguna y Piña, 2002).

En el caso del gliceraldehído y la dihidroxiacetona, poseen la misma composición atómica, por lo que

son tautómeros (isómeros estructurales que difieren en la disposición de sus hidrógenos y dobles

enlaces) y pueden interconvertirse a través de un intermediario enediol inestable (Figura 5.4).


135

Figura 5.2. Grupos funcionales de los monosacáridos aldosas (aldehído) y cetosas (cetona)


Figura 5.3. Gliceraldehído y dihidroxiacetona

Fuente: Modificado de Laguna y Piña (2002)

Figura 5.4. Interconversión aldosa-cetosa a través de un intermediario enediol

que es inestable y no puede aislarse


La D-glucosa, también llamada dextrosa o azúcar de la uva, se obtiene del jarabe de maíz. También

está presente como uno de los principales azúcares en la miel y en el jugo de muchas plantas y frutas.

En los animales la glucosa es un componente vital presente en la sangre (Mertz, 1985). La manosa

procede de la digestión de los alimentos que contienen determinados polisacáridos o glucoproteínas. La

galactosa procede principalmente de la hidrólisis de la lactosa que se encuentra en la leche (Figura 5.5).

La fructosa es una cetohexosa que está presente como azúcar libre en muchas frutas y también se

obtiene de la hidrólisis de la sacarosa (Figura 5.6) (Mathews et al., 2005).

La L-arabinosa puede aislarse de la goma arábica, la D-ribosa y la 2-D-desoxirribosa son componentes

importantes de los ácidos nucleicos y la D-xilosa (Figura 5.7) se obtiene de la xilina que existe en los

olotes de maíz, la paja y la madera (Mertz, 1985).


136

Figura 5.5. Estructuras de cadena lineal de algunas hexosas aldosas (aldohexosas)


Figura 5.6. Ejemplos de cetosas de importancia fisiológica

Fuente: Murray et al. (2001)

Figura 5.7. Estructuras de cadena lineal y representación de Haworth (*) de las pentosas aldosas

Fuente: Modificado de Mertz (1985), Laguna y Piña (2002)

◘ Disacáridos: Son carbohidratos que al hidrolizarse dan lugar a dos moléculas de monosacáridos.

Los ejemplos son la maltosa (Figura 5.8), sacarosa (Figura 5.9), lactosa (Figura 5.10) y celobiosa

(Figura 5.11).

Los anhídridos más simples de los monosacáridos se forman por eliminación de una molécula de agua

partiendo de las formas cíclicas de dos moléculas de monosacáridos iguales o diferentes unidos

mediante un enlace glucosídico (Figuras 5.8, 5.9, 5.10 y 5.11) (Mertz, 1985, McKee y McKee, 2003).


137

Figura 5.8. Fórmula de la Maltosa


Figura 5.9. Fórmula de la Sacarosa


La maltosa da origen a dos moléculas de glucosa. La sucrosa o sacarosa da lugar a una molécula de

glucosa y una de fructosa. La lactosa da lugar a una molécula de glucosa y una de galactosa. Los tres

disacáridos anteriores son los que se encuentran libres en cantidades apreciables en la naturaleza,

aunque McKee y McKee (2003) comenta que la maltosa es un producto intermediario de la hidrólisis

del almidón y no parece existir en forma libre en la naturaleza. La celobiosa se obtiene por la acción de

células microbianas sobre la celulosa y contiene dos moléculas de glucosa ligadas por un enlace

glucosídico β(1,4) y su estructura es idéntica a la maltosa excepto por la dirección del enlace

glucosídico. La celobiosa no existe en la naturaleza en forma libre.


138

Figura 5.10. Fórmula de la Lactosa


Figura 5.11. Fórmula de la Celobiosa



139

◘ Oligosacáridos: Al hidrolizarse producen de 2 a 10 unidades monosacárido, por ejemplo, la

maltotriosa que es un trisacárido que contiene tres residuos de α-glucosa.

◘ Polisacáridos: También llamados glicanos por Laguna y Piña (2002), al hidrolizarse producen

más de 10 moléculas de monosacárido. McKee y McKee (2003) define a un polisacárido como una

molécula que contiene un gran número de monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos. Los

almidones y las dextrinas son ejemplos y éstos pueden ser lineales o ramificados. En ocasiones se les

conoce como hexosanas o pentosanas, de acuerdo con la identidad de los monosacáridos producidos al

hidrolizarse.

La sustitución de alguno de los grupos funcionales (aldehído, cetona o alcohol) de un monosacárido

por otro grupo funcional, por ejemplo, amino o carboxilo, da lugar a azúcares derivados. Si el grupo

funcional alcohol primario reacciona con un ácido, se forman los ésteres correspondientes. Por

ejemplo, en la bioquímica los ésteres más importantes son los que se forman con ácido fosfórico, dando

como resultado azúcares fosforilados, por ejemplo, la ribosa 5-P y la glucosa 6-P (Laguna y Piña,

2002).

5.1.3. Isomería estructural y de configuración

A los compuestos que poseen la misma fórmula estructural pero difieren en la configuración espacial

se les conoce como estereoisómeros. La formación de los isómeros es posible por la presencia de

átomos de carbono asimétricos (átomos de carbono unidos a cuatro átomos o grupos diferentes) (Figura

5.3). La cantidad de isómeros posibles de un compuesto depende de la cantidad (n) de átomos de

carbono asimétricos y equivale a 2n. Por tanto, la glucosa, con cuatro átomos de carbono asimétricos,

presenta 16 isómeros, ya que 24 es igual a 16 (Murray et al., 2001).

Los tipos más importantes de isomería que están presentes en los monosacáridos corresponden a:

► Isomerismo D y L: la designación de un isómero de monosacárido como la variante D o, en el caso

de la imagen en espejo de éste, como la variante L, está determinada por su relación espacial con el

compuesto progenitor de la familia de los carbohidratos, el monosacárido de tres carbonos glicerosa

(gliceraldehído) (Figura 5.12). Las orientaciones de los grupos –H y –OH alrededor del átomo de

carbono adyacente al carbono del alcohol terminal primario (por ejemplo, el átomo de carbono 5 en la

glucosa) determinan la pertenencia del azúcar a la serie D o a la serie L. Cuando el grupo –OH en este

carbono se encuentra a la derecha, el monosacárido constituye un integrante de la serie D; cuando se

localiza a la izquierda, a la serie L. La mayor parte de los monosacáridos presentes en los mamíferos

tienen la configuración D, y las enzimas responsables del metabolismo de dichos monosacáridos son

específicas para esta configuración. En los organismos vivos dominan los monosacáridos D, Aunque

existen monosacáridos L como la L-arabinosa que se encuentra en plantas y paredes celulares

bacterianas y la L-galactosa.

Una característica importante de la estructura de los monosacáridos es la que puede apreciarse

analizando la fórmula del gliceraldehído. El segundo átomo de carbono tiene sustituyentes diferentes,

por lo que es un carbono quiral. Por tal, el gliceraldehído tiene dos estereoisómeros del tipo

denominado enantiómeros, que son imágenes especulares, no superponibles, uno del otro (Figura 5.13)

(Murray et al., 2001; Mathews et al., 2005).


140

Figura 5.12. Variantes L y D del gliceraldehído junto con los isómeros

correspondientes de la glucosa


Figura 5.13. Enantiómeros del gliceraldehído


Cuando se consideran los monosacáridos de más de tres carbonos, aparece una complicación

estructural ya que pueden tener más de un carbón quiral y ello hace que existan dos tipos de

estereoisómeros. Estos tipos son los enantiómeros (isómeros especulares) y los diastereómeros que se

encuentran a partir de las tetrosas.

Las tetrosas tienen una fórmula empírica (CH2O)4 y poseen dos carbonos quirales en las formas

aldosa. Así, una aldotetrosa tendrá cuatro estereoisómeros (Figura 5.14).

En general, una molécula con n centros quirales tendrá 2n estereoisómeros, puesto que existen dos

posibilidades en cada centro quiral.

Los estereoisómeros de este tipo, que no son imágenes especulares se denominan diastereómeros. La

treosa y la eritrosa son diastereómeros y cada uno tiene dos enantiómeros (D y L) que son imágenes

especulares no superponibles.


141

Figura 5.14. Estereoquímica de las aldotetrosas


A diferencia de las aldosas de cuatro carbonos, la cetosa de cuatro carbonos, denominada eritrulosa,

sólo tiene un carbono quiral (C3) y un único par de enantiómeros (Figura 5.15).

Figura 5.15. Los dos enantiómeros de la eritrulosa


Las aldopentosas tienen tres centros quirales, y por tal, cabe preveer 23, o sea, ocho estereoisómeros en

cuatro pares de enantiómeros

Mathews et al (2005) muestra en dos figuras las relaciones estereoquímicas de las D-aldosas (Figura

5.16) y las D-cetosas (Figura 5.17).

Cada una de las dos series anteriores se genera por adiciones sucesivas de un grupo CHOH

(sombreado) inmediatamente por debajo del carbono carbonilo. En cada caso, las dos posibles

orientaciones del grupo añadido generan un par de diastereómeros. No se presentan las formas L, que

son simplemente las imágenes especulares de las formas D.

Olvera (1992) analiza a la glucosa en sus formas D y L (Figura 5.12) y explica que los carbonos que

son simétricos son los carbonos números 1 y 6, mientras que los carbonos números 2, 3, 4 y 5 son

asimétricos. Según si una sustancia tiene o no carbonos asimétricos, desvía la luz polarizada.

De los 16 isómeros de la glucosa, 8 pertenecen a la serie D y 8 a la serie L.

► Isomeria óptica: La presencia de átomos de carbono asimétricos también confiere actividad

óptica al compuesto. Al pasar un haz de luz polarizada a través de una solución de un isómero óptico,


142

dicho haz rota hacia la derecha, dextrorrotación (d) (+), o hacia la izquierda, levorrotación (l) (-). Un

isómero puede designarse D(+), D (-), L(-) o L(+) para indicar su rotación estructural con la D o la L

gliceraldehído, pero no necesariamente presenta la misma rotación óptica. Por ejemplo, la variante de

la fructosa presente en la naturaleza corresponde al isómero D(-) (Mathews et al., 2005).

Figura 5.16. Relaciones estereoquímicas de las D-aldosas


En presencia de una cantidad igual se isómeros D y L, la mezcla resultante no tiene actividad óptica,

toda vez que las actividades de los isómeros se anulan entre sí. Se dice que tal mezcla es racémica.

Murray et al. (2001) menciona que los compuestos sintéticos necesariamente corresponden a los

racémicos, ya que las oportunidades de la formación de cada isómero óptico son iguales.


143

Figura 5.17. Relaciones estereoquímicas de las D-cetosas


► Estructuras cíclicas piranosa y furanosa: esta terminología se basa en que las estructuras cíclicas

estables de los monosacáridos son similares a las estructuras cíclicas del pirano y del furano (Figura

5.18).

Las cetosas también pueden adaptar una forma cíclica; por ejemplo, la D-fructofuranosa o la D-

fructopiranosa. En el caso de la glucosa en solución, más de 99% se presenta en la variante de piranosa

(Figura 5.19).

► Anómeros α y β: Las formas α y β de los monosacáridos se interconvierten con facilidad cuando se

disuelven en agua. Este proceso espontáneo se denomina mutarrotación, en el caso de la D-glucosa

cuando ésta se disuelve en agua a 25º C y al alcanzar el equilibrio (o sea, no hay un cambio neto en la

cantidad de cada forma), la disolución de glucosa contiene los porcentajes que se indican en la Figura

5.20.


144

Figura 5.18. Formas piranosa y furanosa de la glucosa


Figura 5.19. Formas piranosa y furanosa de la fructosa


La estructura cíclica de una aldosa es un hemiacetal, ya que se forma por la combinación de un

aldehído y de un grupo alcohol. De manera similar, la estructura cíclica de una cetosa es un hemicetal

(Figura 5.21). La glucosa cristalina es α -D-glucopiranosa (Figura 5.22). La estructura cíclica se

conserva en solución, pero la isomería tiene lugar en la posición 1, el carbonilo o átomo de carbono

anomérico, para dar una mezcla de α-glucopiranosa (38%) y β

está constituido por los anómeros α β de la glucofuranosa. Este equilibrio se acompaña de rotación

óptica (mutarrotación) conforme el anillo hemiacetal se abre y forma de nuevo con el cambio de la

posición del –H y de los grupos –OH en el carbono 1 (Murray et al., 2001).


145

Figura 5.20. Mezcla de equilibrio de la D-glucosa


Figura 5.21. Formación de hemiacetales y hemicetales de un aldehído y de una cetona


Figura 5.22. Fórmulas de silla de los anómeros α β de la D-glucopiranosa



146

Los anillos hemiacetal y hemicetal cíclicos más estables contienen cinco o seis átomos. Al producirse

la ciclación, el carbono carbonilo se transforma en un nuevo centro quiral. Este carbono se denomina

átomo de carbono anomérico. Los dos diastereómeros posibles que pueden formarse durante la

reacción de ciclación se denominan anómeros (Figura 5.23).

Figura 5.23. Mutarrotación de la glucosa y anómeros de la misma


Los carbohidratos que contienen cuatro o más carbonos se encuentran principalmente en formas

cíclicas. La formación del anillo se produce en disolución acuosa debido a que los grupos aldehído y

cetona reaccionan reversiblemente con los grupos hidroxilo presentes en el azúcar para formar

hemiacetales y hemicetales cíclicos (Figura 5.24), respectivamente (McKee y McKee, 2003).

Figura 5.24. Formación de la estructura hemiacetal de la glucosa por las Proyecciones de Fischer


► Epímeros o estereoisomería: Los isómeros que difieren como resultado de las variaciones en la

configuración del –OH y del –H en los átomos de carbono 2, 3 y 4 de la glucosa, se conocen como

epímeros (Figura 5.25). Desde el punto de vista biológico, los epímeros más importantes de la glucosa

son la manosa y la galactosa, formados mediante la epimerización de los carbonos 2 y 4,

respectivamente (Murray et al., 2001).


147

Figura 5.25. Epimerización de la glucosa


Mathews et al. (2005) define a los diastereómeros que se diferencian en la configuración de un único

átomo de carbono asimétrico como epímeros.

Por ejemplo, la D-glucosa y la D-galactosa son epímeros debido a que sus estructuras sólo se

diferencian en la configuración del grupo OH del carbono 4 (Mathews et al., 2005).

Olvera (1992) describe el fenómeno de isomería en el espacio o estereoisomería como los

carbohidratos en cuyas fórmulas tienen igual número de carbonos, igual función química y los mismos

grupos alcohólicos, y sin embargo, cada fórmula caracteriza a una sustancia con propiedades físicas,

químicas y biológicas particulares; en lo único en que dichas fórmulas varían, y que es suficiente para

tener diferentes propiedades, es en la distribución de los hidrógenos e hidroxilos en los carbonos

intermedios.

► Isomerismo aldosa-cetosa: La fructosa presenta la misma fórmula molecular que la glucosa, pero

difiere en la fórmula estructural, debido a que en la posición 2 existe un grupo ceto potencial (el

carbono anomérico de la fructosa), en tanto que en la posición 1 existe un grupo aldehído potencial (el

carbono anomérico de la glucosa).

5.1.4. Fórmulas de proyección de Haworth y enlaces glucosídicos

La glucosa es el monosacárido más importante desde el punto de vista biomédico. La fórmula

estructural de cadena recta puede explicar algunas de las propiedades de la glucosa, pero desde el punto

de vista termodinámico se prefiere la estructura que explica el resto de sus propiedades químicas. En la

mayor parte de los casos es posible representar la fórmula estructural como un anillo simple en

perspectiva, de acuerdo con la propuesta de Haworth (Figura 5.26).

Figura 5.26. Representación de la glucosa

Fuente: Modificado de Murray et al. (2001), McKee y McKee (2003)


148

En la representación de Haworth la molécula se visualiza lateralmente y por arriba del plano del anillo.

Por conveniencia, los enlaces cercanos al observador se representan más anchos y engrosados. El

análisis mediante difracción de rayos X muestra que el anillo de seis integrantes y un átomo de oxígeno

en realidad presentan forma de silla (Murray et al., 2001).

Las proyecciones de Fischer de las moléculas de monosacáridos cíclicas utilizan un enlace largo para

indicar la estructura de anillo. Las estructuras de Haworth representan de forma más ajustada los

ángulos y longitudes de enlace que las representaciones de Fischer. Los anillos hemiacetálicos de cinco

miembros se denominan furanosas debido a su semejanza estructural con el furano. Por ejemplo, la

fórmula cíclica de la fructosa se denomina fructofuranosa (Figura 5.27). Los anillos de seis miembros

se denominan piranosas debido a su semejanza con el pirano. La glucosa, en la forma piranosa, se

denomina glucopiranosa.

En las proyecciones de Fischer, el hidroxilo anomérico α se produce hacia la derecha y el hidroxilo β

hacia la izquierda, en el caso se los azúcares D, los más comunes en la naturaleza.

Figura 5.27. Formas de Fischer y de Haworth de la D-fructosa


Los hemiacetales y hemicetales reaccionan con los alcoholes para formar el correspondiente acetal o

cetal. Cuando la forma cíclica hemiacetálica o hemicetálica del monosacárido reacciona con un

alcohol, el nuevo enlace se denomina enlace glucosídico (Figura 5.28) y el compuesto se denomina un

glucósido. El nombre del glucósido especifica el componente azúcar. Por ejemplo, los acetales de la

glucosa y los cetales de la fructosa se denominan glucósido y fructósido, respectivamente. Además, los

glucósidos derivados de los monosacáridos con anillos de cinco miembros se denominan furanósidos y

los anillos de seis miembros se denominan piranósidos.

Si se forma un enlace acetal entre el grupo hidroxilo del hemiacetal de un monosacárido y el grupo

hidroxilo de otro monosacárido, el glucósido que se forma se denomina disacárido. Una molécula que

contiene un gran número de monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos se denomina polisacárido.

Figura 5.28. Ejemplo de un enlace glucosídico



149

Cuando una molécula de monosacárido está unida a través de su átomo de carbono anomérico al grupo

hidroxilo del carbono 4 de otro monosacárido, el enlace glucosídico se denomina 1,4. Debido a que el

grupo hidroxilo anomérico potencialmente puede estar en la configuración α o β, pueden formarse dos

disacáridos posibles cuando se unen dos moléculas de azúcar: α (1,4) o β (1,4). También se producen

otras variedades de enlaces glucosídicos, es decir, enlaces α o β (1,1), (1,2), (1,3) y (1,6) (McKee y

McKee, 2003). En la Figura 5.29 se muestra al disacárido maltosa con una unión α 1,4 y cuyo nombre

químico es α -D-glucósido de α -D-glucosa, igualmente se muestra el disacárido lactosa con una unión

β 1,4 y cuyo nombre químico es D-galactósido de β -D-glucosa (Laguna y Piña, 2002).

Figura 5.29. Ejemplos de enlaces glucosídicos en disacáridos


5.1.5. Polisacáridos estructurales y de reserva

Las moléculas de polisacáridos se utilizan como formas de almacenamiento de energía o como

materiales estructurales. Están formadas por un gran número de unidades de monosacáridos unidos por

enlaces glucosídicos. La mayoría de los polisacáridos comunes son moléculas grandes que contienen

desde cientos hasta miles de unidades de azúcar. Estas moléculas pueden tener una estructura lineal,

como la de la celulosa o la amilosa (Figura 5.30), o pueden tener formas ramificadas, como las que se

encuentran en el glucógeno y la amilopectina. Los pesos moleculares de muchos polisacáridos no

tienen valores fijos. El tamaño de estas moléculas es un reflejo del estado metabólico de la célula que

las produce. Por ejemplo, cuando las concentraciones de glucosa en sangre son elevadas, después de

comer, el hígado sintetiza glucógeno. Las moléculas de glucógeno en un animal bien alimentado

pueden tener pesos moleculares elevados. Cuando la concentración de glucosa en sangre decae, las

enzimas del hígado empiezan a degradar las moléculas de glucógeno, liberando la glucosa al torrente

sanguíneo. Si el animal sigue en ayunas, el proceso continúa hasta que las reservas de glucógeno están

casi agotadas.

Los polisacáridos se dividen en dos clases: homopolisacáridos (formados por un tipo de monosacárido)

y heteropolisacáridos que contienen dos o más tipos de monosacáridos.


150

Figura 5.30. Estructura de la amilosa


Los homopolisacáridos que se encuentran en abundancia en la naturaleza son el almidón, el

glucógeno, la celulosa y la quitina. Los tres primeros anteriores al hidrolizarse dan D-glucosa. El

almidón (formado por amilosa y amilopectina) y el glucógeno son moléculas de almacenamiento de

glucosa de las plantas y los animales, respectivamente. La celulosa es el componente estructural

principal de las células vegetales. La quitina es el componente estructural principal de los

exoesqueletos de los artrópodos, como los insectos y los crustáceos, y de las paredes celulares de

muchos hongos, produce cuando se hidroliza el derivado de glucosa N-acetil glucosamina.

En el almidón se encuentran juntos dos polisacáridos: amilosa y amilopectina (Figura 5.31). La amilosa

está formada por cadenas largas sin ramificar de residuos de D-glucosa que están unidos por enlaces

glucosídicos α

su forma compacta es ideal para su función de almacenamiento. La otra forma de almidón, la

amilopectina, es un polímero ramificado que contiene ambos enlaces glucosídicos y α

Los puntos de ramificación α(1,6) pueden producirse cada 20-25 residuos de glucosa e impiden la

formación de una hélice. El número de unidades de glucosa en la amilopectina puede variar desde unos

pocos miles a un millón. Los residuos de D-glucosa de la amilosa están unidos mediante enlaces

glucosídicos α

Figura 5.31. Estructura de la amilopectina y glucógeno


La inulina es un almidón presente en tubérculos y raíces de dalias, alcachofas y diente de león. Se

puede hidrolizar a fructosa y, por tanto, es fructosano. A diferencia del almidón de papa, la inulina

resulta fácilmente soluble en agua tibia, y se ha utilizado en investigaciones fisiológicas para

determinar la velocidad de filtración glomerular (Murray et al., 2001).

El glucógeno es el carbohidrato de almacenamiento de energía de los vertebrados. Se encuentra

abundantemente en las células hepáticas y musculares. El glucógeno tiene una estructura semejante a la

de la amilopectina, excepto que tiene más puntos de ramificación, posiblemente cada 4 residuos de

glucosa en el centro de la molécula (Figura 5.32). En las regiones más externas de las moléculas de

glucosa, los puntos de ramificación no están tan cercanos (aproximadamente cada 8-12 residuos).


151

Debido a que la molécula es más compacta que otros polisacáridos, ocupa poco espacio, una

característica importante en los cuerpos animales que se mueven.

Figura 5.32. Detalle de la amilopectina y del glucógeno


La celulosa es un polímero formado por residuos de D-glucopiranosa unidos por enlaces glucosídicos

β

Varios pares de moléculas de celulosa sin ramificar, que pueden contener hasta 12 000 unidades de

glucosa cada una, se mantienen juntas por enlaces de hidrógeno para formar tiras en forma de láminas

denominadas microfibrillas (Figura 5.34). Cada haz de microfibrillas contiene aproximadamente 40

pares de éstos (McKee y McKee, 2003). Estas fibrillas se hallan aglutinadas por una matriz de otros

tres materiales polímeros: hemicelulosa, pectina y extensina. Las hemicelulosas no están

estructuralmente relacionadas con la celulosa, sino que son polímeros d las pentosas, sobre todo D-

xilanos, los cuáles son polímeros de la D-xilosa con enlaces β (1→4) y poseen cadenas laterales de

arabinosa y de otro azúcares. La pectina es un polímero del metil-D-galacturonato. La extensina, que es

una glucoproteína compleja, se parece a su correspondiente animal, el colágeno y contiene restos de

arabinosa y de galactosa (Lehninger, 1983).

Figura 5.33. Celulosa


En la Figura 5.33 se observa que los enlaces de hidrógeno intermoleculares entre moléculas de

celulosa adyacentes son, en gran medida, responsables de la gran fuerza de la celulosa.


152

Figura 5.34. Organización de las paredes de las células vegetales


La estructura y función de la quitina son semejantes a las de la celulosa. Las unidades monoméricas de

N-acetil-glucosamina están unidas en cadenas sin ramificar por enlaces glucosídicos (1,4). Se forman

microfibrillas a partir de las moléculas de quitina adyacentes que están unidas fuertemente por enlaces

de hidrógeno y las cadenas pueden estar en forma paralela o antiparalela.

Los heteropolisacáridos son polímeros de hidratos de carbono de peso molecular elevado que

contienen más de una clase de monosacárido. Entre los ejemplos importantes se encuentran los

glucosaminoglucanos (GAG), los componentes principales de los proteoglucanos y la mureína, un

componente importante de las paredes de las células bacterianas.

Los glucosaminoglucanos son polímeros lineales con unidades repetitivas de disacáridos. Muchos de

los residuos de azúcar son aminoderivados. Muchas unidades disacárido contienen ambos grupos

funcionales carboxilo y sulfato. Los GAG se clasifican de acuerdo con sus residuos de azúcar, los

enlaces entre estos residuos y la presencia y localización de los grupos sulfato. Se diferencian 5 clases

de GAG: ácido hialurónico, condroitín sulfato, dermatán sulfato, heparina y heparán sulfato y queratán

sulfato.

A pH fisiológico los GAG tienen muchas cargas negativas. La repulsión de carga separa a los GAG

unos de otros. Además, las cadenas polipeptídicas relativamente inflexibles son muy hidrófilas. Los

GAG ocupan un enorme volumen con relación a su masa porque atraen grandes volúmenes de agua.

Por ejemplo, el ácido hialurónico hidratado ocupa un volumen 1000 veces mayor que en su estado

seco.

Los compuestos que se producen por enlaces covalentes entre moléculas de carbohidratos y proteínas

y/o lípidos se denominan de forma genérica glucoconjugados. Estas sustancias tienen efectos profundos

sobre la función de las células individuales, así como sobre las interacciones célula-célula de los

organismos multicelulares. Existen dos clases de conjugados carbohidrato-proteína: proteoglucanos y

glucoproteínas. Los glucolípidos son oligosacáridos que contienen moléculas de lípidos y se encuentran

principalmente en la superficie externa de las membranas plasmáticas (McKee y McKee, 2003).


153

5. 2. Metabolismo de carbohidratos

Las células se encuentran en un estado de actividad incesante. Para mantener su vida, cada célula

depende de reacciones bioquímicas complejas y muy coordinadas (McKee y McKee, 2003).

Mathews et al. (2005) describe los siguientes términos referentes al metabolismo en general:

Metabolismo intermediario: Comprende todas las reacciones relacionadas con el almacenamiento y

la generación de energía metabólica y con el empleo de esa energía en la biosíntesis de compuestos de

bajo peso molecular y compuestos de almacenamiento de energía. No se incluye la biosíntesis de

ácidos nucleicos y las proteínas a partir de sus precursores monoméricos. Las reacciones del

metabolismo intermediario pueden interpretarse como aquellas que no implican un molde de ácido

nucleico, puesto que la información necesaria para especificar cada reacción está incluida en la

estructura de la enzima que cataliza esa reacción.

Metabolismo energético: Es la parte del metabolismo intermediario formada por las rutas que

almacenan o generan energía metabólica.

Rutas centrales del metabolismo: Son básicamente las mismas en muchos organismos muy distintos,

y explican las cantidades relativamente grandes de transferencia de masa y de generación de energía

que se producen en el interior de una célula; son las rutas principales desde el punto de vista

cuantitativo.

Durante la glucólisis, una ruta que se encuentra en casi todos los organismos, se captura una cantidad

pequeña de energía al convertirse una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato. El glucógeno,

que es una forma de almacenamiento de glucosa en los animales vertebrados, se sintetiza por

glucogénesis cuando la concentración de glucosa es alta y se degrada por glucogenólisis cuando el

aporte de glucosa es pequeño. La glucosa puede también sintetizarse a partir de precursores distintos de

los carbohidratos mediante reacciones denominadas gluconeogénesis. La ruta de las pentosas fosfato

permite a las células convertir la glucosa-6-fosfato, un derivado de la glucosa, en ribosa-5-fosfato que

es el azúcar que se utiliza para sintetizar los nucleótidos y los ácidos nucleicos y otros monosacáridos,

además de producir NADPH que es un agente reductor importante.

La síntesis y utilización de la glucosa, el combustible principal de la mayoría de los organismos, son el

centro del metabolismo de los carbohidratos. En los vertebrados, la glucosa se transporta en la sangre

por todo el cuerpo. Cuando las reservas de energía celular son bajas, la glucosa se degrada en la ruta

glucolítica. Las moléculas de glucosa que no se requieren para producir energía de forma inmediata se

almacenan en forma de glucógeno en el hígado y en el músculo. Dependiendo de los requerimientos

metabólicos de la célula, la glucosa también puede utilizarse para sintetizar otros monosacáridos,

ácidos grasos y determinados aminoácidos. Por esta razón, la glucólisis es un ejemplo de ruta

anfibólica, las cuales son rutas que operan como procesos anabólicos y catabólicos (McKee y McKee,

2003).

En la Figura 5.35 se muestran las principales rutas del metabolismo de los carbohidratos en los

mamíferos. Se observa, entre otras cosas, que la glucosa se oxida por glucólisis, una ruta que genera

energía, que la convierte en piruvato. En ausencia de oxígeno, el piruvato se convierte en lactato.

Cuando se encuentra presente el oxígeno, el piruvato se degrada más para formar acetil-CoA. Pueden

extraerse de la acetil-CoA, por el ciclo del ácido cítrico y el sistema de transporte de electrones,

cantidades significativas de energía en forma de ATP. El número 1 representa la digestión de los


154

carbohidratos y la absorción de los monosacáridos, el número 2 la interconversión de hexosas, el 3 la

glucogénesis, el 4 la glucogenólisis, el 5 la glucólisis, el 6 la gluconeogénesis y el 7 la vía de las

pentosas (Laguna y Piña, 2002; McKee y McKee, 2003).

Figura 5.35. Principales rutas del metabolismo de los carbohidratos


La glucólisis, que consta de 10 reacciones, tiene lugar en dos fases (Figura 5.36):

5.2.1. Glucólisis y gluconeogénesis (catabolismo y anabolismo

de la glucosa)

Glucólisis: Es un conjunto de reacciones que tienen lugar en todas las células. Tanto las enzimas

como el número y mecanismos de los pasos de la ruta son muy semejantes en procariotas y eucariotas.

También es llamada ruta de Embdem-Meyerhof-Parnas. Cada molécula de glucosa se divide y

convierte en dos unidades de tres carbonos (piruvato). Durante este proceso se oxidan varios átomos de

carbono. La pequeña cantidad de energía que se captura durante las reacciones glucolíticas (alrededor

del 5% del total disponible) se almacena temporalmente en dos moléculas de ATP y dos de NADH. El

destino ulterior del piruvato depende del organismo que se considere y de sus circunstancias

metabólicas. En los organismos anaerobios (los que no usan oxígeno para generar energía como los

microorganismos del rumen), el piruvato puede convertirse en productos de desecho y/o energéticos

como el etanol, ácido láctico, ácido acético, etc. Utilizando el oxígeno como aceptor electrónico


155

terminal, los organismos aerobios, como los animales y vegetales, oxidan totalmente el piruvato para

formar CO2 y agua en un mecanismo complejo por pasos, conocido como respiración aerobia.

Figura 5.36. Ruta glucolítica


Fase 1: La glucosa se fosforila dos veces y se fracciona para formar dos moléculas de gliceraldehído-

3-fosfato (G-3-P). Las dos moléculas de ATP que se consumen durante esta fase son una inversión ya

que esta fase crea los sustratos reales de la oxidación de una forma que se atrapan dentro de la célula.

Fase 2: El G-3-P se convierte en piruvato. Se producen cuatro moléculas de ATP y dos de NADH.

Debido a que se han consumido dos ATP en la fase 1, la producción neta de ATP por molécula de

glucosa es de 2 (McKee y McKee, 2003).


156

La ruta glucolítica puede resumirse en la siguiente ecuación:

D-Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+

2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2H+ + 2 H2O

En la Figura 5.36, las reacciones con flechas dobles son reacciones reversibles, y las que tienen una

única flecha son reacciones irreversibles que sirven como puntos de control de la ruta.

Las 10 reacciones de la ruta glucolítica, descritas por McKee y McKee (2003), son las siguientes:

1. Síntesis de glucosa-6-fosfato, con gasto de una molécula de ATP.

2. Conversión de la glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato.

3. Fosforilación de la fructosa-6-fosfato, con gasto de una molécula de ATP.

La PFK-1 es la fosfofructoquinasa-1.

4. Escisión de la fructosa-1,6-bisfosfato


157

5. Interconversión del gliceraldehído-3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato

6. Oxidación del gliceraldehído-3-fosfato con gasto de 2 moléculas de ácido fosfórico y

formación de dos moléculas de NADH

7. Transferencia del grupo fosforilo con producción de 2 moléculas de ATP

8. Interconversión del 3-fosfoglicerato y 2-fosfoglicerato

9. Deshidratación del 2-fosfoglicerato


158

La interconversión de las formas ceto y enol, que también se llaman tautómeros, se denomina

tautomerización:

10. Síntesis de piruvato con producción de 2 moléculas de ATP

En términos de energía, el resultado de la glucólisis es la producción de 2 ATP y 2 NADH por

molécula de glucosa. El piruvato, el otro producto de la glucólisis, es una molécula con gran energía,

que puede producir una cantidad sustancial de ATP siguiendo la vía aeróbica o también llamada

respiración (ciclo de Krebs, transporte de electrones y fosforilación oxidativa), pero primeramente se

descarboxila y se forma una molécula intermedia, para que pueda esto suceder. Dicha molécula es la

acetil-CoA, que es el sustrato de entrada del ciclo del ácido cítrico, una ruta anfibólica que oxida

totalmente dos carbonos a CO2 y NADH. En presencia de oxígeno, este ciclo opera al ceder los

electrones del NADH (y el FADH2, otro transportador electrónico) producido en el ciclo del ácido

cítrico al oxígeno a través del sistema de transporte electrónico para producir agua. El sistema de

transporte electrónico consiste en una serie de reacciones ligadas de oxidación-reducción que transfiere

los electrones desde los donadores, como el NADH, hasta los aceptores, como el O2. Acoplado a este

proceso está la generación de un gradiente de protones que impulsa la síntesis de ATP.

En condiciones anaerobias está impedida una posterior oxidación del piruvato y se lleva a cabo un

proceso llamado fermentación. Diversas células y organismos lo compensan convirtiendo esta molécula

en un compuesto orgánico más reducido y regenerando el NAD+ que se requiere para que continúe la

glucólisis. Este proceso de regeneración del NAD+

se denomina fermentación. Las células musculares y

determinadas especies bacterianas, como Lactobacillus, producen NAD+ transformando el piruvato en

lactato.

En las células musculares que se contraen rápidamente la energía demandada es elevada. Tras

reducirse el suministro de O2, la fermentación del ácido láctico proporciona NAD+ suficiente para

permitir que continúe la glucólisis (con su bajo nivel de producción de ATP) durante un período de

tiempo corto.

Los animales rumiantes tienen la peculiaridad de que en el rumen se lleva a cabo una fermentación

anaerobia con un pH entre 5.5 y 7.2, dependiendo del alimento que esté consumiendo el animal. En el

rumen se encuentran gases como producto de la fermentación ruminal, los principales son el bióxido de

carbono (60-70%), metano (30-40%), nitrógeno (7%), oxígeno (0.6%), hidrógeno (0.6%) y ácido

sulfhídrico (0.01%). El líquido ruminal contiene bicarbonato, amoníaco y ácidos grasos volátiles

(AGV). Un contenido normal d AGV sería alrededor de 100-


159

acetato, 20% de propionato, 15% de butirato y 5% de ácidos mayores como isobutirato, valerato e

isovalerato. Los AGV son absorbidos a través de la pared ruminal y son la principal fuente de energía

para el rumiante ya que la mayor parte de la glucosa disponible a nivel celular se forma a partir de estos

ácidos (Spross, 2002).

En la figura 5.37 se observa que cuando se dispone de oxígeno (izquierda), los organismo aerobios

oxidan totalmente el piruvato a dióxido de carbono y agua. En ausencia de oxígeno, el piruvato puede

convertirse en varias clases de moléculas reducidas. En algunas células, como las levaduras, se produce

etanol y dióxido de carbono (centro). En otras células, como las musculares, tiene lugar la fermentación

homoláctica en la que el lactato es el único producto orgánico (derecha). En todos los procesos de

fermentación el fin principal es regenerar el NAD+, de forma que pueda continuar la glucólisis (McKee

y McKee, 2003).

Figura 5.37. Destinos del piruvato


La regulación de la glucólisis es compleja por el papel crucial de la glucosa en la generación de energía

y síntesis de diversos metabolitos. El ritmo al que opera la ruta glucolítica está controlado

principalmente por la regulación alostérica de tres enzimas: hexoquinasa (reacción 1), PFK-1 (reacción

3) y piruvato quinasa (reacción 10) (Cuadro 5.2 y Figura 5.38). Las reacciones catalizadas por estas

enzimas son irreversibles y pueden activarse o desactivarse por efectores alostéricos que son moléculas

cuyas concentraciones celulares son indicadores sensibles del estado metabólico de una célula. Algunos

efectores alostéricos son moléculas producto. Por ejemplo, la hexoquinasa se inhibe por el exceso de

glucosa-6-fosfato. Varias moléculas relacionadas con la energía actúan también como efectores

alostéricos. Por ejemplo, una concentración elevada de AMP (un indicador de una producción baja de

energía) activa a la PFK-1 y a la piruvato quinasa. Por el contrario, una concentración elevada de ATP

(un indicador de que están satisfechas las necesidades metabólicas de la célula) inhibe ambas enzimas.

El citrato y la acetil-CoA, que se acumulan cuando hay abundancia de ATP, inhiben la PFK-1 y la

piruvato quinasa, respectivamente. La fructosa-2,6-bisfosfato, producida por la modificación covalente

de la PFK-2 inducida hormonalmente, es un indicador de concentraciones elevadas de glucosa


160

disponible y activa alostéricamente la PFK-1. La fructosa-1,6-bisfosfato que se acumula activa la

piruvato quinasa, proporcionando un mecanismo de control hacia adelante (es decir, la fructosa-1,6-

bisfosfato es un activador alostérico).

Cuadro 5.2. Regulación alostérica de la glucólisis

Enzima Activador Inhibidor

Hexoquinasa Glucosa-6-fosfato, ATP

PFK-1 Fructosa-2,6-bisfosfato, AMP Citrato, ATP

Piruvato quinasa Fructosa-1,6-bisfosfato, AMP Acetil-CoA, ATP


Figura 5.38. Esquema general de la regulación de la glucólisis y puntos

de coordinación con otras rutas metabólicas


El glucagón, presente cuando la glucosa sérica es baja, activa la función fosfatasa de la PFK-2,

reduciendo la concentración de fructosa-2,6-bisfosfato de la célula. La insulina, presente cuando la


161

glucosa sérica es elevada, activa la función quinasa de la PFK-2, aumentando la concentración de

fructosa-2,6-bisfosfato de la célula (McKee y McKee, 2003).

En la Figura 5.39 se observa que los intermediarios de la glucosa son precursores de numerosos

compuestos, en especial de lípidos y aminoácidos. Hay muchas rutas que conducen a la glucólisis y

otras que divergen a partir de ella, lo cual crea un flujo considerable a través de la ruta (Mathews et al.,

2005).

Figura 5.39. Destinos alternativos de los intermediarios glucolíticos en las rutas de biosíntesis


Gluconeogénesis: La mayoría de los órganos animales pueden metabolizar diversas fuentes de

carbono para generar energía: triacilgliceroles, diversos azúcares, piruvato, aminoácidos, etc., sin

embrago, el cerebro y el sistema nervioso central necesitan glucosa como única o principal fuente de

carbono. Lo mismo ocurre en algunos otros tejidos, como la médula renal, los testículos y los

eritrocitos. Por ende, las células animales deben ser capaces de sintetizar glucosa a partir de otros

precursores y también de mantener las concentraciones sanguíneas de glucosa dentro de límites

estrechos, tanto para el funcionamiento del cerebro y sistema nervioso central de manera adecuada,


162

como para proporcionar precursores para el almacenamiento de glucógeno en otros tejidos ( Mathews

et al., 2005).

La gluconeogénesis es la formación de moléculas nuevas de glucosa a partir de precursores que no son

carbohidratos y se produce principalmente en el hígado. Estos precursores son el lactato, el piruvato, el

glicerol y determinados α-cetoácidos (moléculas que derivan de los aminoácidos). En determinadas

situaciones (acidosis metabólica e inanición) el riñón puede formar glucosa. Entre comidas se

mantienen las concentraciones sanguíneas adecuadas de glucosa por la hidrólisis del glucógeno

hepático. Cuando el glucógeno hepático se agota (como en un ayuno prolongado o ejercicio vigoroso),

la ruta gluconeogénica proporciona al organismo la glucosa adecuada. En circunstancias excepcionales,

las células cerebrales también pueden utilizar determinados derivados de los ácidos grasos para generar

energía.

La secuencia de la gluconeogénesis es, en gran medida, la inversa de la glucólisis (Figura 5.40). Sin

embargo, hay tres reacciones glucolíticas, las catalizadas por la hexoquinasa, la PFK-1 y la piruvato

quinasa, que son irreversibles y, por ende, se usan reacciones alternativas catalizadas por enzimas

diferentes (McKee y McKee, 2003).

Las reacciones de la gluconeogénesis, mostradas por McKee y McKee (2003), son las siguientes:

1er rodeo: Síntesis de fosfoenolpiruvato (PEP): la síntesis de PEP a partir de piruvato requiere dos

enzimas: piruvato carboxilasa y PEP carboxiquinasa. La piruvato carboxilasa, que se encuentra dentro

de las mitocondrias, convierte el piruvato en oxalacetato (OAA) (Figura 5.40 y 5.41).

La coenzima biotina actúa como transportador de CO2 y está unida covalentemente a la enzima

piruvato carboxilasa a través de un grupo amino de la cadena lateral de un residuo de lisina. El OAA se

descarboxila y fosforila por la PEP carboxiquinasa en una reacción impulsada por la hidrólisis de la

guanosina trifosfato (GTP).

La PEP carboxiquinasa se encuentra dentro de las mitocondrias de algunas especies y en el citoplasma

de otras. La membrana mitocondrial interna es impermeable al OAA y las células que carecen de PEP

carboxiquinasa mitocondrial transfieren el OAA al citoplasma, usando la lanzadera de malato que

consiste en que el OAA se convierte en malato por la malato deshidrogenasa mitocondrial. Tras el

transporte del malato a través de la membrana mitocondrial, la reacción inversa está catalizada por la

malato dehidrogenasa citoplásmica (McKee y McKee, 2003).

2° rodeo: Conversión de la fructosa-1,6-bisfosfato en fructosa-6-fosfato: la reacción irreversible de la

glucólisis catalizada por la PFK-1 se evita por la fructosa-1,6-bisfosfatasa:


163

Figura 5.40. Vía de la gluconeogénesis

Fuente: Nelson y Cox (2001)

Esta reacción exergónica es también irreversible en las condiciones celulares. El ATP no se regenera.

La fructosa-1,6-bisfosfatasa es una enzima alostérica. Su actividad se estimula por el citrato y se inhibe

por el AMP y la fructosa-2,6-bisfosfato.


164

3er rodeo: Formación de glucosa a partir de glucosa-6-fosfato: la glucosa-6-fosfatasa, que sólo se

encuentra en el hígado y el riñón, cataliza la hidrólisis irreversible de la glucosa-6-fosfato para formar

glucosa y Pi. A continuación, la glucosa se libera a la sangre.

Figura 5.41. Reacciones clave de la gluconeogénesis

Fuente: Lehninger, 2001

Cada una de las tres reacciones anteriores está emparejada con una reacción opuesta irreversible en la

glucólisis. Cada conjunto de estas reacciones emparejadas se denomina ciclo de sustrato. Debido a que

están reguladas de forma coordinada (un activador de la enzima que cataliza la dirección directa sirve

como inhibidor de la enzima que cataliza la reacción inversa), se desperdicia muy poca energía a pesar

de que ambas enzimas pueden estar funcionando al mismo nivel al mismo tiempo. El control de flujos

(regulación del flujo de sustrato y eliminación del producto) es más eficaz si la acumulación transitoria

de un producto se alcanza hacia atrás a través del ciclo. La velocidad catalítica de la enzima en sentido

directo permanecerá elevada si la concentración del sustrato se hace máxima. La ganancia de eficacia

catalítica compensa con creces la pequeña pérdida de energía del reciclado del producto.

La gluconeogénesis es un proceso que consume energía. En lugar de generar ATP (como la

glucólisis), la gluconeogénesis requiere la hidrólisis de seis enlaces fosfato de energía elevada (Figura

5.40) (McKee y McKee, 2003).

Los precursores gluconeogénicos son moléculas que se pueden utilizar para la síntesis neta de glucosa.

Son todos los intermediarios de la glucólisis y del ciclo del ácido cítrico. Los más importantes son

glicerol, lactato, propionato (rumiantes) y cetoácidos alfa obtenidos de la desaminación de los

aminoácidos glucogénicos A continuación se describen dichos precursores:

• Glicerol: Se libera durante la hidrólisis de los triacilgliceroles en el tejido adiposo y pasa por la

sangre hacia el hígado. Se fosforila por la acción de la cinasa del glicerol hasta fosfato de glicerol, al

que oxida la deshidrogenasa de glicerol hasta fosfato de dihidroxiacetona, que es un intermediario de la


165

glucólisis. Cabe mencionar que los adipocitos no pueden fosforilar al glicerol porque carecen de cinasa

de glicerol (Champe et al., 2006). Así, los mamíferos no pueden efectuar una transformación neta de

ácidos grasos en glucosa, mientras que el glicerol, componente de muchos lípidos, sí (Laguna y Piña,

2002).

• Lactato: El músculo esquelético en actividad descarga lactato hacia la sangre, al igual que las células

que carecen de mitocondrias, como los eritrocitos. Durante el ciclo de Cori o ciclo del ácido láctico

(Figura 5.42), la glucosa transportada en la sangre se convierte, en el músculo esquelético activo, en

lactato, que se difunde hacia la sangre. El hígado capta este lactato sanguíneo y lo convierte en glucosa,

a la que devuelve hacia la circulación (Champe et al., 2006; Murray et al., 2001).

Figura 5.42. Ciclo de cori


• Propionato: En todos los organismos, una acil-CoA de tres carbonos, la propionil-CoA, se genera,

bien a partir de la degradación de algunos aminoácidos o bien a partir de la oxidación de los ácidos

grasos que tienen un número impar de átomos de carbono. La propionil-CoA entra en la

gluconeogénesis a través de su conversión en succinil-CoA y de ésta en oxalacetato:

En el proceso interviene una coenzima que deriva de la vitamina B12. Aunque todos los organismos

utilizan el propionato como sustrato gluconeogénico, este compuesto es especialmente importante en

el metabolismo de los animales rumiantes como las vacas que realizan una gran cantidad de


166

gluconeogénesis a partir de diversos sustratos, debido a la gran cantidad de fermentación bacteriana

que se produce en sus diversas cámaras estomacales, donde la acción de las diversas bacterias degrada

las sustancias vegetales, en especial la celulosa, para dar glucosa, pero antes de que la glucosa pueda

absorberse al torrente sanguíneo, como ocurre en la digestión humana, se fermenta para producir

diversos productos, en especial lactato y propionato. El propionato se convierte en propionil-CoA y

luego en succinil-CoA, y el lactato simplemente se deshidrogena a piruvato (Mathews et al., 2005).

• Aminoácidos: Los aminoácidos derivados de la hidrólisis de las proteínas tisulares son las fuentes

principales de glucosa durante el ayuno (Cuadro 5.3). Los cetoácidos alfa, como oxalacetato y

cetoglutarato alfa, se derivan del metabolismo de los aminoácidos glucogénicos. Estas sustancias

pueden entrar en el ciclo del ácido cítrico y formar oxalacetato, un precursor directo del

fosfoenolpiruvato. Existen aminoácidos que son cetógenos, ya que originan cuerpos cetónicos como la

leucina y la lisina.

Cuadro 5.3. Clasificación de aminoácidos

.Arginina e histidina son esenciales en algunas condiciones٭

Fuente: Modificado de Champe et al. (2006

La regulación de la gluconeogénesis depende de la concentración del glucagón circulante y de la

disponibilidad de sustratos gluconeogénicos. Las concentraciones disminuidas de insulina favorecen la

movilización de aminoácidos a partir de las proteínas musculares y ofrecen los esqueletos de carbono

para la gluconeogénesis. El glucagón es una hormona de los islotes pancreáticos que estimula la

gluconeogénesis mediante tres mecanismos:

1. Cambios en los efectores alostéricos, es decir, el glucagón disminuye la concentración de

fructosa-2,6-difosfato, lo que da por resultado activación de fructosa-1,6-difosfatasa e

inhibición de fosfofructocinasa.

2. Modificación covalente de la actividad enzimática ya que el glucagón, mediante la elevación de

la concentración de cAMP y actividad de la cinasa de proteínas dependiente del cAMP,

estimula la conversión de cinasa de piruvato hasta su forma inactiva o fosforilada, lo que

disminuye la conversión de PEP en piruvato y llevando el PEP hacia la síntesis de glucosa.

3. Inducción de la síntesis de enzimas ya que el glucagón incrementa la transcripción del gen de la

carboxicinasa de PEP, lo que aumenta la disponibilidad de la actividad de esta enzima conforme

lo hacen las concentraciones de su sustrato durante el ayuno.


167

Otra manera de regular la gluconeogénesis es mediante la activación alostérica por la acetil-CoA y la

inhibición alostérica por el AMP. La activación alostérica de la carboxilasa de piruvato hepática por la

acetil-CoA se produce durante el ayuno. El hígado se ve inundado por ácidos grasos como resultado de

la lipólisis excesiva en el tejido adiposo. La tasa de formación de acetil-CoA por la oxidación beta de

estos ácidos grasos excede la capacidad del hígado para oxidarla hasta CO2 y H2O. Como resultado se

acumula acetil-CoA, lo que activa la carboxilasa de piruvato. El AMP activa la fosfofructocinasa e

inhibe la fructosa-1,6-difosfatasa, así, el AMP elevado estimula las vías que oxidan a los nutrimentos a

fin de proveer energía a la célula (Figura 5.43).

Figura 5.43. Mapa conceptual de la gluconeogénesis



168

5.2.2. Glucogenólisis y glucogénesis (catabolismo y anabolismo del glucógeno)

El metabolismo del glucógeno está regulado de forma cuidadosa para evitar el derroche de energía.

Tanto la síntesis como la degradación están controladas mediante un mecanismo complejo con

participación de la insulina, el glucagón y la adrenalina. Estas hormonas inician procesos que controlan

varios conjuntos de enzimas (Figura 5.44). La unión del glucagón a las células hepáticas estimula la

glucogenólisis e inhibe la glucogénesis. Al caer la concentración sanguínea de glucosa horas después

de una comida, el glucagón asegura la liberación de glucosa al torrente sanguíneo. Tras unirse el

glucagón a su receptor, la adenilato ciclasa (una enzima de la membrana celular) se estimula y

convierte el ATP en la molécula señalizadora intracelular AMP 3´-5´-cíclico, que se abrevia cAMP.

Luego el cAMP inicia una cascada de reacciones que amplifica la señal original. En segundos, unas

pocas moléculas de glucagón han iniciado la liberación de miles de moléculas de glucosa.

Figura 5.44. Control hormonal de la glucogenólisis, glucogénesis y gluconeogénesis

Fuente: Delgado (2007)

Glucogenólisis: Es la degradación del glucógeno que requiere de las dos siguientes reacciones:

1. Eliminación de la glucosa de los extremos no reductores del glucógeno (el extremo reductor es

en el que el anillo puede abrirse para formar un grupo aldehído libre con propiedades

reductoras. La reducción de los grupos aldehído y cetona de los monosacáridos proporciona los

azúcares alcohol o alditoles). Utilizando fosfato inorgánico (Pi), la glucógeno fosforilasa rompe

los enlaces α (1,4) de las ramificaciones externas del glucógeno para dar glucosa-1-fosfato. La

glucógeno fosforilasa se detiene cuando llega a cuatro residuos de glucosa hasta el punto de

ramificación, denominándose a esta molécula de glucógeno que llega a este punto de

ramificación dextrina límite (Figura 5.45).


169

La glucógeno fosforilasa, nombrada en la Figura 5.45, cataliza la separación de los residuos de glucosa

de los extremos no reductores de una cadena de glucógeno.

Figura 5.45. Principales factores que afectan el metabolismo del glucógeno


1. Hidrólisis de los enlaces glucosídicos α(1,6) en los puntos de ramificación del glucógeno. La

amilo- α(1,6)-glucosidasa, que también se denomina enzima desramificante, comienza a

eliminar los puntos de ramificación α(1,6) transfiriendo los tres residuos de glucosa más

externos de los cuatro unidos al punto de ramificación a un extremo no reductor cercano. Luego

elimina el único residuo de glucosa unido en cada punto de ramificación. El producto de esta

última reacción es glucosa libre (Figura 5.46).


170

Figura 5.46. Degradación de glucógeno por la amilo-α-(1,6)-glucosidasa

(enzima desramificante)


En la Figura 5.47 y Figura 5.48 se presenta un resumen de la glucogenólisis donde se muestra que la

glucógeno fosforilasa rompe los enlaces α(1,4) del glucógeno para producir glucosa-1-fosfato hasta que

llega a cuatro residuos de glucosa de un punto de ramificación. La enzima desramificante transfiere tres

de estos residuos a un extremo no reductor cercano y libera el cuarto residuo como glucosa libre. Las

acciones repetidas de ambas enzimas pueden conducir a la degradación completa del glucógeno.

Cuando está ocupado, el receptor de insulina se convierte en una enzima tirosina quinasa activa que

produce una cascada de fosforilación que en última instancia tiene el efecto opuesto al sistema

glucagón/cAMP: las enzimas de la glucogenólisis se inhiben y las enzimas de la glucogénesis se

activan. La insulina aumenta también el ritmo de la captación de la glucosa en varias clases de células

diana, pero no en las células hepáticas o cerebrales.

El estrés emocional o la agresión física liberan adrenalina por la médula suprarrenal. La adrenalina

estimula la glucogenólisis e inhibe la glucogénesis. En situaciones de urgencia se libera gran cantidad

de adrenalina, la producción masiva de glucosa proporciona la energía que se requiere para controlar la

situación, dicho efecto se llama respuesta de escape o lucha. La adrenalina inicia el proceso activando

la adenilato ciclasa del hígado y las células musculares.


171

Figura 5.47. Degradación del glucógeno


La glucógeno sintasa y la glucógeno fosforilasa poseen ambas conformaciones activas e inactivas que

se interconvierten por modificación covalente. La forma activa de la glucógeno sintasa, conocida como

forma I (independiente), se convierte en la forma inactiva o D (dependiente) mediante fosforilación.

Por el contrario, la forma inactiva de la glucógeno fosforilasa (fosforilasa b) se convierte en la forma

activa (fosforilasa a) por la fosforilación de un residuo específico de serina.

La enzima fosforilante se denomina fosforilasa quinasa. La fosforilación de la glucógeno sintasa y de la

fosforilasa está catalizada por una proteína quinasa, que se activa por cAMP. La síntesis de glucógeno

tiene lugar cuando la glucógeno sintasa y la glucógeno fosforilasa se han desfosforilado. Esta

conversión está catalizada por la fosfoproteína fosfatasa, que también inactiva a la fosforilasa quinasa


El glucógeno constituye la principal forma de almacenamiento de los carbohidratos en los mamíferos y

se presenta sobre todo en hígado y músculo esquelético. En el hígado su función principal consiste en

servir a los otros tejidos mediante la formación de glucosa sanguínea. En el músculo atiende

exclusivamente a las necesidades del órgano como fuente de combustible metabólico. En el hígado la

glucogenólisis forma glucosa y en el músculo lactato, debido, respectivamente, a la presencia o

ausencia de la glucosa-6-fosfatasa (Murray et al., 2001).


172

Figura 5.48. Degradación completa del glucógeno


Glucogénesis: El glucógeno se sintetiza a partir de moléculas de D-glucosa alfa (Figura 5.49). El

proceso se produce en el citosol de las células hepáticas y musculares, y requiere la energía

proporcionada por el ATP (o la fosforilación de la glucosa) y el trifosfato de uridina (UTP) (Champe et

al., 2006).


173

Figura 5.49. Estructura ramificada del glucógeno


La glucogénesis está constituida por el siguiente grupo de reacciones:

1.- Síntesis de glucosa-1-fosfato: la glucosa-6-fosfato se convierte de forma reversible en glucosa-1-

fosfato por la fosfoglucomutasa, una enzima que contiene en grupo fosforilo unido a un residuo de

serina reactivo:

El grupo fosforilo de la enzima se transfiere a la glucosa-6-fosfato, formando glucosa-1,6-bisfosfato.

Al formarse la glucosa-1-fosfato, el grupo fosforilo unido a C-6 se transfiere al residuo de serina de la

enzima.

2.- Síntesis de UDP-glucosa: la formación del enlace glucosídico es un proceso endergónico. La

derivatización del carbohidrato con un buen grupo de salida proporciona la fuerza impulsora para la

mayoría de las reacciones de transferencia de carbohidratos. Por esta razón, la síntesis de nucleótidos-

monosacáridos es una reacción común que precede a la transferencia de monosacáridos y a los

procesos de polimerización. La uridina difosfato glucosa (UDP-glucosa) es más reactiva que la glucosa

y se mantiene de forma más segura en el lugar activo de las enzimas que catalizan las reacciones de

transferencia (denominadas glucosil transferasas). Debido a que la UDP-glucosa contiene dos enlaces

fosforilo, es una molécula muy energética y su formación es una reacción reversible catalizada por la

UDP-glucosa pirofosforilasa:


174

Sin embargo, la reacción se completa ya que el pirofosfato (PPi) se hidroliza inmediatamente y de

forma irreversible por la pirofosforilasa con una pérdida grande de energía libre:

3.- Síntesis de glucógeno a partir de UDP-glucosa: que requiere de dos enzimas, la glucógeno

sintasa que cataliza la transferencia del grupo glucosilo de la UDP-glucosa a los extremos no

reductores del glucógeno y la amilo- α -(1,4→1,6)-glucosil transferasa (enzima ramificante) que crea

los enlaces α(1,6) para las ramificaciones de la molécula (Figura 5.50).

Figura 5.50. Síntesis de glucógeno



175

La síntesis de glucógeno requiere una cadena de glucógeno llamada cebo. La síntesis de glucógeno, al

parecer, se inicia por la transferencia de glucosa desde la UDP-glucosa a un residuo específico de

tirosina en una proteína cebadora denominada glucogenina.

En el citoplasma de las células hepáticas y musculares de los animales bien alimentados puede

observarse gránulos grandes de glucógeno, cada uno formado por una molécula de glucógeno muy

ramificada. Las enzimas responsables de la síntesis y degradación del glucógeno recubren cada gránulo


En el Cuadro 5.4 se comparan los tipos de glucógeno y sus respectivas funciones.

Cuadro 5.4. Comparación de las funciones del glucógeno hepático y muscular

Glucógeno hepático Glucógeno muscular

Función principal Mantenimiento de la

concentración de glucosa en

sangre

Combustible de reserva para la

contracción muscular

Otras funciones Utilizado como combustible para

cualquier tejido: el hígado

contiene glucosa-6-fosfatasa que

desfosforila la glucosa y permite

que salga a sangre

Ninguna. El músculo carece de

glucosa-6-fosfatasa y la glucosa-6-

fosfato no puede abandonarlo

Depósitos Aproximadamente 10% del peso

del hígado. Sólo duran 12-24

hrs. durante el ayuno

Aproximadamente 1-2% del peso

del músculo (pero debido a que

tenemos mucha más masa muscular,

hay el doble de glucógeno que en el

hígado)

Control hormonal El glucagón y adrenalina

estimulan la glucogenólisis.

La insulina estimula la

glucogénesis.

La adrenalina estimula la

glucogenólisis.

La insulina estimula la glucogénesis.

Fuente: Laguna y Piña (2002), Champe et al. (2006), Delgado (2007)

5.2.3. Respiración o procesos aeróbicos. Ciclo de Krebs y Cadena respiratoria

5.2.3.1. Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos)

El metabolismo aerobio de la glucosa a bióxido de carbono y agua, provee mucha más energía que la

liberada durante la glucólisis anaerobia. Después que la glucosa es convertida en piruvato, el cuál es

convertido a acetil-CoA por descarboxilación oxidativa antes de entrar al ciclo de Krebs, que es la vía

final común para la oxidación de los carbohidratos, los ácidos grasos y los aminoácidos (Figura 5.51).

Las reacciones de descarboxilación oxidativa tienen un papel importante en el metabolismo. El ciclo de

Krebs, que se lleva a cabo en las mitocondrias, también es llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los

ácidos tricarboxílicos (Roskoski, 2001).

En la Figura 5.52 se muestran las fuentes de glucosa sanguínea después de la ingestión de 100 gr de

glucosa en el humano. Durante un breve período de absorción, la glucosa de la dieta es la principal

fuente de glucosa sanguínea. Varias horas después de consumir los alimentos, los niveles sanguíneos de

glucosa disminuyen lo suficiente para inducir un aumento en la secreción de glucagón y reducir la


176

liberación de insulina. El aumento en la proporción entre glucagón e insulina induce una movilización

rápida de las reservas hepáticas de glucógeno (Champe et al., 2006).

Figura 5.51. Procedencia y destinos del Acetil-CoA

Fuente: Modificado de Roskoski (2001)

Figura 5.52. Fuentes de glucosa sanguínea después de la ingestión de 100 g de glucosa


El ciclo incluye la combinación de una molécula de acetil-CoA con el oxalacetato (ácido dicarboxílico

de 4 carbonos), con los que se forma el citrato, un ácido tricarboxílico de 6 carbonos. A partir del

citrato sigue una serie de reacciones en el transcurso de las cuales se liberan dos moléculas de CO2 y se

regenera el oxalacetato. Debido a que para facilitar la conversión de una gran cantidad de unidades

acetilo en CO2 se requiere sólo una pequeña cantidad de oxalacetato, se considera que éste participa

como catalizador.

El ciclo de Krebs es una parte integral del proceso mediante el cual queda disponible la mayor parte de

la energía liberada durante las oxidaciones de los carbohidratos, lípidos y aminoácidos. En el transcurso


177

de la oxidación de la acetil-CoA y como resultado de la actividad de deshidrogenasas específicas en el

ciclo, se forman equivalentes reductores en forma de hidrógeno o electrones. Estos equivalentes

reductores ingresan a la cadena respiratoria y en ella se generan grandes cantidades de ATP durante el

proceso de fosforilación oxidativa. Este proceso es aerobio y requiere oxígeno como oxidante final de

los equivalentes reductores (Figura 5.53). Por tanto, la ausencia (anoxia) o deficiencia parcial (hipoxia)

del O2 produce la inhibición total o parcial del ciclo.

Figura 5.53. Respiración o procesos anaerobios. Formación de Acetil-CoA, Ciclo de Krebs y Cadena

respiratoria



178

Las enzimas del ciclo de Krebs se localizan en la matriz mitocondrial, libres o fijas a al superficie

interior de la membrana interna mitocondrial, lo que facilita la transferencia de los equivalentes

reductores a las enzimas adyacentes de la cadena respiratoria situadas en la membrana interna

mitocondrial (Murray et al., 2001).

Antes de iniciar el ciclo de krebs se requiere la conversión del piruvato en acetil-CoA, la cual se tras el

transporte del piruvato a la matriz mitocondrial, éste se convierte en acetil-CoA en un conjunto de

reacciones catalizadas por las enzimas del complejo piruvato deshidrogenasa. La reacción neta, una

descarboxilación oxidativa, es la siguiente:

Piruvato + NAD++ CoASH → Acetil-CoA + NADH + CO2 + H2O + H

+

A pesar de la simplicidad aparente de esta reacción exergónica, su mecanismo es uno de los más

complejos que se conocen. El complejo piruvato deshidrogenasa es una estructura multienzimática

grande que contiene tres actividades enzimáticas: piruvato deshidrogenasa (E1), conocida también

como piruvato descarboxilasa, dihidrolipoil transacetilasa (E2) y dihidrolipoil deshidrogenasa (E3).

Cada actividad enzimática está presente en varias copias (*) (Cuadro 5.5).

Cuadro 5.5. Complejo piruvato deshidrogenasa de E. coli

Actividad

enzimática

Función Número de

copias por

complejo *

Coenzimas

Piruvato

deshidrogenasa

(E1)

Descarboxila al piruvato 24 (20-30) TPP

Dihidrolipoil

transacetilasa

(E2)

Cataliza la transferencia del

grupo acetilo a la CoASH

24 (60) Ácido lipoico,

CoASH

Dihidrolipoil

deshidrogenasa

(E3)

Oxida de nuevo a la

dihidrolipoamida

12 (20-30) NAD+, FAD

En paréntesis se presenta el número de moléculas de cada actividad enzimática que se encuentra en ٭

la piruvato deshidrogenasa de mamíferos.


La actividad de la piruvato deshidrogenasa está regulada por dos mecanismos: inhibición por el

producto y modificación covalente. El complejo enzimático se activa alostéricamente por el NAD+, la

CoASH y el AMP. Se inhibe por concentraciones elevadas de ATP y los productos de la reacción

acetil-CoA y NADH. En los vertebrados, estas moléculas activan también una quinasa, que convierte el

complejo piruvato deshidrogenasa activo en una forma fosforilada inactiva. Las elevadas

concentraciones de los sustratos piruvato, CoASH y NAD+ inhiben la actividad de la quinasa. El

complejo piruvato deshidrogenasa se reactiva por una reacción de desfosforilación catalizada por una

fosfoproteína fosfatasa. La fosfoproteína fosfatasa se activa cuando la concentración mitocondrial de

ATP es baja.

La coenzima Tiamina pirofosfato (TPP) descarboxila y transfiere grupos aldehído. La coenzima Ácido

lipoico transporta grupos hidrógeno o acetilo. La coenzima NADH y la coenzima FADH2 sirven como


179

transportadores electrónicos. La coenzima A (CoASH) sirve como transportador de grupos acetilo

(Figura 5.54).

Figura 5.54. Estructura de la Coenzima A (CoASH)


En el ciclo de Krebs o del ácido cítrico, los átomos de carbono se oxidan a CO2 y los electrones de

energía elevada se transfieren al NAD+ y al FAD para formar las coenzimas reducidas NADH y

FADH2, respectivamente.

Existen dos formas coenzimáticas del ácido nicotínico: el dinucleótido de nicotinamida y adenina

(NAD) y el dinucleótido de nicotinamida y adenina fosfato (NADP). Estas coenzimas se encuentran en

sus formas oxidadas (NAD+ y NADP

+) y en sus formas reducidas (NADH y NADPH).

En la primera reacción del ciclo de Krebs, un grupo acetilo de dos carbonos (acetil-CoA) se condensa

con una molécula de cuatro carbonos (oxalacetato) para formar una molécula de seis carbonos (citrato).

Durante las siete reacciones siguientes, en las que se producen dos moléculas de CO2 y se eliminan

cuatro pares de electrones de compuestos carbonados, el citrato se convierte de nuevo en oxalacetato.

Durante un paso del ciclo, se produce la molécula de energía elevada guanosina trifosfato (GTP)

durante una fosforilación a nivel sustrato (Figura 5.55). La reacción neta del ciclo de Krebs es:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O →

2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + CoASH + GTP + 3H+

El ciclo del ácido cítrico desempeña otro papel importante en el metabolismo además de producir

energía, porque durante el ciclo se producen intermediarios que son sustratos de diversas reacciones de

síntesis.

Las rutas anfibólicas pueden actuar como procesos anabólicos o catabólicos. El ciclo de Krebs es

catabólico ya que los grupos acetilo se oxidan para formar CO2 y la energía se conserva en las

moléculas de coenzima reducidas. El ciclo de Krebs es también anabólico ya que varios intermediarios

del mismo son precursores de rutas de biosíntesis. Por ejemplo, el oxalacetato se utiliza en la

-cetoglutarato desempeña un papel

importante en la síntesis de aminoácidos. La síntesis de porfirinas como el hemo utiliza la succinil-

CoA. Finalmente, la síntesis de los ácidos grasos y del colesterol en el citoplasma requiere acetil-CoA

(Figura 5.56).


180

Figura 5.55. Ciclo de Krebs o del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos



181

Los procesos anabólicos extraen del ciclo de Krebs moléculas que se requieren para mantener su

función en la generación de energía. Varias reacciones, denominadas anapleróticas, lo rellenan. Una de

las reacciones anapleróticas más importante es la que cataliza la piruvato carboxilasa. Una

concentración elevada de acetil-CoA, un indicador de concentración insuficiente de oxalacetato, activa

la piruvato carboxilasa. Como consecuencia aumenta la concentración de oxalacetato y el exceso de

oxalacetato que no se utiliza dentro del ciclo de Krebs se emplea en la gluconeogénesis.

Figura 5.56. Ciclo del ácido cítrico anfibólico



182

El ciclo de Krebs está regulado con precisión, de forma que se satisfagan constantemente los

requerimientos energético y de biosíntesis de la célula. La regulación se consigue principalmente por la

modulación de enzimas clave y la disponibilidad de determinados sustratos. Dado su papel destacado

en la producción de energía, el ciclo depende también de un aporte continuo de NAD+, FAD y ADP


El ciclo de Krebs se encuentra bajo el control de la actividad reguladora de diversas enzimas, siendo

las más importantes la sintasa del citrato, deshidrogenasa de isocitrato y complejo de deshidrogenasa de

cetoglutarato alfa (Figura 5.57).

Figura 5.57. Inhibidores y activadores del ciclo de Krebs


En la Figura 5.58 se observa que el consumo de energía que resulta de diversas funciones como la

contracción muscular, reacciones biosintéticas, etc., produce hidrólisis de ATP hasta ADP y Pi. El

incremento resultante en la concentración de ADP acelera las reacciones que emplean a este último

para generar ATP, de las cuales la más importante es la fosforilación oxidativa. La producción de ATP

aumenta hasta que iguala el ritmo de consumo provocado por las reacciones que requieren energía. Si

hay ADP o Pi en concentraciones limitadas, disminuye la formación de ATP por fosforilación

oxidativa como resultado de la falta de aceptadores de fosfato (ADP) o de fosfato inorgánico (Pi).


183

Figura 5.58. Mapa conceptual clave del ciclo de Krebs


La tasa de fosforilación oxidativa es proporcional al resultado de la ecuación [ADP] [Pi] / [ATP]; esto

se conoce como control respiratorio de la producción de energía. La oxidación de NADH y FADH2 por

la cadena de transporte de electrones puede detenerse del mismo modo si es limitada la cantidad de

ADP. Esto se debe a que los procesos de oxidación y fosforilación están firmemente acoplados y

ocurren de manera simultánea. Conforme se acumulan NADH y FADH2, se agotan sus formas oxidadas

y esto produce oxidación de la acetil-CoA por el ciclo de Krebs, de modo que este queda inhibido

como resultado de la falta de coenzimas oxidadas (Champe et al., 2006).


184

5.2.3.2. Cadena respiratoria. Transporte de electrones y fosforilación oxidativa

El papel de la cadena respiratoria o del transporte de electrones, es el de aceptar equivalentes

reductores, en forma de hidruros o electrones, provenientes de los metabolitos y eventualmente

transferirlos al oxígeno molecular (Laguna y Piña, 2002).

La cadena o sistema de transporte electrónico (CTE) mitocondrial, es un conjunto de transportadores

electrónicos situados en la membrana interna de la mitocondria, en orden creciente de afinidad

electrónica, que transfiere los electrones que proceden de las coenzimas reducidas hasta el oxígeno.

Durante esta transferencia se produce una disminución del potencial de oxidación-reducción. Cuando el

donador de electrones es el NADH y el oxígeno es el aceptor de electrones, la variación del potencial

es +1.14 V (es decir, +0.82 V – (-0.32V), esto se explicará en el apartado de óxido-reducción.

Este proceso, en el que se utiliza el oxígeno para generar energía a partir de las moléculas de alimento,

suele denominarse respiración aerobia. La energía que se libera durante la transferencia electrónica está

acoplada a varios procesos endergónicos, de los que el más importante es la síntesis de ATP. Otros

procesos que impulsan el transporte electrónico bombean Ca2+

dentro de la matriz mitocondrial y

generan calor en el tejido adiposo marrón. Las coenzimas reducidas, que proceden de la glucólisis, el

ciclo de Krebs y la oxidación de los ácidos grasos, son las principales fuentes de electrones (McKee y

McKee, 2003).

Óxido- reducción: En los seres vivos, tanto los procesos que capturan energía como los que la

liberan constan en gran medida de reacciones redox. Las reacciones redox se producen cuando se

transfieren electrones entre un donador electrónico (reductor) y un aceptor electrónico (oxidante). En

algunas reacciones redox sólo se transfieren electrones. Por ejemplo, en la reacción:

Cu+ + Fe

3+ ↔ Cu

2+ + Fe

2+

Se transfiere un electrón del Cu+ al Fe

3+. El Cu

+, el reductor, se oxida para formar Cu

2+. Al tiempo, el

Fe3+

se reduce a Fe2+

. Sin embargo, en muchas reacciones se transfieren electrones y protones. Por

ejemplo, en la reacción catalizada por la lactato deshidrogenasa, se transfieren 2 protones (H+) y 2

electrones al reducirse el piruvato para formar lactato y NAD+:

Las reacciones redox se entienden mejor si se separan en dos semirreacciones, por ejemplo la reacción

entre el hierro y el cobre:

Cu+ ↔ Cu

2+ + e

-, en donde Cu

+ y Cu

2+ son un par redox conjugado.

Fe3+

+ e-

↔ Fe2+

, en donde el Fe3+

es un aceptor de electrones.

La tendencia de una sustancia específica para perder o ganar electrones se denomina potencial redox o

de reducción. El potencial redox de un par redox conjugado se mide en una célula electroquímica frente


185

a un estándar de referencia, normalmente un electrodo estándar de hidrógeno. El potencial redox del

electrodo estándar de hidrógeno es, por definición, 0.0 V a 1 atm. Las sustancias con un potencial de

reducción más negativo transferirán los electrones a una sustancia con un potencial de reducción más

positivo. En bioquímica, la semirreacción de referencia es:

2 H+ + 2 e

- ↔ H2

Cuando: pH = 7, Temperatura = 25º C y Presión = 1 atm

En estas condiciones el potencial de reducción del electrodo de hidrógeno es -42 V cuando se mide

frente al electrodo de hidrógeno estándar en el que [H+] es 1 M. Las sustancias con potenciales de

reducción menores de -42 V (aquellas con valores más negativos) tienen una afinidad menor por los

electrones que el H+. Las sustancias con potenciales de reducción mayores (con valores más positivos)

tienen una afinidad mayor por los electrones (Cuadro 5.6).

Cuadro 5.6. Potenciales de reducción estándar


Por convenio, las reacciones redox se escriben con el agente reductor a la derecha del agente oxidante y

el número de electrones que se transfieren.

La mayor parte de la energía libre de las células aerobias se captura por el sistema de transporte

electrónico mitocondrial. Durante este proceso, los electrones se transfieren desde un par redox con un

potencial de reducción más negativo (NADH/NAD+) a aquellos con potenciales de reducción más

positivos. El último componente del sistema es el par H2O/ 0.5 O2:

½ O2 + NADH + H+ → H2O + NAD

+


186

Una porción significativa de la energía libre que se genera al moverse los electrones desde el NADH al

O2 en el sistema de transporte electrónico se utiliza para sintetizar ATP. En varios procesos

metabólicos, los electrones se mueven desde pares redox con potenciales de reducción más positivos a

aquellos con potenciales de reducción más negativos. Evidentemente se requiere energía.

El flujo electrónico puede utilizarse para generar energía y capturarla, en la respiración aerobia. La

energía puede también utilizarse para impulsar el flujo electrónico en la fotosíntesis. El NADP+ es una

versión más fosforilada del NAD+ (Figura 5.59) (McKee y McKee, 2003).

Figura 5.59. Flujo energético y energía


Así, la oxidación (pérdida de electrones) de un compuesto se acompaña siempre de reducción

(ganancia de electrones) de una segunda sustancia. Por ejemplo, en la Figura 5.60 se observa que la

oxidación del NADH hasta el NAD+ acompañada por reducción del FAD hasta FADH2. Cada reacción

de oxidorreducción puede interpretarse como el resultado de dos medias reacciones: una oxidación

aislada y una reacción de reducción separada. NAD+ y NADH forman un par redox, como FAD y

FADH2. Los pares redox difieren en su tendencia a perder electrones. Esta tendencia, tal como se

muestra en el Cuadro 5.6, es una característica de un par redox particular y se puede especificar de

manera cuantitativa mediante una constante, E0 (potencial de reducción estándar), con unidades en

voltios (Champe et al., 2006).

Componentes de la cadena respiratoria: Los componentes de la cadena de transporte

electrónico (CTE) de los eucariotas se encuentran en la membrana mitocondrial interna.

En la Figura 5.61 podemos apreciar que los complejos I y II transfieren los electrones del NADH y el

succinato, respectivamente, a la coenzima Q o ubiquinona (UQ). El complejo II transfiere los

electrones desde la UQH2 al citocromo c. El complejo IV transfiere los electrones desde el citocromo c

al O2. Las flechas representan el flujo de electrones.

Figura 5.60. Oxidación del NADH por mononucleótido de flavina (FMN),

separada en dos pares redox componentes


187


Cuadro 5.7. Componentes supramoleculares de la cadena de transporte electrónico

Complejo enzimático Grupos protéticos Complejo I (NADH deshidrogenasa) FMN, FeS

Complejo II (succinato deshidrogenasa) FAD, FeS

Complejo III (complejo citocromo bc1) Hemos, FeS

Cirocromo c Hemo

Complejo IV (citocromo oxidasa) Hemos, Cu


La mayoría de los componentes están organizados en cuatro complejos (Cuadro 5.7), cada uno de los

cuáles consta de varias proteínas y grupos prostéticos (cada proteína conjugada consta de una proteína

simple combinada con un componente no proteico denominado grupo prostético; una proteína sin su

grupo prostético se denomina apoproteína y una molécula proteica combinada con su grupo prostético

se denomina haloproteína).

El complejo I, también denominado complejo NADH deshidrogenasa, cataliza la transferencia de

electrones desde el NADH a la coenzima Q. Las principales fuentes de NADH son varias reacciones de

la glucólisis, del ciclo de Krebs y la oxidación de los ácidos grasos. Formado al menos por 25

polipéptidos diferentes, el complejo I es el componente proteico más grande de la membrana interna.

Además de una molécula de FMN (coenzima mononucleótido de flavina), el complejo contiene varios

centros hierro-azufre.

Los centros hierro azufre, que pueden constar de dos o cuatro átomos de hierro formando complejo con

un número igual de iones sulfuro, hacen de intermediarios en las reacciones de transferencia de 1

electrón. Las proteínas que contienen centros hierro-azufre se denominan también proteínas con hierro

no hemo. Aunque la estructura y la función del complejo I no se conocen aún muy bien, se cree que el

NADH reduce al FMN a FMNH2. A continuación se transfieren los electrones de uno en uno desde el


188

FMNH2 a un centro hierro-azufre. Tras la transferencia de un centro hierro-azufre a otro, los electrones

finalmente se ceden a la UQ (Figura 5.62) (McKee y McKee, 2003)

Figura 5.61. Cadena de transporte electrónico


Figura 5.62. Transferencia de electrones a través del complejo I

de la cadena de transporte electrónico mitocondrial


En la Figura 5.63 se observa la estructura y estados de oxidación de la coenzima Q. La cadena lateral

de la coenzima Q varía en las distintas especies, en mamíferos es de 10 unidades isopreno y en las


189

bacterias de 6 unidades isopreno. Así, la coenzima Q es un transportador electrónico respiratorio que

sirve para que las mitocondrias oxiden sustratos. La coenzima Q es un transportador electrónico

extremadamente lipofílico que se encuentra ligado de forma laxa a las proteínas. Dado que la coenzima

Q está presente de manera ubicua (en todas) en las células vivas, un grupo de investigadores le nombró

ubiquinona, otros CoQ. El término Q10 se usa para especificar la forma de CoQ que contiene 10

unidades isopreno. La cola isoprenoide proporciona a la molécula su carácter apolar, que permite a la

CoQ una difusión rápida a través de la membrana mitocondrial interna (Mathews et al., 2005).

Figura 5.63 . Estructura y estados de oxidación de la coenzima Q


El complejo succinato deshidrogenasa (complejo II) consta principalmente de la enzima del ciclo de

Krebs, succinato deshidrogenasa, y dos proteínas hierro-azufre. El complejo II participa en la

transferencia de electrones desde el succinato a la UQ. El lugar de oxidación del succinato se encuentra

en la proteína hierro-azufre más grande. Esta molécula contiene también un FAD unido

covalentemente. También ceden electrones a la UQ otras flavoproteínas.

En algunos tipos celulares, el glicerol-3-fosfato deshidrogenasa, una enzima situada en la cara externa

de la membrana mitocondrial interna, transfiere los electrones desde el NADH citoplásmico hasta la

CTE. La acil-CoA deshidrogenasa, la primera enzima de la oxidación de los ácidos grasos, transfiere

los electrones a la UQ desde el lado de la matriz de la membrana interna (Figura 5.64).

El complejo III transfiere los electrones desde la coenzima Q reducida (UQH2) al citocromo c. Al

complejo III se le denomina complejo citocromo bc1, ya que contiene dos citocromos de tipo b, un

citocromo c1 (cit c1) y un centro hierro-azufre. Los citocromos son un conjunto de proteínas de

transporte de electrones que contienen un grupo prostético hemo semejante a los de la hemoglobina y la

mioglobina. Los electrones se transfieren de uno en uno y se reduce de forma reversible un átomo de

hierro oxidado (Fe3+

) a Fe2+

. El movimiento de electrones desde UQH2 al citocromo c es un proceso

complejo de varios pasos (Figura 5.65).


190

Figura 5.64. Ruta de los electrones desde el succinato (ciclo de Krebs), el glicerol-3-fosfato

-oxidación) hasta la UQ


Figura 5.65. Transporte electrónico a través del complejo III


Durante el proceso de transporte electrónico, el hierro del hemo se oxida y se reduce alternativamente.

El citocromo oxidasa (complejo IV) es un complejo proteico que cataliza la reducción de cuatro

electrones del O2 para formar H2O. El complejo que atraviesa la membrana en los mamíferos puede

contener entre 6 y 13 subunidades, dependiendo de las especies. Puede contener también dos átomos de

cobre, además de los átomos de hierro del hemo de los citocromos a y a3 (Figura 5.66).

Figura 5.66. Transporte electrónico a través del complejo IV


191


Los átomos de cobre se alternan entre los estados de oxidación +1 y +2, Cu1+

y Cu2+

. El átomo de

hierro del cit a3 está íntimamente asociado con un átomo de cobre denominado CuB. El otro átomo de

cobre, CuA, se encuentra a corta distancia del hemo del cit a. El citocromo c, una proteína que está

unida débilmente a la membrana interna sobre su superficie externa, transfiere los electrones de uno en

uno al cit a y al CuA. Los electrones se ceden a continuación al cit a3 y al CuB, lo que se produce en el

lado de la matriz, interno, de la membrana. Esta lanzadera de electrones permite que se cedan a la

molécula de dioxígeno unida al cit a3-Fe2+

. Se forman dos moléculas de agua que abandonan el lugar,

mediante la siguiente reacción:

O2 + 4H+ + 4e

- → 2 H2O

Durante cada reacción redox secuencial de la CTE, un electrón pierde energía. Durante la oxidación

del NADH hay tres pasos en los que la variación del potencial de reducción es suficiente para sintetizar

ATP. Estos pasos, que se producen en los complejos I, II y III, se denominan lugares I, II y III,

respectivamente. Aproximadamente se sintetizan 2.5 moléculas de ATP por cada par de electrones que

se transfieren entre el NADH y el O2 en la CTE (es decir, el cociente P/O máximo medido para la

oxidación del NADH es 2.5). En la transferencia de cada par donado por el FADH2 producido por la

oxidación del succinato se forman aproximadamente 1.5 moléculas de ATP. Lo anterior tiene que ver

con el valor del cociente P/O (el número de moles Pi que se consumen para que se reduzca cada átomo

de oxígeno a H2O) y que refleja el grado de acoplamiento que se observa entre el transporte electrónico

y la síntesis de ATP. (McKee y McKee, 2003). Sin embargo, Mathews et al. (2005), describe que en la

actualidad parece claro que la fosforilación y la oxidación no están acopladas de manera directa. Como

sugiere la Figura 5.67, el acoplamiento se produce de forma indirecta. Este mecanismo no requiere una

relación estequiométrica entera entre los equivalentes reductores consumidos y el ATP sintetizado. Por

otro lado, la mayoría de las medidas de la relación P/O dan valores cercanos a 3 para la oxidación de

los sustratos ligados al NAD+ y 2 para el succinato. Teniendo en cuenta lo anterior, se puede escribir

una ecuación equilibrada para la oxidación mitocondrial del NADH:

NADH + 4H+ + ½ O2 + 3 ADP + 3 Pi ↔ NAD

+ + 4 H2O + 3 ATP

Figura 5.67. Identificación experimental de los lugares de acoplamiento


192


En la Figura 5.67 el transporte electrónico se limitó a determinadas partes de la cadena mediante el

empleo de determinados donadores electrónicos, aceptores electrónicos e inhibidores respiratorios,

según se indica. Para cada segmento de la cadena aislado de esta forma, se determinaron las relaciones

P/O, como se muestra en la Figura. Se añadió antimicina A en el experimento que identificó el primer

lugar de acoplamiento para bloquear el flujo de electrones a partir del citocromo b.

Inhibidores de la cadena respiratoria. Varias moléculas inhiben de forma específica el

proceso de transporte electrónico (Figura 5.68). Los inhibidores han sido muy valiosos para determinar

el orden correcto de los componentes de la CTE cuando se han utilizado junto con las medidas del

potencial de reducción. En estos experimentos se mide el transporte electrónico con un electrodo de

oxígeno. El consumo de oxígeno es una medida sensible del transporte electrónico. Cuando está

inhibido el transporte electrónico, el consumo de oxígeno se reduce o elimina. Los componentes

oxidados de la CTE se acumulan en el lado del oxígeno del lugar de la inhibición. Los componentes

reducidos de la CTE se acumulan en el lado contrario al del oxígeno del lugar de la inhibición. Por

ejemplo, la antimicina A inhibe al cit b. Si se añade este inhibidor a una suspensión de mitocondrias,

quedan más reducidas las moléculas de NAD+, las flavinas y el cit b. Los citocromos c1, c y a quedan

más oxidados. Otros ejemplos destacados de inhibidores de la CTE son la rotenona y el amital, que

inhiben a la NADH deshidrogenasa (complejo I). el monóxido de carbono (CO), la azida (N-3

) y el

cianuro (CN-) inhiben la citocromo oxidasa (Figura 5.69) (McKee y McKee, 2003).

Figura 5.68. Ejemplos de inhibidores de la CTE mitocondrial


Figura 5.69. Inhibidores específicos de sitio de transporte de electrones


193


Fosforilación oxidativa. La transferencia de electrones por debajo de la cadena de

transportadores de éstos se favorece desde el punto de vista energético porque el NADH es un donador

potente de electrones y el oxígeno molecular es un receptor ávido de éstos. Sin embargo, el flujo de

electrones desde el NADH hacia el oxígeno no da directamente por resultado síntesis de ATP. La

hipótesis quimioosmótica o hipótesis de Mitchell, explica la manera en que la energía libre que se

genera por la actividad de la cadena de transporte de electrones se emplea para producir ATP a partir de

la reacción ADP + Pi. El Pi es el fosfato inorgánico.

El transporte de electrones está acoplado con la fosforilación del ADP por el transporte de protones

(H+) a través de la membrana mitocondrial interior desde la matriz hacia el espacio intermembranoso.

Este proceso establece un gradiente eléctrico a través de la membrana mitocondrial interior (con más

cargas positivas en el exterior de la membrana que en el interior de ésta) y un gradiente de pH (el

exterior de la membrana está a pH más bajo que su interior). La energía que se genera por esta

gradiente de protones es suficiente para impulsar la síntesis de ATP. Por este motivo, el gradiente de

protones funciona como intermediario común que acopla la oxidación con la fosforilación.

El complejo enzimático sintasa del ATP (complejo V), sintetiza ATP valiéndose de la energía del

gradiente de protones que se genera por la cadena de transporte de electrones. También se denomina

ATP-asa, porque la enzima aislada cataliza también la hidrólisis del ATP hasta ADP y fosfato

inorgánico. La hipótesis quimioosmótica propone que, una vez que se han transferido protones hacia el

lado citosólico de la membrana mitocondrial interior, éstos reingresan en la matriz mitocondrial

pasando a través de un canal en el complejo de sintasa de ATP, lo que tiene como consecuencia síntesis

de ATP a partir de ADP + Pi y, al mismo tiempo, disipación de los gradientes de pH y eléctrico (Figura

5.70).

La inhibición de la fosforilación inhibe la oxidación, por lo que el transporte de electrones y la

fosforilación son procesos firmemente enlazados.

Las proteínas desacopladoras (UCP) se encuentran en la membrana mitocondrial interior de los

mamíferos. Dichas proteínas crean una fuga de electrones, es decir, permiten que los protones

reingresen en la matriz mitocondrial sin que se capture energía en forma de ATP. La UCP1 o

termogenina, se encarga de activar la oxidación de los ácidos grasos y la producción de calor en los

adipocitos pardos de los mamíferos.

Figura 5.70. Cadena de transporte de electrones que se ilustra acoplada con


194

el transporte de protones. No se ilustra el complejo II.

Fuente: Champe et al.(2006)

El transporte de electrones y la fosforilación pueden ser desacoplados por compuestos que incrementan

la permeabilidad de la membrana mitocondrial interior a los protones. El ejemplo clásico es el 2,4-

dinitrofenol, transportador de protones lipófilo que se difunde con facilidad a través de la membrana

mitocondrial. Este desacoplador hace que prosiga el transporte de electrones a ritmo rápido sin

establecer un gradiente de protones, de manera muy semejante a lo que hacen las proteínas

desacopladoras (Figura 5.71).

Figura 5.71. Transporte de H+ a través de la membrana mitocondrial por el 2,4-dinitrofenol



195

La energía producida por el transporte de electrones se descarga en forma de calor en vez de utilizarla

para la síntesis de ATP.

La membrana mitocondrial inferior es impermeable a la mayor parte de las sustancias con carga o

hidrófilas. Sin embargo, contiene numerosas proteínas tansportadoras que permiten el paso de

moléculas específicas desde el citosol (espacio intermembranoso) hacia la matriz mitocondrial. La

membrana mitocondrial interior necesita transportadores especializados de ADP y Fi desde el citosol

(en el que se emplea ATP y se convierte en ADP en muchas reacciones que necesitan energía) hacia el

interior de la mitocondria, sitio en el que se puede resintetizar el ATP. Un transportador de nucleótido

de adenina transporta una molécula de ADP desde el citosol hacia el interior de la mitocondria, a la vez

que exporta un ATP desde la matriz de nuevo hacia el citosol. La membrana mitocondrial interior

carece de proteína transportadora de NADH, y el NADH que se produce en el citosol no puede penetrar

directamente en la mitocondria. Sin embargo, se transportan dos electrones de NADH (equivalentes

reductores) desde el citosol hacia el interior de la mitocondria mediante ciertos mecanismos de

transportación. En el transportador glicerofosfato se transfieren dos electrones desde el NADH hacia la

deshidrogenasa de flavoproteínas dentro de la membrana mitocondrial interior. Esta enzima dona a

continuación sus electrones a la cadena de transporte de éstos de una manera semejante a lo que hace la

deshidrogenasa de succinato. El transportador glicerofosfato, en consecuencia, produce síntesis de 2

ATP por cada NADH citosólico oxidado. Lo anterior contrasta con el transportador de malato y

aspartato, que produce NADH en la matriz mitocondrial, produciendo 3 ATP por cada NADH

citosólico oxidado (Figura 5.72) (Champe et al., 2006).

Figura 5.72. Vías transportadoras de electrones a través de la membrana mitocondrial interior



196

En la Figura 5.73 el flujo de electrones y la síntesis de ATP se han representado como juegos de

engranes que dan una idea de acoplamiento.

Figura 5.73. Mapa conceptual del transporte de electrones y de la fosforilación oxidativa



197

5.2.4. Procesos anaeróbicos (fermentación láctica, acética,

propiónica, butírica, alcohólica, etc.)

La respiración es dependiente de oxígeno, la fermentación no. La glucosa como sustrato oxidable

habrá de disponer de algún tipo de aceptor de electrones, ya que en su ausencia no sucederá la

oxidación. Cuando el aceptor de electrones es el oxígeno, el proceso es aerobio. El catabolismo

aeróbico de la célula, que incluye a la glucosa y otros sustratos, se llama en general respiración.

La degradación celular de compuestos para extraer su contenido de energía en ausencia de oxígeno,

esto es, en condición anaerobia, se conoce como metabolismo anaerobio o fermentación y se identifica

por el principal producto final de la vía. Por ejemplo, en el caso de la glucosa en el músculo, el

producto final es el lactato, por lo que la vía se denomina fermentación láctica; en la levadura, el

producto final es el alcohol, por lo que recibe el nombre de fermentación alcohólica. En estos procesos

fermentativos se requiere de un aceptor externo de electrones, de ordinario, la coenzima NAD+ y se

liberan cantidades pequeñas de energía, parte de la cual se almacena en forma de ATP (Laguna y Piña,

2002).

El aparato digestivo de los rumiantes es un sistema complejo de fermentación que permite al animal

aprovechar nutrimentos que de otra manera no podrían ser digeridos. Este beneficio se logra gracias a

la participación de microorganismos que poseen la capacidad de digerir y aprovechar determinadas

sustancias, como la celulosa (fibra) o la urea que de otra manera resultaría tóxica. El rumen y retículo

forman una cámara de fermentación anaerobia con un pH entre 5.5 y 7.2, dependiendo del alimento que

esté consumiendo el animal. En el rumen existe una gran variedad de microorganismos: protozoarios

ciliados, protozoarios flagelados, levaduras, hongos anaerobios, bacterias, micoplasmas y

bacteriófagos. Los microorganismos que se encuentran en mayor proporción en el rumen son las

bacterias, cuya población es variable y se encuentran clasificadas según el sustrato sobre el que actúan:

- Celulolíticas: producen celulasas que hidrolizan los enlaces glucosídicos β(1,4) para producir

celobiosa, como ejemplos están: Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus albus y

Ruminococcus flavefaciens.

- Xylanolíticas: incluyen a las tres anteriores y además a Prevotella ruminicola y Eubacterium

ruminantium.

- Petinolíticas: la más activa es Lechnospira multípara.

- Amilolíticas: muchas bacterias producen amilasa, siendo las más importantes: Streptococcus

bovis, Bacteroides ruminicola y Selenomonas ruminantium.

La celulosa es el carbohidrato más resistente a la digestión, y su degradación es el paso más limitante

en la fermentación ruminal. La mayoría de las bacterias pueden usar azúcares solubles, y la mayoría de

la glucosa y celobiosa liberadas durante la degradación de la celulosa es fermentada por bacterias no

celulolíticas.

Los protozoarios ruminales, cuya mayoría son ciliados, lo que les permite una propulsión rápida a

través del líquido ruminal, pueden metabolizar azúcares solubles y muchos de ellos también hidrolizan

a las bacterias, las cuáles les sirven como alimento. Los protozoarios ciliados conforman dos familias

principales, la más numerosa es la Ophryoscolecidae, que incluye 17 géneros, los cuáles son móviles y

anaerobios. La otra familia es la de los Holotricos (15 géneros) pertenecientes al orden Vestibuliferida.

Los hongos ruminales tienen la capacidad de fermentar polisacáridos.


198

Entre el animal rumiante y los microorganismos ruminales existe una simbiosis: el rumiante provee el

hábitat a la microbiota y ésta desdobla los alimentos en forma química (enzimática) y mecánica,

proporcionándole nutrimentos que, al absorberse, son la principal fuente de energía de los rumiantes.

La degradación de la fibra en los rumiantes ocurre, principalmente, por la acción de microorganismos

celulolíticos que son extremedamente sensibles a la caída del pH, así, el crecimiento bacteriano

celulolítico se inhibe a un pH inferior a 6.0. Muchas bacterias y hongos producen enzimas celulolíticas

que son capaces de hidrolizar celulosa a celobiosa y glucosa, por lo que los animales herbívoros que no

pueden producir estas enzimas, han desarrollado la forma de utilizar la celulosa y otros polisacáridos,

indirectamente, al establecer una relación simbiótica con estos microorganismos.

La celulolisis es llevada a cabo por varias especies de bacterias ruminales, junto con los protozoarios

Ophryoscolecidae y hongos anaerobios. Los xylanos y la hemicelulosa son degradados por bacterias

celulolíticas, por la mayoría de las especies de protozoarios, así como por hongos anaeróbicos. La

pectina es digerida por bacterias y protozoarios, pero no por hongos. El almidón es tragado por

protozoarios Ophryoscolecidae, lo cual permite ayudar a estabilizar la fermentación ruminal, al

proteger el almidón de una rápida degradación bacteriana. Muchas especies digieren almidón, incluidos

Ruminobacter amylophilus, S. bovis, Succinimonas amylolytica, S. ruminantum, B. fibrisolvens y E.

ruminantium. Los azúcares son degradados por la mayoría de las especies encontradas en el rumen. Se

piensa que los protozoarios holótricos son particularmente dependientes de los azúcares para su

crecimiento.

En el Cuadro 5.8 se muestran las características de las bacterias que fermentan carbohidratos

estructurales y carbohidratos no estructurales.

Cuadro 5.8. Características de las bacterias ruminales que fermentan carbohidratos

Bacterias que fermentan

carbohidratos estructurales

Fermentan sólo carbohidratos de la pared celular de la planta

Usan sólo amoníaco como fuente de N para la síntesis de proteínas

La eficiencia de su actividad aumenta en presencia de péptidos

Requieren de la presencia de AGV´s de cadena ramificada que se

forman como consecuencia de la fermentación de aminoácidos de

cadena ramificada

Tasa de fermentación más baja que las bacterias que fermentan

nutrimentos concentrados

Fermentación de estos carbohidratos produce relación alta de

acetato a propionato en la mezcla AGV que se produce

Requieren de pH alto ya que si es menor a 6.0 su actividad decrece

Bacterias que fermentan

carbohidratos no estructurales

Presentan alta tasa de fermentación

Usan como fuente de N al amoníaco y a péptidos

Tienen mayor tolerancia a pH bajo (ácido)

Fuente: Adaptado de Spross (2002)

Por medio de la fermentación microbiana en el rumen, los polisacáridos complejos, glúcidos simples

(almidones, sacarosa), proteínas y otros sustratos fermentables se transforman en ácidos grasos

volátiles (AGV), vitaminas hidrosolubles, CO2 y metano; y las fuentes nitrogendas en amoníaco. Estos

compuestos sirven como sustrato energético, proteínico y vitamínico para el crecimiento de la

población microbiana (Spross, 2002).

Laguna y Piña (2002) y McKee y McKee (2003) mencionan que en el caso de la degradación celular

de la glucosa en los mamíferos, especialmente en el tejido muscular, se distingue una etapa aeróbica


199

inicial y otra posterior que sucede en condiciones anaeróbicas. La etapa anaeróbica corresponde a la

fermentación láctica que se mencionó anteriormente (o glucólisis). El producto final de la glucólisis

muscular es el lactato, sin embargo, en el músculo en reposo y en presencia de oxígeno, el lactato es

convertido en piruvato, el cual es degradado hasta H2O y CO2 en condiciones aeróbicas, en el llamado

ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs. Si el músculo mantiene su estado de contracción y

no hay suficiente oxígeno, el lactato formado pasa a la sangre para su uso por otros tejidos.

La Figura 5.74 en la parte superior muestra que la glucólisis puede producir dos intermediarios: el

piruvato o el lactato, según las condiciones ambientales en las que se encuentre la célula. En la porción

inferior se muestra cómo se conecta la glucólisis (metabolismo anaerobio) con el ciclo de Krebs

(metabolismo aerobio) a través del cetoácido de tres átomos de carbono, el piruvato.

Figura 5.74. Esquema de conexión entre la glucólisis y el ciclo de Krebs


La etapa final de la glucólisis anaerobia muscular tiene como producto final característico un

compuesto orgánico de tres átomos de carbono, el lactato, el cual se produce en un proceso de

reducción, donde los electrones del NADH son transferidos directamente al grupo carbonilo del

piruvato con el concurso de la enzima lactato deshidrogenasa, que cataliza la reacción. En los

mamíferos, la lactato deshidrogenasa en una enzima tetramérica, con varias isoenzimas; las

subunidades que la forman son de dos tipos: M (músculo estríado) y H (músculo cardíaco). Las

isoenzimas del corazón se inhiben por el piruvato, por lo que el sustrato preferencial en el corazón es el

lactato.

La secuencia de reacciones glucolíticas, a partir de una molécula de glucosa, da lugar a dos moléculas

de NADH y a dos moléculas de piruvato, cuya reacción en presencia de la deshidrogenasa láctica es la

siguiente:

2 piruvato + 2 NADH + 2 H+

2 lactato + 2 NAD+

La glucólisis anaerobia da como resultado:

Glucosa + 2 ADP + Pi 2 lactato + 2ATP + 2 H2O


200

Este proceso fermentativo es la principal vía metabólica en la producción de ATP en numerosas

bacterias y en algunas células animales que funcionan en condiciones anaerobias o parcialmente

anaerobias.

En el caso del tejido muscular, el lactato producido es acarreado por el sistema circulatorio al hígado,

donde es utilizado en el proceso de gluconeogénesis. La glucosa proveniente del lactato participa en el

ciclo de Cori mostrado en la Figura 5.42.

La fermentación alcohólica (Figura 5.75) es una vía alterna al proceso de fermentación láctica y se

observa en levaduras mantenidas en condiciones anaeróbicas y tiene una gran importancia comercial.

El proceso se inicia con una molécula de glucosa y a través de las reacciones de la glucólisis anaerobia

obteniendo dos moléculas de piruvato y 2 de NADH, de manera muy similar como en el tejido

muscular. En este caso, el piruvato es descarboxilado para producir un compuesto de dos átomos de

carbono, el acetaldehído, que se convierte en el aceptor de electrones. La reducción del acetaldehído

produce el etanol, alcohol del cual deriva su nombre el proceso. Las reacciones que involucran la

producción de etanol son dos: la descarboxilación del piruvato y la reducción posterior del

acetaldehído; estas reacciones son catalizadas por dos enzimas diferentes. Añadiendo este proceso

reductivo a la conversión de glucosa en 2 de piruvato y 2 de NADH se llega al siguiente resumen:

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi 2 etanol + 2 CO2 + 2ATP + 2 H2O

Figura 5.75. Fermentación alcohólica


A pesar de que el lactato y el etanol son los productos de fermentación de mayor importancia

económica, no son las únicas vías fermentativas que tienen los microorganismos. Por ejemplo, la

fermentación propiónica convierte al piruvato de manera reductiva en propionato (CH3-CH2-COO-),

reacción de importancia en la producción del queso suizo. Muchas bacterias también realizan la

fermentación del butilenglicol, cuyo producto final es el butirato (olor de grasas en mantequilla), la

acetona y el isopropanol. Todas las posibilidades de fermentación señaladas son solamente variaciones

del tema común: la reoxidación del NADH+H+

por medio de la transferencia de sus electrones a un

aceptor orgánico (Laguna y Piña, 2002).

Los AGV´s sirven al rumiante como fuente de energía, ya que la mayor parte de la glucosa disponible

a nivel celular se forma a partir de estos ácidos.

Los productos de degradación de polisacáridos en rumiantes ocasionalmente convergen en mono y

disacáridos los cuáles entran a la vía de la glucólisis. Durante el curso del metabolismo del

fosfoenolpiruvato, se forma ATP, combustible para el crecimiento microbiano. Sin embargo, NAD+

es

reducido a NADH, y para que la fermentación continúe es necesario reoxidar el NADH a NAD+.

El acetato, formado a partir del piruvato, produce ATP. El propionato es generado en el rumen por dos

vías, la aleatoria (succinil-CoA) y la no aleatoria (acrilil-CoA). Las dos vías eliminan el mismo número

de equivalentes reductores y permiten la formación de ATP. En la vía aleatoria, el piruvato o fosfoenol


201

piruvato) es convertido a malato (u oxalacetato), después es deshidratado a fumarato, el cuál es

reducido a succinato. En las etapas finales de la producción de propionato se forma succinil-CoA, se

genera una reacción mutasa dependiente de vitamina B12, ocurre una descarboxilación y, finalmente,

una hidrólisis del éster-CoA en una reacción que produce ATP. En la vía no aleatoria, el lactato

produce lactil-CoA, y después acrilil-CoA, el cual es reducido a propionil-CoA. Las dos bacterias

principales productoras de propionato son S. ruminantium y M. elsdenii que usan las vías aleatoria y no

aleatoria, respectivamente. El butirato es formado por la condensación de dos moléculas de acetil-CoA,

siendo la principal especie productora B. fibrisolvens, aunque los protozoarios ciliados son activos en

su formación. El metano es producido por bacterias de la especie Methanobrevibacter ruminantium.

El lactato es metabolizado por bacterias ruminales como Veillonella párvula, S. ruminantium y M.

elsdenii, lo que forma propionato. También es metabolizado por protozoarios ciliados. El succinato es

utilizado por S. ruminantium, se forma propionato.

Los principales AGV´s produidos en el rumen son: acético (C2), propiónico (C3) y butírico (C4).

Cuando el animal está consumiendo una dieta basada en forrajes, la relación o patrón de fermentación

en que se encuentran éstos es de 65:25:10 a 70:20:10, respectivamente; mientras que si la dieta es alta

en granos o concentrados, la proporción variará entre 45:40:15 y 50:40:10, respectivamente.

El ácido láctico es canalizado a la producción de grasa en la leche. El ácido propiónicose canaliza al

incremento de grasa en el cuerpo y menos a la producción de leche.

En raciones con concentrado hay relativamente más ácido propiónico que en raciones a base de

forrajes. La fermentación de la fibra produce más ácido acético. La fermentación de forraje de buena

calidad produce relativamente más ácido propiónico que la de forraje de baja calidad. La razón de esto

es que mientras mejor es la calidad de los forrajes, mayor cantidad de carbohidratos solubles contienen.

Durante la fermentación ruminal se producen AGV´s de cadena corta ramificada como: ácido

isobutírico, ácido isovalérico, etc., pero se producen en proporciones bajas.

Los AGV´s ruminales son empleados como sustratos para la síntesis de otros AGV´s o para la

formación de proteína microbiana; el resto se absorbe a través de la pared ruminal y pasa a la vena

porta para ser metabolizados, posteriormente, en el hígado y otros tejidos. Los AGV´s se absorben

principalmente en el rumen y retículo aunque también se absorben en el omaso, abomaso e intestinos.

Los disacáridos y almidones que escapan de la fermentación ruminal pasan al intestino delgado, donde

son digeridos por enzimas pancreáticas e intestinales, en la misma forma que en los animales no

rumiantes (Spross, 2002).

5.2.5. Ruta del fosfogluconato o de la pentosa fosfato

También llamada derivación de la hexosa monofosfato o vía del 6-fosfogluconato, funciona en el

citosol (Champe et al., 2006).

La vía oxidativa de la pentosa fosfato (ribosa 5-fosfato) de Warburg-Dickens es un esquema

importante para el catabolismo de la glucosa. Esta vía es motivo de la biosíntesis de los azúcares de

cinco carbonos encontrados en los nucleótidos (ATP, NAD+, NADP

+, coenzima A, FAD), RNA y

DNA. Otra característica importante de esta vía es que genera NADPH + H+. El NADPH generado


202

puede utilizarse en la biosíntesis de ácidos grasos o de colesterol y funciona como reductor

bioquímico. Los eritrocitos también contienen las enzimas de esta vía, debido a que en estas células

portadoras de oxígeno, el NADPH tiene un papel protector contra la toxicidad del oxígeno (Roskoski,

2001).

Consiste en dos reacciones oxidativas irreversibles seguidas por una serie de interconversiones

reversibles de azúcar y fosfato. En el ciclo no se consume o produce directamente ATP. El carbono

número 1 de la glucosa-6-fosfato se descarga como CO2 y se producen dos moléculas de NADPH por

cada molécula de glucosa-6-fosfato que ingresa en la parte oxidativa de esta vía. La tasa y la dirección

de las reacciones reversibles de la pentosa fosfato dependen de la provisión y la demanda de

intermediarios del ciclo (Champe et al., 2006).

La ruta de las pentosas consta de dos fases: la oxidativa (Figura 5.76) y la no oxidativa (Figura 5.77).

En la fase no oxidativa se produce la isomerización y la condensación de varias moléculas de

monosacáridos diferentes. Tres intermediarios de este proceso que son útiles en otras rutas son la

ribosa-5-fosfato, la fructosa-6-fosfato y el gliceraldehído-3-fosfato. La fase oxidativa de la ruta de las

pentosas fosfato consta de tres reacciones. En la primera reacción, la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa

(G-6-PD) cataliza la oxidación de la glucosa-6-fosfato. La 6-fosfogluconolactona y el NADPH son los

productos de esta reacción. A continuación la 6-fosfogluconolactona se hidroliza para producir 6-

fosfogluconato. Durante la descarboxilación oxidativa del 6-fosfogluconato, una reacción que produce

ribulosa-5-fosfato, se produce una segunda molécula de NADPH.

Estas reacciones proporcionan una cantidad sustancial del NADPH que se requiere para los procesos

reductores (biosíntesis de lípidos) y los mecanismos antioxidantes. Por esta razón, esta ruta es más

activa en las células en las que se sintetizan cantidades relativamente grandes de lípidos como en el

tejido adiposo, la corteza suprarrenal, la glándula mamaria y el hígado.

El NADPH también es un antioxidante potente. Los antioxidantes son sustancias que impiden la

oxidación de otras moléculas. Así, la fase oxidativa de la vía de las pentosas fosfato también es

bastante activa en las células con riesgo elevado de daño oxidativo, como los eritrocitos. La fase no

oxidativa comienza con la conversión de la ribulosa-5-fosfato en ribosa-5-fosfato por la ribulosa-5-

fosfato isomerasa, o en xilulosa-5-fosfato por la ribulosa-5-fosfato epimerasa. Durante las reacciones

restantes de la ruta, la transcetolasa y la transaldolasa catalizan las interconversiones de triosas,

pentosas y hexosas. La transcetolasa es una enzima que requiere TTP (tiamina pirofosfato) que

transfiere unidades de dos carbonos desde una cetosa a una aldosa. La TTP es la forma coenzimática de

la tiamina o vitamina B1. Dos reacciones están catalizadas por la transcetolasa. En la primera reacción,

la enzima transfiere una unidad de dos carbonos desde la xilulosa-5-fosfato a la ribosa-5-fosfato,

produciendo gliceraldehído-3-fosfato y sedoheptulosa-7-fosfato. En la segunda reacción catalizada por

la transcetolasa, una unidad de dos carbonos de otra molécula de xilulosa-5-fosfato se transfiere a la

eritrosa-4-fosfato para formar una segunda molécula de gliceraldehído-3-fosfato y fructosa-6-fosfato.

La transaldolasa transfiere unidades de tres carbonos desde una cetosa a una aldosa. En la reacción

catalizada por la transaldolasa, se transfiere una unidad de tres carbonos desde la sedoheptulosa-7-

fosfato al gliceraldehído-3-fosfato. Los productos que se forman son fructosa-6-fosfato y eritrosa-4-

fosfato. El resultado de la fase no oxidativa de la ruta es la síntesis de ribosa-5-fosfato y los

intermediarios glucolílicos gliceraldehído-3-fosfato y fructosa-6-fosfato.


203

Figura 5.76. Fase oxidativa de la ruta del fosfogluconato



204

Figura 5.77. Fase no oxidativa de la ruta del fosfogluconato


Cuando no se requieren las pentosas para las reacciones de biosíntesis, los metabolitos de la porción no

oxidativa de la ruta se convierten en intermediarios glucolíticos que pueden degradarse posteriormente

para generar energía o convertirse en moléculas precursoras para los procesos de biosíntesis (Figura

5.78). Por esta razón, la ruta de las pentosas fosfato también se llama derivación de las hexosas

monofosfato (McKee y McKee, 2003).

5.2.6. Fosforilación a nivel de sustrato

En las fosforilaciones a nivel del sustrato se produce el ATP debido a la transferencia de un grupo

fosforilo desde un sustrato con un potencial elevado de transferencia de un grupo fosforilo. Debido a

que se forman dos moléculas de glicerato-1,3-bisfosfato por cada molécula de glucosa, esta reacción

produce dos moléculas de ATP y se recupera la inversión de energía del enlace fosfato. Cualquier


205

síntesis posterior de ATP puede considerarse un rendimiento de esta inversión. Un ejemplo de

fosforilación a nivel del sustrato es la reacción 7 de la glucólisis denominada transferencia del grupo

fosforilo (Figura 5.79).

Figura 5.78. Glucólisis y ciclo de las pentosas fosfato


Figura 5.79. Transferencia del grupo fosforilo


McKee y McKee (2003) muestra en la reacción 5 del ciclo de Krebs, denominada ruptura de la

succinil-CoA que está acoplada a una fosforilación a nivel sustrato, otro ejemplo de fosforilación a

nivel de sustrato. En esta reacción, la ruptura del enlace tioéster de energía elevada de la succinil-CoA


206

para formar succinato, que cataliza la tiosuccinato quinasa, está acoplada en los mamíferos a la

fosforilación a nivel de sustrato del GDP. En otros organismos se fosforila el ADP (Figura 5.80).

Figura 5.80. Reacción 5 del ciclo de Krebs


5.2.7. Balance energético

Los rendimientos energéticos del metabolismo oxidativo, según la ruta, se muestran a continuación,

además, se calcula la cantidad de ATP que pude obtenerse mediante la fosforilación oxidativa a partir

de los transportadores electrónicos reducidos:

Estos tres procesos generan 4 moles de ATP directamente, mas 10 moles de NADH y 2 moles de

FADH2.

Para medir la eficacia de la fosforilación oxidativa, debemos determinar la energía capturada en forma

de ATP como una fracción de la energía total liberada en la oxidación de un sustrato. Esta medida fue

posible cuando se pudo determinar la cantidad de ATP sintetizado por mol de sustrato oxidado en las

mitocondrias aisladas. Lo que se mide normalmente es la relación P/O, que es el número de moléculas

de ATP sintetizadas por par de electrones transportados a través a través del transporte electrónico. La

síntesis de ATP se cuantifica como incorporación de fosfato al ATP, y los pares electrónicos se

cuantifican como captación de oxígeno en µátomos reducidos a agua (un µátomo de O2 son 0.5

µmoles).

Hasta hace poco se aceptaba que la oxidación mitocondrial de NADH se produce con una relación P/O

de 3, por tanto, cualquier sustrato metabolizado a través de la deshidrogenasa mitocondrial ligada al

NAD+ debe producir 3 moles de ATP por mol de NADH oxidado. En la actualidad se sabe que la

mayoría de las medidas de la relación P/O dan valores cercanos a 3 para la oxidación de los sustratos


207

ligados al NAD+ y 2 para el succinato. Por lo anterior, se puede escribir la siguiente ecuación

equilibrada para la oxidación mitocondrial del NADH:

NADH + 4H+

+ 1/2O2 + 3 ADP + 3 Pi ↔ NAD+ + 4H2O + 3 ATP

Aunque las relaciones P/O para la oxidación del NADH y FADH2 pueden no tener valores enteros, se

usan los valores de 3 y 2 respectivamente. En consecuencia, el rendimiento total de ATP que puede

alcanzarse es de unos 38 por mol de glucosa oxidada [(4 + (3X10) + (2X2)]. En los procariotas y en las

células que utilizan la lanzadera malato/aspartato, estos equivalentes reductores se transportan a las

mitocondrias, sin coste energético. Sin embargo, las células que utilizan la lanzadera del

glicerol/fosfato deben pagar un costo energético. Los electrones del NADH citosólico entran en la

cadena respiratoria en forma de FADH2. En consecuencia el rendimiento de ATP a partir de cada uno

de estos dos NADH es de 2 y no 3. Esto reduce el rendimiento global de ATP a 36 por mol de glucosa


En el Cuadro 5.9, Mathews et al., (2005) muestra el balance energético de la oxidación completa de la

glucosa.

Cuadro 5.9. Rendimiento del ATP de la oxidación completa de la glucosa

ATP producido

Glucólisis per se 2

2 NADH de la glucólisis 4 ó 6 (glicerol fosfato o intercambiador

malato-aspartato, respectivamente)

Piruvato deshidrogenasa (2NADH) 6

Isocitrato deshidrogenasa (2NADH) 6

-cetoglutarato deshidrogenasa (2NADH) 6

Succinato tiocinasa (2 GTP ó 2 ATP) 2

Succinato deshidrogenasa (2 FADH2) 4

Malato deshidrogenasa (2NADH) 6

TOTAL: 36 ó 38

Fuente: Mathews et al., (2005)

Murray et al. (2001) en el cuadro Generación del fosfato de alta energía en el catabolismo de la

glucosa muestra que la oxidación de la glucosa, en condiciones aerobias, genera hasta 38 moles de

ATP, pero en ausencia de O2 sólo produce 2 moles.

Laguna y Piña (2002) define a la lanzadera como el sistema que usa la célula hepática de los

mamíferos para convertir al NADH del citosol del hepatocito en NAD+.


208

6. Lípidos. Generalidades y metabolismo

La función de los lípidos en los animales es la de servir de fuente de energía metabólica, de sistemas

de almacenamiento y transporte de energía y de componentes estructurales de las membranas celulares

(Montgomery et al., 1999). Los lípidos es el grupo de biomoléculas estructuralmente más heterogéneo

y Lozano et al. (2000) y McKee y McKee (2003) describen otras funciones como: la función lubricante

y protectora, algunos son vitaminas y pigmentos, reguladores hormonales, emulsionantes digestivos y

reguladores intracelulares del metabolismo.

A causa de su diversidad, el término lípido tiene una definición más operativa que estructural. Los

lípidos se definen como aquellas sustancias orgánicas de los seres vivos que se disuelven en solventes

apolares como el éter, el cloroformo, la acetona y el benceno, y que no lo hacen apreciablemente en el

agua (McKee y McKee, 2003; Murray et al., 2001).

Por su insolubilidad en el agua, los lípidos corporales suelen encontrarse distribuidos en

compartimientos, como es el caso de los lípidos relacionados con la membrana y de las gotitas de

triacilglicerol o triglicérido en los adipocitos, o transportarse en el plasma, enlazados con proteínas,

como las partículas de lipoproteína. Los lípidos ofrecen una barrera hidrófoba (Figura 6.1) que permite

distribuir el contenido acuoso de las células y los elementos subcelulares (Champe et al., 2006). En la

Figura 6.1 se muestran en anaranjado las pociones hidrófobas de las moléculas.

Figura 6.1. Estructuras de algunas clases de lípidos comunes


6.1. Características generales de los lípidos

A diferencia de las proteínas, los ácidos nucleicos y los polisacáridos, los lípidos no son polímeros,

sino que son moléculas bastante pequeñas que presentan una fuerte tendencia a asociarse mediante

fuerzas no covalentes. Generalmente los lípidos se caracterizan por una cabeza hidrófila polar

conectada a una cola hidrocarbonada hidrofóbica apolar (Figura 6.2).

Las moléculas lipídicas en un medio acuoso tienden a agruparse formando una asociación no covalente

mediante un efecto hidrófobo que estimula la entropía en las colas apolares, aunque también se

agrupan por la fuerza de estabilización de la interacción de van der Waals entre las zonas

hidrocarbonadas de las moléculas. Por otro lado, los grupos de cabeza hidrófilos polares de las


209

moléculas lipídicas tienden a asociarse con el agua, por su capacidad anfipática (moléculas que

muestran propiedades hidrófilas e hidrófobas al mismo tiempo). En consecuencia, los lípidos pueden

formar monocapas de superficie, bicapas, micelas y vesículas, por los lípidos en contacto con el agua.

En la monocapa en la superficie del agua los grupos de cabeza están sumergidos. Si la mezcla de las

sustancias anfipáticas (Figura 6.3 y Figura 6.4) con el agua se mezcla enérgicamente, se pueden formar

micelas que es una estructura esférica formada por una única capa de moléculas) (Mathews et al.,

2005).

Figura 6.2. Estructura general de los lípidos


Los lípidos actúan como amortiguadores físicos y aislantes de la temperatura corporal.

Figura 6.3 Moléculas anfipáticas



210

Figura 6.4. Interacciones de las moléculas anfipáticas con el agua



Roskoski (2001) muestra las diversas clases químicas de lípidos en el Cuadro 6.1.

Cuadro 6.1. Clasificación de los lípidos

Lípido Función Ácidos grasos Combustible metabólico. Componente de otra clase de lípidos

Triglicérido Forma principal de almacenamiento de los ácidos grasos y energía

química

Fosfolípidos Componente de membranas. Fuente de ácido araquidónico, inositol

trifosfato y diglicérido para la transducción de señales

Esfingolípidos Componente de membranas

Colesterol Componente de membranas. Precursor de las sales biliares y de las

hormonas esteroideas

Sales biliares Digestión y absorción de lípidos. Producto principal del metabolismo del

colesterol

Hormonas

esteroideas

Señales intercelulares que regulan la expresión genética en las células

blanco

Eicosanoides Reguladores de funciones fisiológicas

Vitaminas Visión. Metabolismo del calcio. Antioxidantes. Coagulación sanguínea

Cuerpos cetónicos Combustible metabólico


Murray et al. (2001) clasifica a los lípidos en simples y complejos. Los lípidos simples son ésteres de

los ácidos grasos con diversos alcoholes y son dos tipos: las grasas (ésteres de ácidos grasos con

glicerol. Una grasa en estado líquido se conoce como aceite) y las ceras (ésteres de ácidos grasos con

alcoholes monohídricos de peso molecular alto). Los lípidos complejos son ésteres de ácidos grasos

que contienen grupos adicionales al alcohol y el ácido graso y son: fosfolípidos (lípidos que contienen

un residuo de ácido fosfórico adicional a los ácidos grasos y el alcohol. Con frecuencia contienen bases

nitrogenadas y otros constituyentes, por ejemplo, en los glicerofosfolípidos el alcohol es un glicerol, y

en los esfingolípidos el alcohol es la esfingosina), glucolípidos o glucoesfingolípidos (lípidos con un


211

ácido graso, esfingosina y carbohidrato) y otros lípidos complejos (como los sulfolípidos, los

aminolípidos y las lipoproteínas). Murray et al. (2001) menciona como tercer grupo de lípidos a los

lípidos precursores y derivados que incluyen ácidos grasos, glicerol, esteroides, alcoholes adicionales al

glicerol y los esteroles, aldehídos grasos y cuerpos cetónicos, hidrocarburos, vitaminas liposolubles y

hormonas.

Los acilgliceroles (glicéridos), colesterol y ésteres del colesterilo se denominan lípidos neutros por no

presentar ninguna carga.

Lozano et al. (2000) realiza la clasificación de la siguiente manera: los lípidos simples los clasifica en

tres, como unidades no esterificadas (ácidos y alcoholes grasos), ésteres (mono, di y triacilglicéridos o

grasas neutras) y derivados de importancia reguladora (prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos).

Los lípidos complejos, los clasifica de manera semejante a Murray et al. (2001) y describe un tercer

grupo denominado lípidos isoprenoides o insaponificables que derivan estructuralmente del isopreno o

2-metil-butadieno y no contienen enlaces éster, incluyen los terpenos y aromas, esteroides, retinoles y

carotenoides, ocoferoles y poliprenilquinonas.

Montgomery et al. (1999) menciona que los cuerpos cetónicos son parte de la clasificación de los

lípidos y su función es de energía metabólica.

6.1.2. Características de los lípidos simples saponificables

El almacenamiento de los ácidos grasos en el organismo se realiza en gran parte en forma de

triacilgliceroles o grasas. Si las grasas se hidrolizan con álcalis como NaOH o KOH (antiguamente se

utilizaba madera de fresno), se obtiene un jabón. Este proceso se denomina saponificación. Los ácidos

grasos se liberan en forma de sales sódicas o potásicas, que están totalmente ionizadas. Sin embargo,

como limpiadores, los jabones tienen el inconveniente de que los ácidos grasos precipitan con los iones

calcio o magnesio presentes en el agua dura, formando espuma y destruyendo la acción emulsificante.

Se han diseñado detergentes sintéticos que no tienen este efecto, un tipo de ellos es el dodecil sulfato

sódico (SDS), cuya fórmula muestra Mathews et al. (2005):

Las sales de dodecil sulfato con los cationes divalentes como CA

2+ y Mg

2+ son más solubles. El SDS

se utiliza mucho para formar micelas alrededor de las proteínas en la electroforesis en gel.

También existen detergentes sintéticos no iónicos, como el Triton X-100, cuya fórmula se muestra en

la Figura 6.5.

Figura 6.5. Fórmula del Tritón X-100



212

El grupo hidrófilo es en este caso el grupo de cabeza de polioxietileno (que se indica en azul, en la

imagen anterior).

Los alcoholes grasos, de forma semejante a los ácidos grasos, definidos por Lozano et al. (2000), son

cadenas hidrocarbonadas de longitud variable que contienen al menos una función alcohol. Según su

abundancia como constituyentes de lípidos se pueden clasificar en dos grupos:

● alcoholes muy ubicuos (están en todas las células): existen dos, el glicerol (llamado también glicerina

o 1,2,3-propanotriol, que es el alcohol básico en la estructura de acilgliceridos y fosfoacilglicéridos) y

la esfingosina (alcohol básico de la estructura de derivados de las ceramidas) (Figura 6.6).

Figura 6.6. Estructura del glicerol y la esfingosina

Fuente: Lozano et al. (2000)

● alcoholes de menor abundancia relativa: incluye a la serie de alcoholes de cadena larga y número par

de carbonos (semejantes en tamaño a los ácidos grasos y que se encuentran normalmente en ceras,

como el alcohol cetílico que es saturado y de 16 carbonos). En segundo lugar, un grupo de alcoholes de

estructura diversa que se encuentran en fosfoacilglicéridos (la mayoría contiene otros grupos

funcionales además de la función alcohol y aparece en otras biomoléculas no lipídicas. Cabe destacar la

colina, la etanolamina, el aminoácido serina y la familia del inositol) (Figura 6.7).

Figura 6.7. Otras estructuras de alcoholes grasos


Los ésteres de los ácidos grasos o acilglicéridos o aceites o grasas neutras, son ésteres del glicerol con

ácidos grasos. Son las principales moléculas de reserva energética, y su poder calorífico, cerca de 8740

cal/g, es muy superior al de carbohidratos y proteínas (sobre 3910 cal/g). Como la glicerina tiene tres

grupos hidroxilo, puede esterificarse con uno, dos o tres ácidos grasos, dando lugar a monoglicéridos


213

(MAG), diacilglicéridos (DAG) y triacilglicéridos (TAG) (Figura 6.8). Las grasas naturales contienen

más del 99% de TAG (Lozano et al., 2000).

Figura 6.8. Molécula de triacilglicerol

Fuente: McKee y McKee, (2003)

Debido a que los triacilgliceroles no tienen carga, ya que el grupo carboxilo de cada ácido graso está

unido al glicerol mediante un enlace covalente, es por lo que se les denomina grasas neutras.

La mayoría de los triacilgliceroles contienen ácidos grasos de diversas longitudes, que pueden ser

insaturados, saturados o una combinación de ambos. Dependiendo de sus composiciones de ácidos

grasos, las mezclas de triacilgliceroles se denominan grasas (sólidos a temperatura ambiente, gran

cantidad de ácidos grasos saturados) o aceites (líquidos a temperatura ambiente, gran cantidad de

ácidos grasos insaturados) (McKee y McKee, 2003).

Los TAG sintéticos pueden formarse por esterificación (Figura 6.9) del glicerol con un solo ácido

graso, dando un éster que se denomina con el prefijo tri- seguido de un nombre que hace referencia al

ácido graso que contiene, mas el sufijo –ina ( como la tributirina, trioleína…). Las grasas naturales son

mezclas de TAG en los que las tres posiciones del glicerol están esterificadas por ácidos grasos

diferentes, y se nombran especificando los radicales acilo correspondientes a cada ácido graso y sus

posiciones (Figura 6.10). Los TAG naturales suelen tener la posición 2 esterificada por un ácido graso

insaturado, y son de tipo L debido a que muestran quiralidad con el carbono central (Lozano et al.,

2000).

Figura 6.9. Esterificación


Por su naturaleza heterogénea, los TAG naturales no tienen un punto de fusión definido, aunque es

tanto menor cuanto mayor es su contenido en ácidos grasos insaturados. El grado de insaturación de los

TAG puede determinarse mediante algunos ensayos químicos como el del índice de yodo. Las oleínas

son líquidas a temperatura ambiente y abundantes en los aceites, mientras que las margarinas o


214

palmitinas son sólidas y abundan en las grasas sólidas. Las plantas y los animales de sangre fría tienen

TAG más ricos en ácidos grasos insaturados que los animales de sangre caliente, con el fin de

comunicar cierta fluidez a sus tejidos.

Figura 6.10. Estructura del 1-estearoil-2-oleoil-3-palmitoil-glicerol


Los TAG pueden hidrolizarse, por lipasas o álcalis, como ya se mencionó anteriormente, mediante la

saponificación (Figura 6.11) que es contraria a la esterificación (Lozano et al., 2000).

Figura 6.11. Proceso de saponificación


6.1.2.1 Grasas (triglicéridos y ácidos grasos saturados e insaturados)

Los ácidos grasos son ácidos monocarboxílicos que contienen típicamente cadenas hidrocarbonadas de

longitudes variables (entre 12 y 20 carbonos). Los ácidos grasos son componentes importantes de

varias clases de moléculas lipídicas. Se encuentran principalmente en los triacilgliceroles y varias

clases de moléculas lipídicas unidas a la membranas (McKee y McKee, 2003).

La mayor parte de los ácidos grasos naturales posee un número par de átomos de carbono que forman

una cadena sin ramificar, aunque en algunas especies se encuentran ácidos grasos poco habituales con

cadenas ramificadas o con anillos. Las cadenas de los ácidos grasos que sólo contienen enlaces

sencillos carbono-carbono se denominan saturadas, mientras que las cadenas que contienen uno o

varios dobles enlaces se denominan insaturadas. Dado que los dobles enlaces son estructuras rígidas,

las moléculas que los contienen pueden presentarse en dos formas isoméricas: cis y trans. En los

isómeros cis, los grupos semejantes o idénticos se encuentran en el mismo lado de un doble enlace.

Cuando estos grupos se encuentran en lados opuestos de un doble enlace, se dice que la molécula es un

isómero trans (Figura 6.12) (McKee y McKee, 2003; Mathews et al., 2005).


215

Figura 6.12. Isomería cis y trans

Fuente: Montgomery et al. (1999)

En la mayoría de los ácidos grasos naturales, los dobles enlaces se encuentran en configuración cis. La

presencia de un doble enlace cis produce un retorcimiento inflexible en una cadena de ácido graso.

Debido a esta característica estructural, los ácidos grasos insaturados no se colocan tan juntos como los

ácidos grasos saturados. Se requiere menos energía para romper las fuerzas intermoleculares entre los

ácidos grasos insaturados. Por lo tanto, poseen menores puntos de fusión y a temperatura ambiente son

líquidos. Por ejemplo, el ácido palmítico (16:0), que es un ácido graso saturado, funde a 63ºC, mientras

que el ácido palmitoleico (16:1Δ9

) funde a 0ºC (en la abreviaturas de los ácidos grasos, el número a la

izquierda de los dos puntos es el número de átomos de carbono totales, y el número a la derecha indica

el número de dobles enlaces; un superíndice indica la colocación del doble enlace, Δ9 indica que hay

ocho carbonos entre el grupo carboxilo y el doble enlace, es decir, el doble enlace se encuentra entre

los carbonos 9 y 10) (Cuadro 6.2). Los ácidos grasos con dobles enlaces trans tienen estructuras

tridimensionales semejantes a las de los ácidos grasos insaturados. La presencia de dobles enlaces en

un ácido graso lo hace susceptible al ataque oxidativo, por lo que los aceites tienden a enranciarse

(Figura 6.13) (McKee y McKee, 2003).

Cuadro 6.2. Ejemplos de ácidos grasos de importancia biológica


Nombre común Nombre sistemático Abreviatura Estructura Punto de

fusión

(ºC)

Ácidos grasos saturados

Cáprico n-Decanoico 10:0 CH3(CH2)8COOH 31.6

Láurico n-Dodecanoico 12:0 CH3(CH2)10COOH 44.2

Mirístico n -Tetradecanoico 14:0 CH3(CH2)12COOH 53.9

Palmítico n -Hexadecanoico 16:0 CH3(CH2)14COOH 63.1

Esteárico n -Octadecanoico 18:0 CH3(CH2)16COOH 69.6

Araquídico n -Eicosanoico 20:0 CH3(CH2)18COOH 76.5

Behénico n -Docosanoico 22:0 CH3(CH2)20COOH 81.5

Ácidos grasos insaturados

Palmitoleico cis-9-Hexadecenoico 16:1cΔ9 CH3(CH2)5CH= CH(CH2)7COOH 0

Oleico cis-9-Octadecenoico 18:1cΔ9 CH3(CH2)7CH= CH(CH2)7COOH 16

Linoleico cis,cis-9,12-

Octadecatrienoico

18:2cΔ9,12 CH3(CH2)4CH= CHCH2CH= CH(CH2)7COOH 5

Linolénico all-cis-9,12,15-

Octadecatrienoico

18:3cΔ9,12,15 CH3CH2CH= CHCH2CH= CHCH2CH=

CH(CH2)7COOH

-11

Araquidónico all-cis-5,8,11,14-

Eicosatetraenoico

20:4cΔ CH3(CH2)4CH= CHCH2CH= CHCH2CH=

CHCH2CH= CH(CH2)3COOH

-50

Ácidos ramificados y cíclicos

Tuberculoesteárico I-D-10-

Metiloctadecanoico

CH3

CH3(CH2)7CH(CH2)8COOH

CH2

13.2

Lactobacílico ω-(2-n-Octilciclopropil)-

octadecanoico

CH3(CH2)5CH-CH(CH2)9COOH 29


216

Figura 6.13. Modelos de relleno espacial y conformacionales


Los ácidos grasos con un doble enlace se denominan moléculas monoinsaturadas. Cuando hay dos o

más dobles enlaces en los ácidos grasos, normalmente separados por grupos metileno (-CH2-), se

denominan poliinsaturados. El ácido graso ácido oleico (omega 9) y el ácido linoleico se encuentran

entre los ácidos grasos más abundantes en los seres vivos.

Los ácidos grasos n-6 son poliinsaturados de cadena larga, con el primer enlace doble a partir del sexto

átomo de carbono (cuando se cuenta desde el extremo metilo de la molécula de ácido graso) y también

se denominan ácidos grasos omega 6, ejemplos son el ácido linoleico que disminuye el colesterol

plasmático cuando sustituye a las grasas saturadas y también protege contra cardiopatía coronaria.

Los ácidos grasos n-3 u omega 3, son poliinsaturados y de cadena larga, con el primer enlace doble a

partir del tercer átomo de carbono (cuando se cuenta desde el extremo metilo de la molécula de ácido

graso). Dichos lípidos suprimen arritmias cardiacas, disminuye los triacilgliceroles séricos y reducen la

tendencia de trombosis. Las grasas poliinsaturadas n-3 se encuentran en las plantas (sobretodo el ácido

linolénico alfa) y en el aceite de pescado que tiene ácido docosahexanoico y ácido eicosapentaenoico

(Champe et al., 2006).

Los organismos como los vegetales y las bacterias pueden sintetizar todos los ácidos grasos que

requieren a partir de acetil-CoA. Los mamíferos obtienen la mayoría de sus ácidos grasos de la

alimentación. Sin embargo, estos organismos pueden sintetizar los ácidos grasos saturados y algunos

insaturados, también pueden modificar algunos ácidos grasos de la alimentación añadiendo unidades de

dos carbonos e introduciendo algunos dobles enlaces.

Los ácidos grasos poseen varias propiedades químicas importantes. Las reacciones que experimentan

son típicas de los ácidos carboxílicos de cadena corta. Por ejemplo, los ácidos grasos reaccionan con

los alcoholes para formar ésteres.

La reacción de la Figura 6.14 es reversible. Los ácidos grasos insaturados con dobles enlaces pueden

experimentar reacciones de hidrogenación para formar ácidos grasos saturados, como ocurre dentro del

rumen, reacciones realizadas por la microflora ruminal en un proceso denominado biohidrogenación

ruminal.


217

Figura 6.14. Formación de ésteres a partir de ácidos grasos


Determinados ácidos grasos como el mirístico y palmítico están unidos covalentemente a una gran

variedad de proteínas eucariotas denominadas aciladas. Los grupos ácido graso (denominados grupos

acilo) facilitan de forma clara las interacciones entre las proteínas de la membrana y sus entornos

hidrófobos. Los ácidos grasos se transportan desde las células grasas a las células del cuerpo

esterificadas con proteínas del suero y entran en las células mediante reacciones de transferencia de

acilo (McKee y McKee, 2003).

Los ácidos grasos son ácidos débiles, con valores de pKa que son, en promedio, de alrededor de 4.5

(Mathews et al., 2005):

Estos ácidos grasos se encuentran a pH fisiológico en forma aniónica (RCOO

-) y, en estas

condiciones, sería más correcto hablar de estearato y olearato, en vez de ácido esteárico u oleico. La

carga del grupo carboxilo hace que éste sea extremadamente hidrófilo, mientras que las colas

hidrocarbonadas largas son muy hidrófobas (Mathews et al., 2005).

Montgomery et al. (1999) describe que los ésteres de glicerol de los ácidos grasos, los acilgliceroles,

se denominan habitualmente glicéridos por los científicos de la salud. La porción de ácido graso de los

ésteres de lípidos se conoce como grupo acilo. Existen tres tipos generales de glicéridos:

monoglicéridos, diglicéridos y triglicéridos que también son denominados monoacilgliceroles,

diacilgliceroles y triacilgliceroles, respectivamente (Figura 6.15). Los términos se usan indistintamente,

por ejemplo, triacilglicerol se emplea en mayor medida en el ámbito químico y bioquímico, mientras

que triglicérido predomina en las ciencias de la salud. Los TAG ya fueron descritos en el tema

“Características de los lípidos simples saponificables”, por lo que no se van a describir en esta unidad,

mas que comentar que los triglicéridos son los acilgliceroles más comunes, dado que son las formas de

almacenamiento principal y de transporte de los ácidos grasos.

Figura 6.15. Acilgliceroles

Fuente: Montgomery et al. 1999)


218

6.1.2.2 Ceras

Definidas por Murray et al. (2001) como ésteres de ácidos grasos con alcoholes monohídricos de peso

molecular alto, las ceras forman parte del grupo de los lípidos simples. Las ceras son mezclas

complejas de lípidos apolares y son cubiertas protectoras de las hojas, los tallos y las frutas de los

vegetales y la piel de los animales.

Los ésteres formados por ácidos grasos de cadenas larga y alcoholes de cadena larga son

constituyentes destacados de la mayoría de las ceras. Entre los ejemplos bien conocidos se encuentran

la cera de carnauba, producida por las hojas de la palma de cera brasileña, y la cera de abeja. El

constituyente predominante de la cera de carnauba es el éster de cera melisil cerotato (Figura 6.16). El

triacontil hexadecanoato es uno de los ésteres de cera importantes de la cera de abeja. Las ceras

contienen también hidrocarburos, alcoholes, ácidos grasos, aldehídos y esteroles (alcoholes esteroides)


Figura 6.16. Éster de cera melisil cerotato

Fuente: (McKee y McKee, 2003)

Debido a que en las ceras naturales, un ácido graso de cadena larga se esterifica con un alcohol de

cadena larga para dar un grupo de cabeza que tan sólo es débilmente hidrófilo unido a dos cadenas

hidrocarbonadas, las ceras son completamente insolubles en agua. Al igual que con los triglicéridos, la

dureza de las ceras viene dada por al longitud de la cadena y su grado de saturación (Figura 6.17)


Figura 6.17. Estructura de una cera característica



219

6.1.3. Ácidos grasos esenciales

La formación de dobles enlaces en la cadena de los ácidos grasos ocurre tanto en plantas como en

animales, aunque en éstos últimos se realiza con mayores limitaciones. El proceso está catalizado por

sistemas enzimáticos denominados desaturasas, las cuales funcionan como oxidasas y utilizan NADH

(o NADPH), citocromo b5 y oxígeno molecular, actuando sobre los derivados acil-CoA del

correspondiente ácido graso (Figura 6.18).

Figura 6.18. Sistema enzimático desaturasas

Fuente: Herrera (1986)

Los animales disponemos de desaturasas capaces de introducir un doble enlace en las posiciones 5 y 6

(Δ5 y Δ

6), además de la 9 (Δ

9), de los ácidos grasos saturados, contando a partir del terminal

carboxílico. Sin embargo, no podemos introducir dobles enlaces en posiciones posteriores al carbono 9,

cosa que sí realizan las plantas, que cuentan con desaturasas para Δ12

y Δ15

, además de Δ9. En todos los

casos, conviene resaltar que los dobles enlaces de los ácidos grasos naturales presentes en mamíferos

poseen siempre la configuración cis.

La especificidad de acción catalítica de la desaturasa nos obliga a determinados condicionamientos

dietéticos. Así, el ácido palmítico es el sustrato más corto sobre el que actúa la Δ9

desaturasa de origen

animal, dando lugar a la formación de ácido palmitoleico (Δ9), cuya fórmula se muestra a continuación:

CH3-(CH2)5-CH=CH-(CH2)7-COOH

Esto supone que hay siete átomos de carbono detrás del doble enlace. Nosotros podemos elongar el

ácido palmitoleico introduciendo átomos de carbono en el terminal carboxílico, pero aunque esta

elongación se combine con la desaturación, siempre tendremos siete carbonos detrás del último doble

enlace. Ello implica que cualquier ácido graso de nuestro organismo que tenga menos de siete átomos

de carbono por detrás del último doble enlace ha de proceder de la dieta de origen vegetal (Herrera,

1986).

Los ácidos grasos que se pueden sintetizar se denominan ácidos grasos no esenciales. Debido a que los

mamíferos no poseen las enzimas que se requieren para sintetizar los ácidos linoleico y linolénico,

estos ácidos grasos esenciales deben obtenerse del alimento (McKee y McKee, 2003).

Las fuentes más abundantes de los ácidos grasos esenciales, que tienen varias funciones fisiológicas

fundamentales, son algunos aceites vegetales, las nueces y las semillas. Además de contribuir a la


220

estructura adecuada de la membrana, los ácidos linoleico y linolénico son precursores de varios

metabolitos importantes. Los ejemplos más estudiados de derivados de los ácidos grasos son los

eicosanoides. La dermatitis (piel escamosa) es un síntoma precoz en las personas con una alimentación

con pocas grasas, y por lo tanto con carencias de ácidos grasos esenciales. Otros signos de esta

deficiencia son una mala cicatrización de las heridas, una disminución de la resistencia a las

infecciones, alopecia (pérdida de pelo) y trombocitopenia (reducción del número de plaquetas que

participan en la coagulación sanguínea) (McKee y McKee, 2003; Montgomery et al., 1999).

6.1.4. Constantes analíticas de las grasas

Es posible conocer algo de la naturaleza de los ácidos grasos en las grasas de distinta procedencia

mediante el índice de acidez que nos indica la cantidad de ácido graso libre que existe en una grasa. En

el caso de grasas expuestas al enranciamiento bacteriano, mide el grado de enranciamiento hidrolítico.

El índice de saponificación proporciona información sobre la longitud promedio de las cadenas de

ácidos grasos en las grasas, y el índice de yodo mide el grado de insaturación de los ácidos grasos en

una muestra de grasa.

El índice de acidez de una grasa es el número de miligramos de KOH que se requieren para neutralizar

los ácidos grasos libres en un gramo de grasa.

El índice de saponificación de una grasa es el número de miligramos de KOH que se requiere para

saponificar un gramo de grasa. Cuánto más elevado es el índice, más corta es la longitud promedio de

las cadenas de ácidos grasos (Mertz, 1985). El índice de saponificación proporciona el peso molecular

medio de los ácidos grasos. Un índice de saponificación elevado señala la existencia de una gran

proporción de ácidos grasos de peso molecular bajo, puesto que para un peso determinado de ácidos

grasos, los más sencillos consumen más KOH que los superiores (Thorpe, 1984; Toporek, 1984)

Las grasas que contienen, como todas las grasas naturales, cierta proporción de ácidos grasos no

saturados, se comportan como sustancias no saturadas y adicionan fácilmente elementos químicos

(Thorpe, 1984). Los halógenos pueden unirse a los dobles enlaces. Por lo tanto, la cantidad de yodo que

reacciona con un lípido constituye un índice de la riqueza en dobles enlaces de esta sustancia (Toporek,

1984).

El Cuadro 6.3 muestra los índices de yodo y saponificación de algunas grasas.

Cuadro 6.3. Índice de yodo y saponificación de algunas grasas

Grasas Índice de

yodo

Índice de

saponificación Aceite de coco 9 246-260

Mantequilla 25-50 220-233

Sebo o grasa de vaca 36-48 192-200

Manteca o grasa de cerdo 50-70 195-197

Grasa humana 57-66 193-199

Aceite de oliva 78-90 185-195

Aceite de algodón 106-112 192-196

Aceite de hígado de bacalao 144-168 175-193

Aceite de linaza 192-195 190-195

Fuente: Thorpe (1984)


221

En condiciones adecuadas, puede lograrse que una grasa fije yodo cuantitativamente en cada doble

enlace (Figura 6.19).

Figura 6.19. Reacción que tiene lugar en el cálculo del índice de yodo


El número de gramos de yodo fijados de esta forma por 100 gr de una grasa expresa su índice de yodo

o número de yodo, que permite conocer de modo fácil el grado de insaturación de la grasa y, por lo

tanto, su reactividad (Thorpe, 1984).

En la cual el I2 que es de color violeta (o rosa en disoluciones diluidas), al reaccionar con el doble

enlace, pierde dicha coloración, pasando a ser incoloro. Si se conoce la concentración de yodo en la

disolución, así como los volúmenes de ácido graso utilizado y de yodo añadido, se puede determinar

cuantitativamente el número de dobles enlaces en el ácido graso. El propio yodo nos indicará cuando

todos los dobles enlaces han reaccionado, ya que, en una gota, el yodo mantendrá su coloración violeta,

lo que significará que ya no ha reaccionado (Garrido, 1991).

6.1.5. Características de los lípidos compuestos saponificables (glucolípidos,

fosfolípidos, esfingolípidos, etc.)

Se ha clasificado a los lípidos de diferentes maneras. La clasificación más satisfactoria es la que se

basa en las estructuras de sus esqueletos. Los lípidos complejos comprenden a los glucolípidos, los

fosfoglicéridos, los esfingolípidos, sulfolípidos, los aminolípidos y las lipoproteínas (Lehninger, 1983;

Murray et al., 2001).

Champe et al. (2006) define a los glucolípidos como moléculas que contienen componentes

carbohidratos y lípidos, casi todos son derivados de ceramidas en las que se encuentra un ácido graso

de cadena larga unido al aminoalcohol esfingosina, por lo que este autor, menciona que se denominan

de manera más precisa glucoesfingolípidos. Las ceramidas son los precursores de los esfingolípidos

tanto fosforilados como glucosilados (Figura 6.20).

Figura 6.20. Componentes de los esfingolípidos



222

En los glucolípidos se encuentran unidos a la ceramida un monosacárido, disacárido u oligosacárido

mediante un enlace glucosídico. Los glucolípidos no contienen fosfato.

Los glicolípidos (Figura 6.21) tienen la unidad ceramida unida por un enlace glucosídico de

configuración β

Son muy abundantes en las membranas del sistema nervioso central máxime en la sustancia blanca. De

acuerdo con la naturaleza del carbohidrato, Lozano et al. (2000) y McKee y McKee (2003) los

clasifican en:

Figura 6.21. Ejemplos de glucolípidos


• Cerebrósidos: esfingolípidos que contienen sólo un monosacárido, generalmente D-galactosa, que no

son iónicas a diferencia de los fosfolípidos. Un ejemplo son los galactocerebrósidos.

• Sulfátidos o sulfolípidos: son glicolípidos en los que el carbohidrato contiene a su vez ésteres sulfato.

Si se sulfata un cerebrósido, se denomina sulfátido. El más abundante es el cerebrósido con D-

galactosa esterificada en el hidroxilo de C3. Los sulfátidos a pH fisiológico están cargados

negativamente.

• Globósidos: contienen un oligosacárido relativamente simple. El más abundante contiene lactosa.

• Gangliósidos: esfingolípidos que contienen un oligosacárido complejo y ramificado, con enlaces

glucosídicos diversos, y siempre existen una o varias unidades de un azúcar ácido, el ácido N-

acetilneuramínico.

Los glucoesfingolípidos son componentes esenciales de todas las membranas del organismo y al igual

que lo menciona Lozano et al. (2000), se encuentran en su mayor representación en el tejido nervioso.


223

Están localizados en la hojuela externa de la membrana plasmática, sitio en el que entran en interacción

con el ambiente extracelular. Como tales, desempeñan una función en las interacciones, el crecimiento

y desarrollo celulares. Los glucoesfingolípidos son antigénicos y se han identificado como el origen de

los antígenos de grupo sanguíneo, diversos antígenos embrionarios específicos de etapas particulares

del desarrollo fetal y ciertos antígenos tumorales. La porción carbohidrato de un glucolípido es su

determinante antigénico. También funcionan como receptores de la superficie celular para toxinas de

cólera y tétanos, así como de ciertos virus y bacterias.

Los fosfolípidos (Figura 6.22) son compuestos iónicos polares compuestos por un alcohol que se

encuentra unido por un puente fosfodiestérico a diacilglicerol o a esfingosina. Al igual que los ácidos

grasos, los fosfolípidos son de naturaleza anfipática. Los fosfolípidos son los lípidos predominantes en

las membranas celulares. En ellas la porción hidrófoba de una molécula de fosfolípido está relacionada

con las porciones apolares de otros constituyentes de la membrana como glicolípidos, proteínas y

colesterol. La cabeza hidrófila (polar) del fosfolípido se extiende hacia el exterior, mirando hacia el

ambiente acuoso intracelular o extracelular. Los fosfolípidos de la membrana también funcionan como

reservorios para los mensajeros intracelulares, y en el caso de algunas proteínas, como fijadores o

anclas de éstas a la membrana celular. Los fosfolípidos que no se relacionan con la membrana tienen

funciones adicionales en el organismo como componentes del agente tensoactivo pulmonar e

ingrediente esencial de la bilis, en la que sus propiedades detergentes ayudan a la solubilización del

colesterol (Champe et al., 2006).

Figura 6.22. Estructura de algunos fosfolípidos


Son dos las clases de fosfolípidos: los que tienen glicerol como espinazo o esqueleto básico y los que

contienen esfingosina. Ambas clases se encuentran como componentes estructurales de las membranas

y desempeñan una función en la generación de moléculas de señalamiento de lípidos y según Champe

et al. (2006) son:

► Glicerofosfolípidos o fosfoglicéridos: son fosfolípidos que contienen glicerol y constituyen la clase

mayor de fosfolípidos. Todos contienen ácido fosfatídico (Figura 6.23) (diacilglicerol con un grupo

fosfato en el tercer carbono) o se derivan de éste. El ácido fosfatídico es el fosfoglicérido más simple y

el precursor de los demás miembros de este grupo.

Los fosfoglicéridos están formados por ácido fosfatídico y un alcohol: el grupo fosfato situado sobre el

ácido fosfatídico (PA) se puede esterificar con otro compuesto que contiene un grupo alcohol (Cuadro

6.4).


224

Figura 6.23. Ácido fosfatídico


Cuadro 6.4. Esterificación del ácido fosfatídico

Serina + PA → Fosfatidilserina

Etanolamina + PA → Fosfatidiletanolamina (cefalina)

Colina + PA → Fosfatidilcolina (lecitina)

Inositol + PA → Fosfatidilinositol

Glicerol + PA → Fosfatidilglicerol


► Esfingolípidos (esfingomielina): el espinazo de la esfingomielina es el aminoalcohol esfingosina, en

lugar del glicerol. Tiene un ácido graso de cadena larga unido al grupo amino de la esfingosina por

medio de un enlace amídico lo que genera en la producción de una ceramida que puede funcionar como

precursora de los glucolípidos. El grupo alcohol del carbono 1 de la esfingosina se esterifica hasta

fosforilcolina, con producción de esfingomielina, el único esfingofosfolípido de importancia en el ser

humano. La esfingomielina es un constituyente importante de la mielina de las fibras nerviosas

(Champe et al., 2006; Laguna y Piña, 2002).

Laguna y Piña (2002) mencionan que existen tres subclases de esfingolípidos, todos derivados de la

molécula de ceramida, pero difieren en sus cabezas: esfingomielinas, glicolípidos neutros o no

cargados y gangliósidos.

En la Figura 6.24 se muestra la esfingosina que es un compuesto de C18 con grupos hidroxilo en C1 y

C3, un grupo amino en C

2, y un enlace doble trans en C

4 (Roskoski, 2001).

Algunos lípidos se asocian con proteínas específicas para formar sistemas de lipoproteína donde las

propiedades físicas específicas de estas dos clases de biomoléculas están fusionadas. Existen dos tipos

principales: las lipoproteínas de transporte y los sistemas de membrana. En estos sistemas los lípidos y

las proteínas no están unidos covalentemente, pero se mantienen juntos debido, en gran parte, a las

acciones hidrofóbicas entre las porciones no polares de los componentes lipídico y proteico (Lehninger,

1983).

6.1.6. Características de los lípidos no saponificables

(terpenos, esteroides, prostaglandinas)

Los isoprenoides son un gran grupo de biomoléculas que contienen unidades estructurales de cinco

carbonos que se repiten y que se denominan unidades isopreno (Figura 6.25). Los isoprenoides no se

sintetizan a partir del isopreno (metilbutadieno), sino que todas sus rutas de biosíntesis comienzan con

la formación de isopentenil pirofosfato a partir de acetil-CoA.


225

Figura 6.24. Esfingosina y esfingolípidos representativos


Figura 6.25. Isopreno


Los isoprenoides constituyen a los terpenos y esteroides. Los terpenos son un grupo enorme de

moléculas que se encuentran en gran medida en los aceites esenciales de las plantas (Cuadro 6.5). Los

aceites esenciales son extractos de plantas que se han utilizado durante miles e años en perfumes y

medicinas. Los esteroides son derivados del sistema del anillo del colesterol.

Terpenos: Los terpenos se clasifican de acuerdo con el número de residuos de isopreno que contienen.

Los monoterpenos están formados por dos unidades isopreno (10 átomos de carbono). Los

carotenoides, pigmentos naranja que se encuentran en la mayoría de las plantas, son los únicos

tetraterpenos (moléculas formadas por ocho unidades isopreno).

Varias biomoléculas importantes están formadas por componentes no terpénicos unidos a grupos

isoprenoides (a menudo denominados grupos prenilo o isoprenilo). Entre estas moléculas, que se

denominan terpenoides mixtos, se encuentran la vitamina E (α-tocoferol), la ubiquinona, la vitamina K

y algunas citoquininas (hormonas vegetales) (Figura 6.26) (McKee y McKee, 2003).


226

Los terpenos se encuentran en las membranas hidrófobas del retículo endoplásmico y el aparato de

Golgi de todas las células, fosfatados en un extremo, y sirven de transportadores de glucoproteínas

inmaduras durante la glicosilación de éstas (Lozano et al., 2000).

Cuadro 6.5. Ejemplos de terpenos


Figura 6.26. Terpenoides mixtos


Esteroides: son derivados complejos de los triterpenos. Se encuentran en todos los eucariotas y en un

pequeño número de bacterias. Cada tipo de esteroide está formado por cuatro anillos fusionados

llamado ciclo perhidropentanofenantreno (Figura 6.27). Los esteroides se diferencian entre ellos por la


227

posición de los dobles enlaces carbono-carbono y diversos sustituyentes como grupos hidroxilo,

carbonilo y alquilo.

El colesterol es un ejemplo de esteroide. Además de ser un componente esencial de las membranas de

las células animales, el colesterol es precursor de la biosíntesis de todas las hormonas esteroideas, la

vitamina D y las sales biliares (Figura 6.27). El colesterol posee dos sustituyentes metilo esenciales,

que están unidos al C-13 y C-10, respectivamente, y un doble enlace Δ5. Una cadena lateral

hidrocarbonada ramificada está unida a C-17. Debido a que esta molécula tiene un grupo hidroxilo

(unido a C-3), se clasifica como esterol. Aunque el término esteroide es más adecuado para designar a

las moléculas que contienen uno o varios grupos carbonilo o carboxilo, suele utilizarse para describir

todos los derivados con la estructura de anillo esteroide. El colesterol normalmente se almacena dentro

de las células en forma de éster de ácido graso. La reacción de esterificación está catalizada por la

enzima acil-CoA: colesterol aciltransferasa (ACAT), que se encuentra en la cara citoplásmica del

retículo endoplásmico.

Todas las moléculas esteroideas de los vegetales son esteroles. Los esteroles desempeñan un papel

importante en la estructura y función de la membrana. Determinados derivados de los esteroles, como

los glúcidos cardíacos, protegen a las plantas que los producen de los depredadores. La mayoría de los

esteroles vegetales poseen un sustituyente de uno o dos carbonos unido a C-24. Los esteroles más

abundantes de las algas verdes y de los vegetales superiores son el β-sitosterol y el estigmasterol


Prostaglandinas: las prostaglandinas (PG) y los compuestos relacionados tromboxanos (TX) y

leucotrienos (LT) se conocen de manera colectiva como eicosanoides, para reflejar su origen en los

ácidos grasos poliinsaturados de 20 carbonos. Son compuestos muy potentes que desencadenan gran

variedad de reacciones fisiológicas y patológicas. Aunque su acción se ha comparado con la de las

hormonas, los eicosanoides difieren de las verdaderas hormonas en que se producen en cantidades muy

pequeñas en casi todos los tejidos y no en glándulas especializadas; además, actúan de manera local y

no después de su transporte en la sangre hasta sitios distantes. Los eicosanoides no se almacenan y

tienen una vida muy breve ya que se metabolizan con rapidez hasta productos inactivos en su sitio de

síntesis. Sus acciones biológicas son mediadas por receptores de las membranas plasmática y nuclear,

que son distintos en los diferentes sistemas orgánicos.

El precursor de las prostaglandinas contenido en la dieta es el ácido graso esencial llamado ácido

linoleico. Se alarga y desatura hasta ácido araquidónico, precursor inmediato de la clase predominante

de prostaglandinas (las que tienen dobles enlaces) en humanos (Champe et al., 2006).

Las prostaglandinas, al igual que otros eicosanoides, son mediadores endógenos que se forman como

consecuencia de la oxigenación de ciertos ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga, como el ácido

araquidónico (Botana et al., 2002).

Las prostaglandinas se norman como sigue: PG mas una tercera letra (ejemplo, A, D, E o F), la cual se

refiere al tipo de estructura o grupos funcionales de la molécula. El número de subínidice indica el

número de enlaces dobles de la molécula (Figura 6.28) (Champe et al., 2006).


228

Figura 6.27. Esteroides de los animales

Fuente: Lehninger (1983); McKee y McKee (2003); Mathews et al. (2005)


229

Figura 6.28. Estructuras de las prostaglandinas


6.2. Metabolismo de lípidos

Los ácidos grasos almacenados en el tejido adiposo en forma de triacilglicéridos (TAG) neutros sirven

como las reservas de combustible mayores del cuerpo. Los TAG constituyen las reservas concentradas

de energía metabólica porque están altamente reducidos, y en su mayor parte, son anhidros. El

rendimiento de la oxidación completa de los ácidos grasos hasta CO2 y H2O es de 9 kcal/g de grasa, en

comparación con 4 kcal/g de proteínas o carbohidratos (Figura 6.29) (Champe et al., 2006).

Figura 6.29. Energía disponible de los principales componentes de los alimentos



230

Cuando descienden las reservas energéticas, los almacenes de grasa del cuerpo se movilizan por un

proceso que se denomina lipólisis. La lipólisis tiene lugar durante el ayuno, durante el ejercicio

vigoroso y como respuesta a la agresión. Varias hormonas como el glucagón y la adrenalina se unen a

receptores específicos de la membrana plasmática de los adipocitos y comienza una secuencia de

reacciones semejantes a la activación de la glucógeno fosforilasa. La unión de la hormona al receptor

eleva la concentración citosólica de cAMP, el cual a su vez activa la triacilglicerol lipasa sensible a las

hormonas que incrementa la velocidad de hidrólisis de los triacilgliceroles (McKee y McKee, 2003).

La movilización de la grasa almacenada requiere descarga hidrolílica de ácidos grasos y glicerol a

partir de su forma previa, TAG (Figura 6.30 y 6.31). Inicia este proceso la lipasa sensible a hormonas,

que retira un ácido graso del carbono 1 del TAG, uno del carbono 3 de éste o ambas cosas. Retiran los

ácidos grasos restantes lipasas adicionales específicas para el diacilglicerol o monoacilglicerol


Figura 6.30. Reacción de la liberación de los ácidos grasos y glicerol


Figura 6.31. Representación esquemática de la lipólisis



231

Ambos productos de la lipólisis (ácidos grasos y glicerol), así como los provenientes de la dieta

digeridos y absorbidos en el intestino delgado, se liberan a la sangre. El glicerol se transporta al hígado

donde puede utilizarse para la síntesis de lípidos o de glucosa.

Tras su transporte a través de la membrana plasmática del adipocito, los ácidos grasos se unen a la

albúmina sérica que es una proteína abundante que transporta numerosas sustancias en la sangre. Los

ácidos grasos unidos a la albúmina se transportan a todos los tejidos del cuerpo, donde se oxidan para

generar energía. Los ácidos grasos se introducen a las células por una proteína de la membrana

plasmática, dicho proceso está ligado al transporte activo del sodio. Las células se diferencian mucho

en su capacidad para transportar y utilizar los ácidos grasos, por ejemplo, algunas células como las del

cerebro y eritrocitos no pueden utilizar como combustible los ácidos grasos, aunque otras como las del

músculo cardiaco dependen de ellos para obtener una proporción importante de la energía que

necesitan. Una vez que entran a la célula, los ácidos grasos se transportan a las mitocondrias, el retículo

endoplásmico y otros orgánulos mediante varias proteínas de unión a ácidos grasos (proteínas solubles

en agua que unen y transportan ácidos grasos hidrófobos).

La mayoría de los ácidos grasos (endógenos y exógenos) se degradan para formar acetil-CoA dentro de

las mitocondrias en un proceso denominado β-oxidación que también se lleva a cabo en los

peroxisomas, aunque también existen otros mecanismos oxidativos para degradar determinados ácidos

grasos no estándar.

Los ácidos grasos se sintetizan cuando un organismo tiene cubiertas sus necesidades energéticas y las

concentraciones de nutrientes son elevadas. La glucosa y varios aminoácidos son sustartos de la síntesis

de los ácidos grasos. Los ácidos grasos se sintetizan a partir de la acetil-CoA en un proceso que es

semejante a la inversa de la β -oxidación, conocido como β -reducción (McKee y McKee, 2003).

6.2.1. β-oxidación (catabolismo)

En presencia de O2, los ácidos grasos se catabolizan a CO2 y H2O y aproximadamente el 40% de la

energía libre generada en este proceso se almacena como adenosina trifosfato (ATP). El resto de la

energía se libera en forma de calor. Esto se produce en el interior de la mitocondria mediante un

proceso enzimático conocido como β-oxidación (Montgomery et al., 1999).

McKee y McKee (2003) explican que se denomina β-oxidación porque se oxida el carbono β de los

ácidos grasos, que es el que se encuentra separado dos carbonos del grupo carboxilo.

Durante la β-oxidación se eliminan de forma sucesiva fragmentos de dos átomos de carbono del ácido

graso en forma de acetil-CoA. El metabolismo del acetil-CoA a CO2 y H2O se produce en el ciclo de

Krebs, que impulsa la formación de ATP. El catabolismo del ácido graso al estado de acetil-CoA se

denomina vía de la β-oxidación. En la β-oxidación, las unidades de acetilo son eliminadas del extremo

carboxilo del ácido graso. En una serie de reacciones se eliminan dos átomos de hidrógeno del átomo

del carbono β, el C3 en la cadena, y se forma un grupo ceto. Por tanto, es el átomo de carbono β el que

se oxida en este proceso (Montgomery et al., 1999).

En la Figura 6.32 se presenta un esquema general de la β-oxidación, utilizando un ácido graso con

ocho átomos de carbono para este propósito. Aunque se generan cuatro unidades de acetil-CoA, sólo se

necesitan tres secuencias de β-oxidación, ya que la oxidación final produce dos unidades de acetil-CoA.

De forma análoga, la oxidación de un ácido graso de 16 átomos de carbono genera ocho unidades de

acetil-CoA, pero sólo se necesitan 7 ciclos de β-oxidación.


232

Figura 6.32. β -oxidación mitocondrial ilustrada con un acil-CoA de 8 carbonos


Una única secuencia de β-oxidación que produce 1 mol de acetil-CoA proporciona a la célula 5 moles

de ATP.

El primer paso de la vía de la β-oxidación es la activación del ácido graso, es decir, la formación del

tioéster de acil-CoA. La enzima que cataliza dicho proceso se denomina acil-CoA ligasa (Figura 6.33).

Figura 6.33. Reacción de activación del ácido graso


En la fórmula anterior se observa que el ATP se degrada a adenosina monofosfato (AMP) y

pirofosfato y se forma un enlace tioéster. El complejo aciladenilato (Figura 6.34) es un intermediario en

la reacción de la acil-CoA sintasa. Este intermediario, unido a la enzima, contiene un enlace de alta

energía, el anhídrido acilfosfato, que impulsa la transferencia del grupo acilo a la CoA.

Figura 6.34. Aciladenilato


El pirofosfato que se forma en esta reacción se hidroliza a dos moles de ion fosfato inorgánico (Pi)

mediante la acción de la pirofosfatasa inorgánica, esta reacción adicional es irreversible.

Al menos están presentes cinco acil-CoA ligasas diferentes: una ligasa de cadena corta que activa el

acetato y el propionato, una ligasa de cadena media que activa los ácidos grasos de 4 a 10 átomos de

carbono, una ligasa de cadena larga que activa los ácidos grasos de 12 a 18 átomos de carbono, una

ligasa que es específica para el ácido araquidónico y una ligasa de cadena muy larga que actúa sobre

los ácidos grasos de 24 y 26 átomos de carbono. Las ligasas de cadena corta y media se localizan en el

retículo endoplásmico y las ligasas de cadena muy larga en los peroxisomas. En la matriz mitocondrial

se encuentra un acil-coA ligasa unida a guanosina trifosfato (GTP). A diferencia de la ligasas unidas al


233

ATP, los productos d ela reacción del GTP son guanosina difosfato (GDP) y Pi, no guanosina

monofosfato (GMP) ni pirofosfato, como lo muestra Montgomery et a . (1999) en la siguiente fórmula:

La sintasa unida al GTP activa cualquier ácido graso libre que se genere en el interior de la

mitocondria.

Los acil-CoA de cadena larga no pueden penetrar a través de la membrana mitocondrial interna hacia

la matriz mitocondrial, lugar de la β-oxidación de los ácidos grasos. Para atravesar esta barrera, el

grupo acilo se transfiere mediante transenterificación desde la CoA a la carnitina, dicha reacción está

catalizada porla carnitina palmitoiltransferasa (CPT), pero la enzima no es específica de la palmitoil-

CoA. La reacción es reversible. Existen dos formas de la enzima: la CPT I que se localiza en la

superficie externa de la membrana mitocondrial interna y que cataliza la transferencia del grupo acilo

graso desde la CoA a la carnitina (Figura 6.35).

Figura 6.35. Reacción de transferencia del grupo acilo


El grupo acilo atraviesa la membrana mitocondrial interna en forma de éster de acilcarnitina. La

segunda forma de la enzima, CPT II, se localiza en la superficie de la matriz de la membrana

mitocondrial interna. Cataliza la transferencia del grupo acilo graso desde la carnitina a la CoA

presente en la matriz mitocondrial.

Mediante estas reacciones el grupo acilo atraviesa la membrana mitocondrial interna hacia el lugar de

la β-oxidación, la matriz mitocondrial (Figura 6.36). Al contrario de los ácidos grasos de cadena larga,

los ácidos grasos de cadena corta o media no necesitan carnitina para entrar en la mitocondria.

En el primer paso de deshidrogenación, el dinucleótido flavina adenina (FAD) se reduce y se forma un

intermediario acil-CoA trans insaturado. El FADH2 transfiere un par de electrones a la flavoproteína de

transferencia de electrones (FP2), que desplaza los electrones hacia la cadena respiratoria a nivel de la

coenzima Q y genera dos ATP. El segundo paso consiste en la hidrtación del enlace insaturado, con

formación de un L-β-hidroxiacil-CoA. La deshidrogenasa que cataliza la tercera reacción reduce el

NAD+, y el NADH formado transfiere un par de electrones a la cadena respiratoria, generando 3 ATP.

El paso final, una reacción catalizada por una tiolasa, forma acetil-CoA y un acil-CoA que tiene dos

átomos de carbono menos que el acil-CoA original que se incorporó a la secuencia de la β-oxidación.


234

Figura 6.36. Función de la carnitina en la transferencia de los ácidos grasos a través

de la membrana mitocondrial interna. CPT, carnitina palmitoiltransferasa


Una vez que el acil-CoA se encuentra en la matriz mitocondrial, se producen cuatro reacciones

sucesivas, que junto con las enzimas que las catalizan se muestran en la Figura 6.37.

Figura 6.37. Algunas reacciones de la β-oxidación



235

El acil-CoA más corto que se genera vuelve a entrar en el ciclo de la β-oxidación y el proceso se repite

hasta que la cadena completa se degrada a acetil-CoA. Por tanto, puede considerarse que estas

reacciones constituyen un ciclo de β-oxidación (Figura 6.38).

Figura 6.38. Ciclo de la β-oxidación mitocondrial de los ácidos grasos


Existen tres situaciones en las que se necesitan reacciones auxiliares para llevar a cabo la secuencia de

β-oxidación. Son la oxidación de ácidos monoinsaturados, de ácidos poliinsaturados y de ácidos grasos

con un número impar de átomos de carbono.

La β-oxidación mitocondrial de los ácidos grasos es una de las vías principales de obtención de energía

celular. Existen cuatro pasos en los que la energía se utiliza o se capta. Dichos pasos se muestran

tomando como ejemplo la oxidación completa del ácido palmítico (ácido graso saturado de 16 átomos

de carbono) (Figura 6.39).

Se necesitan dos enlaces fosfato de alta energía para activar el grupo palmitato. En el ciclo de la β-

oxidación, el palmitil-CoA sufre 7 β-oxidaciones y cada una produce 5 ATP. Se forman 12 enlaces

fosfato de alta energía adicional cuando se oxida cada una de las 8 unidades de acetil-CoA en el ciclo

de Krebs. En realidad se forman 11 ATP y 1 GTP, pero ya que el GTP y ATP son energéticamente

equivalentes, pueden considerarse como 12 ATP. La oxidación de las 8 unidades de acetil-CoA genera

96 ATP. El rendimiento total de ATP de la β-oxidación y el ciclo de Krebs es de 131. Dado que se

utilizaron dos enlaces de alta energía en el primer paso, el rendimiento neto es de 129. Esto representa

aproximadamente el 40 % de la energía contenida en el ácido palmítico y el resto de la energía

contribuye al mantenimiento de la temperatura corporal.


236

Figura 6.39. Oxidación completa del ácido palmítico


Algunos ácidos grasos se oxidan siguiendo otras vías, como la β-oxidación en donde sólo se elimina el

átomo de carbono carboxílico, siendo un proceso peroxisómico que utiliza NAD+ y ascorbato. El

intermediario es un α-hidroxiácido graso.

La β-oxidación también tiene lugar en los peroxisomas, que son unos orgánulos rodeados de

membranas y están implicados en los procesos oxidativos. Existen varias diferencias entre la β-

oxidación peroxisómica y la mitocondrial. La vía peroxisómica oxida principalmente ácidos grasos de

20 a 26 átomos de carbono, de cadena ramificada o hidroxilados y el acil-CoA graso no tiene que

convertirse en un derivado de la carnitina para entrar en el peroxisoma, en esta vía los ácidos grasos

pasan sólo por uno o dos ciclos de β-oxidación, formando acetil-CoA y un acil-CoA de cadena más

corta, en lugar de degradarse completamente a acetil-CoA, el proceso peroxisómico no genera enlaces

de alta energía y las enzimas son diferentes ya que el FADH2 formado en la primera oxidación es

oxidado por el oxígeno para formar peróxido de hidrógeno. Las reacciones segunda y tercera se llevan

a cabo por una sola enzima que se denomina enzima bifuncional o trifuncional (Montgomery et al.,

1999).

En la Figura 6.40 se muestra una visión general de la ruta de oxidación de los ácidos grasos donde una

acil-CoA saturada de 16 carbonos (palmitoil-CoA) sufre siete ciclos de oxidación para dar 8 moléculas

de acetil-CoA.


237

Figura 6.40. Visión general de la ruta de oxidación de los ácidos grasos

Fuente: Mathews et al, (2005)

6.2.2. Cuerpos cetónicos

Las mitocondrias del hígado tienen la capacidad de convertir a la acetil-CoA derivada del catabolismo

de aminoácidos, carbohidratos y ácidos grasos en cuerpos cetónicos. Los compuestos considerados

cuerpos cetónicos son acetoacetato, 3-hidroxibutirato y acetona. Acetoacetato y 3-hidroxibutirato se

transportan en la sangre hasta los tejidos periféricos. Ellos se pueden reconvertir en acetil-CoA, que a

continuación puede oxidarse en el ciclo del ácido tricarboxílico. Los cuerpos cetónicos son fuentes

importantes de energía para los tejidos periféricos porque son solubles en agua y por ende no necesitan

incorporarse en lipoproteínas o ser transportados por la albúmina como sucede con otros lípidos, se

producen en el hígado durante períodos en los que la cantidad de acetil-CoA presente excede a la

capacidad oxidativa del hígado y los emplean en proporción con su concentración sanguínea los tejidos

extrahepáticos, como el músculo esquelético y cardiaco y la corteza suprarrenal (Figura 6.41). Incluso


238

el cerebro puede emplear a los cuerpos cetónicos para satisfacer sus necesidades energéticas si sus

concentraciones sanguíneas se incrementan lo suficiente.

Figura 6.41. Síntesis de cuerpo cetónicos en el hígado y su empleo en los tejidos periféricos


Durante el ayuno el hígado se ve inundado por ácidos grasos movilizados desde el tejido adiposo. La

acetil-Coa hepática elevada resultante producida primordialmente por la degradación de ácidos grasos

inhibe a la deshidrogenasa de piruvato y activa a la carboxilasa de piruvato. El hígado emplea el

oxalacetato producido de esta manera para la gluconeogénesis más que para el ciclo de Krebs, por este

motivo, la acetil-CoA se envía a la síntesis de cuerpos cetónicos.

La primera etapa sintética es la formación de la acetoacetil-CoA que ocurre por inversión de la

reacción de tiolasa de la oxidación de los ácidos grasos. La sintasa de 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA

(HMG-CoA) combina a una tercera molécula de acetil-CoA con acetoacetil-CoA para producir HMG-

CoA, que también es una precursora del colesterol. Estas vías están separadas por la localización en la

célula y las condiciones de ésta. La sintasa de HMG-CoA es la etapa limitante del ritmo en la síntesis

de cuerpos cetónicos, y se encuentra en cantidades importantes sólo en el hígado (Figura 6.42).

La HMG-CoA se segmenta para que se produzca acetoacetato y acetil-CoA. El acetoacetato se puede

reducir para formar 3-hidroxibutirato, con NADH como donador de hidrógeno. El acetoacetato también

puede descarborxilarse de manera espontánea en la sangre para formar acetona, compuesto volátil no

biológicamente metabolizado que se puede eliminar con el aliento.

Aunque el hígado sintetiza constantemente cuerpos cetónicos en concentraciones bajas, su producción

se vuelve mucho más importante durante el ayuno, período en el que se necesitan para brindar energía a

los tejidos periféricos. La deshidrogenasa de 3-hidroxibutirato oxida a éste hasta acetoacetato, con

producción de NADH. A continuación se dispone de acetoacetato con una molécula de coenzima A

que la transferasa de succinil-CoA:acetoacetato-CoA (tioforasa) toma de la succinil-CoA. Esta reacción

es reversible, pero el producto, acetoacetil-CoA, se remueve activamente por su conversión en dos

moléculas de acetil-CoA. Los tejidos extrahepáticos, entre ellos el cerebral, oxidan con eficiencia el

acetoacetato y 3-hidroxibutirato. En contraste, aunque el hígado produce activamente cuerpos

cetónicos, carece de tioforasa, por lo que no puede emplear como combustible a los cuerpo cetónicos



239

En la Figura 6.43 se observa a la acetil-CoA como intermediario clave entre el metabolismo de las

grasas y de los carbohidratos.

Figura 6.42. Biosíntesis de los cuerpos cetónicos en el hígado


6.2.3. Síntesis de ácidos grasos (β-reducción) y triglicéridos

Entre los componentes obligatorios de la dieta hay un pequeño grupo de ácidos grasos poliinsaturados,

los ácidos grasos esenciales que el organismo no puede sintetizarlos. El resto de los ácidos grasos,

saturados o insaturados, sí pueden ser sintetizados en las células de los mamíferos (Lozano et al.,

2000).


240

Figura 6.43. Papel clave de la acetil-CoA


En condiciones de alta disponibilidad de ATP, de acetil-CoA, o de ambos, y de baja velocidad del

ciclo de Krebs, se sintetizan los ácidos grasos, siendo la fuente de carbono para ello la acetil-CoA, que

puede proceder de los aminoácidos cetógenos, de la oxidación de los ácidos grasos o de los

carbohidratos. Esta acetil-CoA se forma en las mitocondrias o en los peroxisomas, mientras que el

sistema enzimático de la síntesis de ácidos grasos, la sintasa se ácidos grasos o palmitato sintasa, es

citoplasmática. Como no hay transportadores de acil-CoA en la membrana mitocondrial, para que el

precursor salga al citoplasma se necesita un sistema de lanzadera. Cuando baja el nivel celular de ATP,

se desbloquea el ciclo de Krebs y se paraliza la salida de citrato al citoplasma. Para regular la síntesis

de ácidos grasos de manera independiente de la β-oxidación, la molécula clave no es la acetil-CoA sino

la malonil-CoA. Antes de que actúe el complejo sintasa de ácidos grasos, actúa una enzima, la acetil-

CoA carboxilasa, que cataliza la conversión de acetil-CoA en malonil-CoA. Esta enzima será la que

regule el funcionamiento del proceso global. La reacción que cataliza se muestra en la Figura 6.44

Figura 6.44. Reacción catalizada por la acetil-CoA carboxilasa


La enzima puede encontrarse en dos formas: la activa es un agregado molecular de peso molecular

elevado asociado a unas 20 moléculas de biotina y la forma menos activa es de menor tamaño, con sólo

una biotina. El paso de una a otra forma está controlado por metabolitos que intervienen en el proceso,

y constituye la clave de la regulación del proceso. La síntesis de ácidos grasos, más concretamente del

palmitoilCoA, a partir de malonilCoA y acetilCoA está catalizada, en mamíferos, por el sistema

multienzimático ácido graso sintasa, integrado por siete actividades enzimáticas y una proteína sin

actividad catalítica, la proteína transportadora de acilos (PTA o ACP) dotada con un grupo captador de

acilos, la 4´-fosfopanteína, también presente en la coenzima A, que se comportan como un largo brazo

móvil, a cuyo extremo, y gracias a su grupo tiol, permanece unido durante todo el proceso el grupo


241

acilo en crecimiento, al que transporta hacia los centros activos de las diferentes actividades

enzimáticas cuando es preciso, aumentando así la eficacia del sistema, así, los precursores, en

mamíferos, entran al complejo y no lo dejan hasta haberse convertido en palmitoilCoA (Figura 6.45).

Figura 6.45. Biosíntesis de los ácidos grasos


Durante la primera reacción de la síntesis de los ácidos grasos, la acetil transacilasa cataliza la

transferencia del grupo acetilo desde una molécula de acetil-CoA al grupo SH de un residuo de cisteína

de la β-cetoacil-ACP sintasa. Se forma malonil ACP cuando la malonil transacilasa transfiere un grupo

malonilo desde la malonil-CoA al grupo SH del grupo prostético panteteína del ACP en la que se forma

acetoacetil-ACP.


242

Durante los tres pasos siguientes, que consisten en dos reducciones y una deshidratación, el grupo

acetoacetilo se convierte en grupo butirilo. El brazo flexible fosfopanteína actúa como una atadura para

que el sustrato no difunda lejos entre los pasos del ciclo. Esto incrementa mucho la velocidad y eficacia

del proceso. La β-cetoacil-ACP reductasa cataliza la reducción de la acetoacetil-ACP para formar β-

hidroxibutiril-ACP. La β-hidroxiacil-ACP deshidrasa cataliza posteriormente una deshidratación,

formando así crotonil-CoA. La butiril-ACP se produce cuando la 2,3, trans-enoil-ACP reductasa reduce

el doble enlace de la crotonil-ACP. En el último paso del primer ciclo de la síntesis de los ácidos

grasos, se transfiere el grupo butirilo desde el grupo panteteína al residuo de cisteína de la β-cetoacil-

ACP sintasa. El grupo ACP-SH recién liberado une ahora otro grupo malonilo y se repite el proceso.

Finalmente, se sintetiza la palmitoil-ACP. Ahora se libera el grupo palmitoilo de la ácido graso sintasa

cuando la tioesterasa lo convierte en palmitato.

La elongación y desaturación de los ácidos grasos que se sintetizan en el citoplasma o de los obtenidos

en la alimentación se realizan principalmente por enzimas del RE. La elongación y la desaturación

(formación de dobles enlaces) de los ácidos grasos son especialmente importantes en la regulación de

la fluidez de la membrana y de la síntesis de los precursores de diversos derivados de los ácidos grasos,

como los eicosanoides.

La elongación de los ácidos grasos en el RE, que utiliza unidades de dos carbonos que proporciona la

malonil-CoA, es un ciclo de reacciones de condensación, reducción, deshidratación y reducción

semejante al que se observa en la síntesis citoplásmica de los ácidos grasos. Al contrario que en el

proceso citoplásmico, los intermediarios del proceso de elongación del RE son ésteres de CoA. Estas

reacciones pueden alargar ácidos grasos tanto saturados como insaturados. Los equivalentes reductores

los proporciona el NADPH:

Las moléculas de acil-CoA se desaturan en las membranas del RE en presencia de NADH y O2. Todos

los componentes del sistema desaturasa son proteínas integrales de membrana que aparentemente están

distribuidas al azar sobre la cara citoplásmica del RE. La asociación de la citocromo b5 reductasa (una

flavoproteína), el citocromo b5 y las desaturasas dependientes del oxígeno constituyen un sistema de

transporte electrónico. Este sistema introduce de forma eficaz dobles enlaces en los ácidos grasos de

cadena larga. Tanto la flavopoteína como el citocromo b5, que se encuentran en una proporción

aproximada de 1:30, tienen péptidos hidrófobos que anclan las proteínas a la membrana microsómica.

Los animales tienen de forma característica desaturasas Δ9, Δ

6 Δ

5 que utilizan los electrones que

aporta el NADH por el sistema de transporte electrónico para activar el oxígeno necesario para crear el

doble enlace. Debido a que los sistemas de elongación y desaturación están próximos uno del otro en la

membrana microsómica, se producen diversos ácidos poliinsaturados de cadena larga. Un ejemplo

destacado de esta interacción es la síntesis del ácido araquidónico (20:4 Δ5,8,11,14

) a partir del ácido

linoleico (18:2 Δ 9,12

)


243

Por razones complejas, el alargamiento del acilo no continúa después de que se alcancen los 16 átomos

de carbono. El caso es que, llegando a este punto, se libera la molécula de palmitato, que mediante una

actividad de tipo acilCoA sintetasa, es convertida en palmitoilCoA, el producto final de la actividad del

complejo ácido graso sintasa.

Si se suman paso a paso todos los que son necesarios para alcanzar una molécula de palmitoilCoA, el

balance sería:

La regulación de este proceso de síntesis se hace por la acción de metabolitos cuya presencia es una

señal de la disponibilidad, o no, de la célula para invertir ATP en fabricar ácidos grasos. Como la

acetilCoA carboxilasa tiene dos formas, una más activa que la otra, el desplazamiento del equilibrio

entre ambas constituye el principal mecanismo de regulación, ya que esta enzima es la fuente de

aprovisionamiento de malonilCoA, el principal suministrador de carbonos para la ácido graso sintasa.

El citrato, cuyo nivel citoplasmático es una señal del estado energético celular y, por tanto, de la

existencia de remanentes para la síntesis de ácidos grasos, es el principal inductor de la transformación

de la forma monomérica, menos activa, de acetil-CoA carboxilasa a la polimérica, más activa.

PalmitoilCoA y la propia malonilCoA, por el contrario, son desagregadoras de la enzima y, por tanto,

inhiben la síntesis.

Así, el citrato es fundamental para la síntesis de ácidos grasos porque puede salir de la mitocondria por

el transportador de tricarboxilatos de la membrana interna mitocondrial, el citrato puede convertirse en

acetilCoA por la citrato liasa citoplásmica y el citrato induce la activación de la enzima que controla el

proceso de síntesis de ácidos grasos, la acetilCoA carboxilasa.

Los mamíferos no sólo pueden sintetizar ácido palmítico, sus células disponen de sistemas de

elongación de cadena de ácidos grasos que permiten alargarla hasta C18, en el caso de los ácidos grasos

saturados, y hasta C26, en el de los insaturados. También tienen sistemas enzimáticos denominados

desaturasas de ácidos grasos, reductasas que introducen dobles enlaces cis en tres posiciones diferentes

de la cadena (Δ5

Δ6 y Δ

9 desaturasas). Sin embargo no se pueden introducir dobles enlaces en

posiciones posteriores a C9. Por ello, los ácidos grasos insaturados con dobles enlaces en posiciones

posteriores al carbono 9 no pueden ser sintetizados por los mamíferos y deben ser ingeridos en la dieta,

de ahí su carácter de esenciales.

Las grasas o triacilgliceroles (TAG) se sintetizan en casi todos los tejidos de los mamíferos, máxime

en el hígado y el tejido adiposo, cuando las condiciones energéticas son favorables, ya que son las

moléculas más adecuadas para almacenar energía por su hidrofobia. No sólo los lípidos en exceso sino

los carbohidratos y buena parte de los aminoácidos en exceso pueden convertirse en TAG si las

circunstancias lo permiten. En el hígado, los TAG se incorporan a la formación de lipoproteínas,

máxime VLDL (lipoproteínas de muy baja densidad que son transportadores de los TAG, mientras que

las lipoproteínas de baja densidad, LDL, y las lipoproteínas de alta densidad, HDL, lo son de los ésteres

de colesterol), lo que les permite salir a la sangre y ser transportados hasta los tejidos consumidores de

ácidos grasos, mientras que los TAG del tejido adiposo se depositan allí como reserva hasta que se

movilizan.


244

Los ácidos grasos que se emplean para la síntesis de TAG, procedentes de la dieta o sintetizados en el

tejido, deben ser activados a acilCoA; el otro sustrato, el glicerol, puede proceder de los TAG

previamente hidrolizados o de intermediarios de la glicólisis, y también debe activarse previamente a

glicerolfosfato (Figura 6.46) (Lozano et al., 2000).

Figura 6.46. Principales rutas de biosíntesis de triacilglicerol en mamíferos


En la Figura 6.47 se observa que la síntesis de una molécula de triacilglicérido a partir de glicerol

fosfato y acil-CoA abarca cuatro reacciones que consisten en la añadidura secuencial de dos ácidos

grasos provenientes de la acil, remoción de fosfato y añadidura de un tercer ácido graso (Champe et al.,

2006).

En el intestino, la síntesis de TAG, destinados tanto para el uso en ese tejido como al paso a la sangre

de los lípidos de la dieta, en forma de quilomicrones, se hace a partir del producto mayoritario de la

digestión de las grasas, el 2-monoacilglicerol (2-MAG).

Un porcentaje muy alto de los TAG tiene un ácido graso saturado (palmítico o esteárico) en el carbono

1 del glicerol, mientras que los carbonos 2 y 3 suele haber uno insaturado, casi siempre oleico (Δ9C18:1).

El equilibrio entre la grasa depositada y movilizada está regulado hormonalmente; no obstante, hay

ocasiones en que se producen descontroles en la ingestión de compuestos de carácter lipídico, o en la

regulación hormonal, y el equilibrio puede inclinarse hacia alguno de los extremos (Lozano et al.,

2000).

6.2.4. Síntesis del colesterol

El colesterol que se utiliza en todo el organismo procede de dos fuentes: la alimentación y la síntesis

de novo. Cuando la alimentación aporta suficiente colesterol, la síntesis de esta molécula está inhibida.

El colesterol que proporcionan las LDL inhibe la síntesis de colesterol. La biosíntesis de colesterol se

estimula cuando la alimentación tiene poco colesterol. El colesterol se utiliza como componente de la


245

membrana celular y para la síntesis de metabolitos importantes. Un mecanismo fundamental para

eliminar el colesterol es la conversión en ácidos biliares.

Figura 6.47. Síntesis de triacilglicerol


Aunque todos los tejidos pueden sintetizar colesterol (por ejemplo, glándulas suprarrenales, ovarios,

testículos, piel e intestino), la mayoría de las moléculas de colesterol se sintetizan en el hígado. La

síntesis de colesterol puede dividirse en tres fases, según McKee y McKee (2003):

Formación de HMG-CoA (β-hidroxi- β-metilglutaril-CoA) a partir de acetil-CoA,

Conversión de HMG-CoA en escualeno, y

Conversión de escualeno en colesterol.


246

La primera fase de síntesis de colesterol es un proceso citoplásmico y consiste en la condensación de

dos moléculas de acetil-CoA para formar β-cetobutiril-CoA o también llamado acetoacetil-CoA,

reacción catalizada por la tiolasa:

En la reacción siguiente, la β-cetobutiril-CoA se condensa con otra molécula de acetil-CoA para

formar la HMG-CoA. Esta reacción la cataliza la β-hidroxi- β-metilglutaril-CoA sintasa (McKee y

McKee, 2003).

La segunda fase de la síntesis de colesterol comienza con la reducción de la HMG-CoA para formar

mevalonato. El agente reductor es el NADPH.

La HMG-CoA reductasa que cataliza la última reacción es el paso limitante de la velocidad de la

síntesis de colesterol. Una acumulación de colesterol en la célula, bien sea por síntesis endógena o bien

por la captación y degradación de las LDL, reduce la actividad de la HMG-CoA reductasa de dos

maneras: inhibe la síntesis de HMG-CoA reductasa y aumenta la degradación de la enzima que ya

existe. La actividad y la concentración celular de la HMG-CoA reductasa, que se sitúa en la cara

citoplasmática del retículo endoplásmico, están afectadas en varios grados por la concentración de

productos intermediarios de la ruta (por ejemplo: mevalonato, farnesol, escualeno y 7-

deshidrocolesterol). Sin embargo, permanece aún por resolver el mecanismo preciso por el que se

regula esta enzima estratégicamente situada.

En un conjunto de reacciones citoplásmicas, el mevalonato se convierte a continuación en farnesil

pirofosfato. La mevalonato quinasa cataliza la síntesis de fosfomevalonato. Una segunda reacción de

fosforilación que cataliza la fosfomevalonato quinasa da lugar al 5-pirofosfomevalonato.

La solubilidad en el citoplasma de estas moléculas hidrocarbonadas se incrementa de forma

significativa por las reacciones de fosforilación. El 5-pirofosfomevalonato se convierte en isopentenil

pirofosfato en un proceso en el que hay una descarboxilación y una deshidratación:

El isopentil pirofosfato a continuación se transforma en su isómero dimetilalil pirofosfato por la

isopentil pirofosfato isomerasa.

El geranil pirofosfato se produce durante una reacción de condensación entre el isopentenil pirofosfato

y el dimetilalil pirofosfato. El pirofosfato también es un producto de esta reacción y de dos reacciones

siguientes. En las reacciones en las que se libera pirofosfato son irreversibles por la posterior hidrólisis

del pirofosfato. La geranil transferasa cataliza la reacción de condensación entre el geranil pirofosfato y

el isopentenil pirofosfato que da lugar al farnesil pirofosfato. El escualeno se sintetiza cuando la

farnesil transferasa (enzima microsómica también llamada escualeno sintasa) cataliza la condensación

de dos moléculas de farnesil pirofosfato. Esta reacción requiere de NADPH como donador de

electrones.

La última fase de la ruta de biosíntesis de colesterol comienza con la unión del escualeno a una

proteína transportadora citoplásmica específica que se denomina proteína transportadora de esteroles.

La conversión del escualeno en lanosterol tiene lugar con el intermediario unido a esta proteína. Las


247

actividades enzimáticas que se requieren para la formación del epóxido dependiente del oxígeno

(escualeno monooxigenasa) y laposterior ciclación (2,3-oxidoescualeno lanosterol ciclasa) que dan

lugar a la síntesis de lanosterol se encuentran en los microsomas. La escualeno monooxigenasa requiere

para su actividad NADPH y FAD. Tras su síntesis, el lanosterol se une a una segunda proteína

transportadora, a la que permanece unido durante las reacciones restantes. Todas las actividades

enzimáticas que catalizan las 20 reacciones restantes necesarias para convertir el lanosterol en

colesterol están embebidas en las membranas microsómicas. Es un conjunto de transformaciones que

utilizan el NADPH y el oxígeno, el lanosterol se convierte en 7-deshidrocolesterol que posteriormente

se reduce por el NADPH para formar colesterol (Figura 6.48) (McKee y McKee, 2003).

Figura 6.48. Síntesis de colesterol a partir del escualeno


6.2.5. Síntesis de hormonas esteroidales

El colesterol es el precursor de todas las hormonas esteroideas y de las sales biliares. El metabolismo

de los esteroides es muy complejo y todavía comprendido de forma incompleta. Diversas células y

orgánulos figuran de forma destacada en la producción y procesado de estas potentes sustancias. La

reacción inicial de la síntesis de hormonas esteroideas que es la conversión del colesterol en


248

pregnenolona está catalizada por la desmolasa, una enzima mitocondrial. La desmolasa es un complejo

enzimático formado por dos hidrolasas, una de las cuales es una enzima citocromo P450 que participa en

reacciones del metabolismo de los esteroides y de los xenobióticos. Tras su síntesis, la pregnenolona se

transporta al retículo endoplásmico, donde se convierte en progesterona (Figura 6.49). La pregnenolona

y la progesterona son precursores de las demás hormonas esteroideas.

Figura 6.49. Síntesis de progesterona


Además de su función precursora (Figura 6.50), la progesterona actúa como una hormona. Su papel

hormonal principal es la regulación de diversos cambios fisiológicos del útero. Durante el ciclo estral,

la progesterona se produce en células especializadas del ovario. Durante el embarazo, la progesterona,

que produce la placenta en grandes cantidades, impide las contracciones de la musculatura lisa,

evitando la expulsión del feto.

Las cantidades y los tipos de esteroides que se sintetizan en un tejido específico están cuidadosamente

regulados. Las células de cada tejido se programan durante el desarrollo embrionario y fetal para

responder a las señales químicas induciendo la síntesis de un conjunto singular de enzimas específicas.

Las señales químicas más importantes que actualmente se piensa influyen sobre el metabolismo de los

esteroides son las hormonas peptídicas que segrega la hipófisis y diversas prostaglandinas


249

Figura 6.50. Síntesis de esteroides seleccionados


Los procesos enzimáticos por los que el colesterol se convierte en esteroides con actividad biológica,

así como los medios por los que se inactivan los esteroides y se preparan para su eliminación,

constituyen un mecanismo complejo que se denomina biotransformación.

El colesterol y otros esteroides no pueden degradarse a moléculas más pequeñas sino que se convierten

en derivados cuya mayor solubilidad permite su eleiminación. El mecanismo más importante para

degradar y eliminar el colesterol es la síntesis de ácidos biliares que tiene lugar en el hígado (McKee y

McKee, 2003).


250

6.2.6. Modelo del mosaico fluido y su importancia en los procesos de transporte

Las membranas de las células vivas son pedazos muy notables de arquitectura molecular con funciones

múltiples y variadas dentro de las cuales se encuentran: límite de células individuales, límite de

organelos intracelulares, adhesión intercelular, intercambio gaseoso, marco estructural para enzimas y

receptores, difusión facilitada de azúcares y aminoácidos, permeabilidad selectiva a iones, transmisión

de la excitación, secreción, motilidad y formación de estructuras especializadas como desmosomas

(Laguna y Piña, 2002). La afirmación de que una membrana es esencialmente una bicapa de

fosfolípidos constituye una simplificación excesiva. Ciertamente, la bicapa de fosfolípidos constituye la

estructura básica, pero en las membranas plasmáticas de las células hay mucho más (Cuadro 6.6)


Cuadro 6.6. Composición química de algunas membranas celulares

Membranas Proteínas

%

Lípidos

%

Carbohidratos

% Membrana plasmática de los eritrocitos humanos 49 43 8

Membrana plasmática de los hepatocitos de ratón 46 54 2-4

Membrana polasmática de la ameba 54 42 4

Membrana mitoconsrial interna 76 24 1-2

Membrana lamelar del cloroplasto de la espinaca 70 30 6

Membrana púrpura de Halobacteria 75 25 0


La membrana consiste en una capa bimolecular de lípidos con proteínas insertadas en ella o unidas en

ambas superficies. Las proteínas integrales de la membrana están firmemente adheridas a las capas de

lípidos. Algunas de estas proteínas están dentro de la bicapa y se les conoce como proteínas

transmembranales, mientras que otras están adheridas en las hojas externa o interna de la bicapa

lipídica. Las proteínas periféricas están laxamente unidas a la superficie externa o interna de la

membrana. Muchas de las proteínas y lípidos tienen cadenas de oligosacáridos externamente expuestas

(Murray et al., 2001).

Las proteínas integrales intervienen con frecuencia en la transmisión de sustancias específicas o

señales químicas a través de la membrana. Toda la membrana es un mosaico de lípidos y proteínas,

muchos de los cuales están en constante movimiento.

Los lados de la bicapa suelen ser diferentes, tanto en su composición lipídica como en la colocación y

orientación de las proteínas y los oligosacáridos. La mayor parte del conocimiento actual sobre las

membranas biológicas se basa en el modelo de mosaico fluido propuesto por Singer y Nicholson en

1972 (Figura 6.51).

Una célula o un orgánulo no pueden estar totalmente abiertos ni totalmente cerrados a su entorno. Su

interior debe estar protegido frente a determinados compuestos tóxicos y, sin embargo, es preciso que

se capten metabolitos y se eliminen productos de desecho. Dado que la célula debe de manejar miles de

sustancias, no es de extrañar que gran parte de la compleja estructura de las membranas esté dedicada a

la regulación del transporte. Las tres categorías de transporte: pasivo, facilitado y activo, son muy

diferentes y en general sirven a propósitos distintos en la célula.

El transporte pasivo o difusión pasiva o simple se realiza mediante el movimiento aleatorio de las

moléculas a través de las membranas. El transporte pasivo conduce en última instancia a que la


251

concentración libre de sustancia que se difunde sea la misma a ambos lados de la membrana (Figura

6.52) (Mathews et al., 2005).

Figura 6.51. Estructura de la membrana celular característica. Modelo de mosaico fluido

Fuente: Mathews et al, (2005)

En la Figura 6.52 se observa que en el tiempo t, una cuarta parte de las moléculas presentes a un lado

de la membrana semipermeable han difundido al otro lado por el movimiento térmico aleatorio,

finalmente se alcanza el equilibrio (McKee y McKee, 2003).

Figura 6.52. Difusión pasiva o simple



252

Para muchas sustancias, el transporte lento que proporciona la difusión pasiva es simplemente

insuficiente para las necesidades funcionales y metabólicas de las células, y es preciso que haya otros

medios para aumentar las tasas de transporte; hay dos tipos generales de transporte facilitado, un tipo

usa poros formados por proteínas transmembrana (Figura 6.53 a), el otro tipo se produce a través de

moléculas portadoras transmembrana (Figura 6.53 b) (Mathews et al., 2005).

Figura 6.53. Mecanismos principales de transporte facilitado


El transporte activo es cuando se transportan sustancias en contra de gradientes de concentración,

incluso en gradientes muy desfavorables y es necesaria una fuente de energía libre de algún tipo que

generalmente procede de la hidrólisis del ATP. Se considera que globalmente la mayor parte de las

células gastan el 25% de su ATP en este tipo de transporte (Mathews et al., 2005).

Las dos formas de transporte activo son el primario (como la bomba Na+-K

+ o Na

+-K

+ ATPasa) donde

el ATP proporciona la energía, por ejemplo, las enzimas transmembrana que hidrolizan el ATP usan la

energía procedente del ATP para impulsar el transporte de iones o moléculas, y el transporte activo

secundario donde el gradiente de concentración que genera el transporte activo primario se acopla para

mover sustancias a través de las membranas, por ejemplo, el gradiente de Na+ creado por la bomba

Na+-K

+ ATPasa se utiliza en las células tubulares renales y las células intestinales para transportar la D-

glucosa (Figura 6.54) (McKee y McKee, 2003).

6.2.7. Integración del metabolismo de lípidos con el de carbohidratos

Muchos de los principales alimentos se pueden interconvertir (Figura 6.55, Figura 6.56, Figura 6.57).

Los carbohidratos se convierten a ácidos grasos por medio de la reacción de la piruvato

deshidrogenasa, siendo esta reacción irreversible. Tampoco puede acontecer una conversión total de la

acetil-CoA a glucosa a través del ciclo de Krebs, ya que se consume una molécula de oxaloacetato por

cada molécula de éste convertida en glucosa.


253

Figura 6.54. La Na+-K

+ ATPasa y el transporte de glucosa


Figura 6.55. Interconversión de los principales alimentos



254

Figura 6.56. Interrelaciones metabólicas entre tejido adiposo, hígado y tejidos extrahepáticos



255




256

Los carbohidratos y los lípidos tienen funciones estructurales y metabólicas. La regulación de este

flujo de combustible y la forma en que se integra con otros combustibles tisulares son de interés básico,

ya que afectan otros procesos metabólicos. Con un balance calórico positivo, una proporción

importante de la energía de los alimentos consumidos, se almacena como glucógeno o como grasa en el

tejido adiposo. Si la dieta consta principalmente de carbohidratos, la glucosa constituye el principal

combustible tisular. Sin embargo, en algunos tejidos, incluso con una alimentación adecuada, los

ácidos grasos se oxidan con preferencia sobre la glucosa, pero en particular bajo condiciones de déficit

calórico o ayuno. El propósito es ahorrar glucosa para los tejidos como el encéfalo y los eritrocitos que

la requieren en todas circunstancias.

Muchos de los esqueletos de carbono de los aminoácidos no esenciales se pueden producir a partir de

los carbohidratos mediante el ciclo de Krebs y la transaminación. La inversión de este proceso permite

que los aminoácidos glucogénicos ingresen a la vía de la gluconeogénesis.

Durante la inanición, los ácidos grasos libres y los cuerpos cetónicos se oxidan con preferencia sobre

la glucosa, la cual se ahorra para los tejidos que, como el encéfalo, lo requieren permanentemente. Esto

se logra mediante la inhibición de la fosfofructocinasa y de lapiruvato deshidrogenasa. Este efecto,

acoplado a la inhibición de la movilización de los ácidos grasos libres en el tejido adiposo a cargo de la

glucosa ahorrada, se denomina ciclo glucosa-ácido graso (Murray et al., 2001)


257

7. Ácidos nucleicos y metabolismo nitrogenado

Las dos formas de ácidos nucleicos son ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico).

Las moléculas de ADN son largos polímeros hechos de cuatro unidades de mononucleótidos diferentes

que son adenina, timina, guanina y citosina. El ADN es el material genético de las células. El ARN

tiene un papel importante en la transferencia de la información genética del ADN a las proteínas. El

ARN es el material genético de algunos virus y también es un polímero formado por cuatro unidades

diferentes de mononucleótidos que son adenina, uracilo, guanina y citosina (Roskoski, 2001).

El nitrógeno se encuentra es una enorme cantidad de biomoléculas. Entre los ejemplos de los

metabolitos nitrogenados principales se incluyen los aminoácidos, las bases nitrogenadas, las porfirinas

y varios lípidos. En el metabolismo de algunos organismos eucariotas las aminas biógenas y el

glutatión son compuestos nitrogenados que se requieren en cantidades pequeñas.

La incorporación del nitrógeno a las moléculas orgánicas comienza con la fijación (reducción) del gas

nitrógeno (N2) por los microorganismos procariotas como el Rhizobium que se encuentran en las raíces

de determinadas plantas, otros organismos fijadores de nitrógeno se encuentran en las aguas marinas y

dulces, en manantiales de aguas termales o en los intestinos de ciertos animales. Los vegetales como el

maíz dependen de la absorción de NH3 y NO3- que se sintetizan por las bacterias del suelo o que se

suministran en los fertilizantes artificiales. Debido a que normalmente las plantas disponen de poco

nitrógeno fijado, el aporte de nitrógeno es con frecuencia el factor limitante del crecimiento y

desarrollo de la planta. Sea como sea, la forma en que las plantas adquieren NH3, por fijación de

nitrógeno, por absorción del suelo o por reducción del NO3- absorbido, el NH3 se asimila por su

conversión en el grupo amida de la glutamina. Posteriormente este nitrógeno orgánico se transfiere a

otros compuestos carbonados para producir los aminoácidos que utiliza la planta para sintetizar las

moléculas nitrogenadas como proteínas, nucleótidos y hemo. El nitrógeno orgánico, principalmente en

forma de aminoácidos, fluye luego por todo el ecosistema cuando los animales y los microorganismo

de descomposición consumen las plantas. El complejo proceso que transfiere el nitrógeno por el mundo

vivo se denomina ciclo del nitrógeno.

Los organismos distintos de los vegetales varían en su capacidad para sintetizar los aminoácidos a

partir de intermediarios metabólicos y del nitrógeno fijado. Por ejemplo, muchos microorganismos

pueden producir todos los aminoácidos que necesitan. Por el contrario, los animales sólo pueden

sintetizar alrededor de la mitad de los aminoácidos que requieren (McKee y McKee, 2003).

7.1. Metabolismo nitrogenado (aminoácidos y proteínas)

El metabolismo nitrogenado incluye proteínas y aminoácidos, así como muchos otros compuestos

importantes que se pueden considerar derivados de los aminoácidos: bases purínicas y pirimidínicas

(constituyentes de nucleótidos, coenzimas y ácidos nucleicos), hemo y moléculas relacionadas,

poliaminas, creatina, diversos neurotransmisores y hormonas, pigmentos melánicos, etc. El esqueleto

carbonado aminoacídico puede servir de punto de partida, dependiendo las vías particulares de cada

caso, en la obtención de ácidos grasos, grasas y esteroides o como punto de partida gluconeogénico,

ayudando, en este supuesto, al aporte necesario de glucosa al cerebro en condiciones en que las

existencias del carbohidrato sean insuficientes. Además de ese papel precursor que tienen los

aminoácidos, su catabolismo oxidativo es esencial para proporcionar la energía que precisa el

organismo en situaciones de necesidad energética como puede ser el ayuno (Lozano et al., 2000)


258

A diferencia de los lípidos y los carbohidratos, los aminoácidos no se almacenan en el organismo, en

otras palabras, no existen proteínas cuya única función sea mantener un aporte de aminoácidos para su

uso futuro. Por lo tanto, los aminoácidos deben obtenerse de la dieta, sintetizarse de novo u obtenerse a

partir de la degradación normal de proteínas. Cualquier aminoácido que rebase las necesidades

biosintéticas de la célula se destruye rápidamente. La primera fase del catabolismo incluye la remoción

de los grupos amino alfa (habitualmente por transaminación y ulterior desaminación oxidativa),

formación de amonio y el cetoácido alfa correspondiente (los esqueletos de carbono de los

aminoácidos) (Figura 7.1). Una parte del amonio libre se excreta por la orina, pero la mayor parte se

utiliza para la síntesis de urea, la cual es, en el sentido cuantitativo, la vía de mayor importancia para la

eliminación del nitrógeno del organismo.

Figura 7.1. Resumen del metabolismo proteico

Proteínas de la

dieta

En la segunda fase del catabolismo de los aminoácidos los esqueletos de carbono de los cetoácidos alfa

se convierten en intermediarios comunes de las vías metabólicas productoras de energía. Estos

compuestos pueden metabolizarse a CO2 y agua, glucosa, ácidos grasos o cuerpos cetónicos mediante

las vías metabólicas centrales (Champe et al., 2006).

Así, las proteínas de la dieta cumplen cuatro grandes funciones: los aminoácidos que las constituyen se

utilizan en la síntesis de las proteínas corporales, los esqueletos de carbono de los aminoácidos pueden

oxidarse para producir energía, sus átomos de carbono y nitrógeno pueden utilizarse para sintetizar

metabolitos nitrogenados y pueden ser una fuente de sustancias no nitrogenadas como la glucosa

(Montgomery et al., 1999).

Reserva de

aminoácidos

DIGESTIÓN ABSORCIÓN

Aminas biógenas

y hormonas Proteínas corporales

Creatina

Creatinina

α-cetoácidos NH3 Carbamil fosfato

Ciclo de

Krebs Porfirinas

Hemo

Purinas

Ácido

úrico

Pirimidinas

NH3

Ciclo de

la urea

Urea Bilirrubina



259

7.1.1. Aminoácidos gluconeogénicos y cetogénicos.

Procesos de transaminación y desaminación

Los aminoácidos pueden clasificarse como glucogénicos o cetogénicos, según cuál de los siete

intermediarios se produzca durante su catabolismo. Los aminoácidos cuyo catabolismo produce

piruvato o alguno de los intermediarios del ciclo de Krebs como α-cetoglutarato, succinil coenzima A,

fumarato y oxalacetato, se denominan glucogénicos; estos intermediarios son sustratos para la

gluconeogénesis, por lo que pueden derivarse a la formación neta de glucosa o glucógeno en el hígado,

y de glucógeno en el músculo. Los aminoácidos derivados de la hidrólisis de las proteínas tisulares son

las fuentes principales de glucosa durante el ayuno. Los cetoácidos alfa, como oxalacetato y

cetoglutarato alfa que se derivan del metabolismo de los aminoácidos glucogénicos ya que al entrar al

ciclo de Krebs forman oxalacetato, un precursor directo del fosfoenolpiruvato (Champe et al., 2006;

Laguna y Piña, 2002).

Los aminoácidos cuyo catabolismo produce acetoacetato o alguno de sus precursores (acetil-CoA o

acetoacetil-CoA) se denominan cetogénicos. El acetoacetato es uno de los cuerpos cetónicos, los otros

dos son el 3-hidroxibutirato y la acetona. La leucina y la lisina son los únicos aminoácidos

exclusivamente cetogénicos que contienen las proteínas. Sus esqueletos de carbono no son sustratos

para la gluconeogénesis.

La eliminación del grupo α-amino de los aminoácidos incluye dos tipos de reacciones químicas:

transaminación y desaminación oxidativa.

La presencia del grupo α-amino protege a los aminoácidos de la degradación oxidativa. La remoción

del grupo α-amino es esencial para la producción de energía a partir de cualquier aminoácido, además

de ser un paso obligatorio en el catabolismo de todos los aminoácidos. Una vez removido, el nitrógeno

puede incorporarse en otros compuestos o puede ser excretado cuando se metabolizan los esqueletos de

carbono. Las reacciones de transaminación y desaminación oxidativa finalmente proporcionan amonio

y aspartato que son las fuentes de nitrógeno de la urea.

El primer paso en el catabolismo de la mayoría de los aminoácidos es la transferencia de sus grup -

amino al α-cetoglutarato (Figura 7.2). Los productos son un α-cetoácido (derivado del aminoácido

original) y glutamato (Champe et al., 2006).

El α-cetoglutarato desempeña un papel único en el metabolismo de aminoácidos porque acepta grupos

amino procedentes de otros aminoácidos, por lo tanto, se transforma en glutamato que se produce por

transaminación y puede desaminarse en forma oxidativa, o usar se como un donador de grupos amino

en la síntesis de aminoácidos no esenciales. Una familia de enzimas, las aminotransferasas o

transaminasas, cataliza esta transferencia de grupos amino de un esqueleto de carbono a otro. Estas

enzimas se encuentran en el citosol de las células de casi todo el organismo especialmente en el hígado,

riñón, intestino y músculo. Todos los aminoácidos, excepto la lisina y treonina, se someten a

transaminación en algún punto de su catabolismo. La lisina y la treonina pierden sus grupos α-amino

por desaminación.

Cada aminotransferasa es específica para uno, o cuando mucho, unos cuantos donadores de grupos

amino. Las aminotransferasas se denominan de acuerdo con el donador específico del grupo amino

debido a que el receptor de dicho grupo amino es casi siempre el α-cetoglutarato. La aminotransferasa


260

de alanina la aminotransferasa aspártica catalizan las dos reacciones más importantes de

aminotransferencia.

Figura 7.2. Reacción en la que la aminotransferasa utiliza al cetoglutarato alfa como

receptor del grupo amino


La aminotransferasa de alanina (ALT) es una enzima que antiguamente se llamaba transaminasa

glutámico-pirúvica (TGP) y está presente en muchos tejidos. Cataliza la transferencia de grupos amino

de la alanina al α-cetoglutarato , lo que condiciona la formación de piruvato y glutamato. La reacción

es fácilmente reversible, así, el glutamato actúa como un colector de nitrógeno procedente de la alanina

(Figura 7.3).

Figura 7.3. Reacciones del catabolismo de aminoácidos I


La enzima aminotransferasa aspártica (AST) originalmente se denominaba transaminasa glutámico-

oxalacética (TGO) y es una excepción a la regla de que las aminotransferasas acarrean grupos amino

para formar glutamato. Durante el catabolismo los aminoácidos, la AST transfiere grupos amino del

glutamato al oxalacetato para formar aspartato (Figura 7.4), el cual se usa como fuente de nitrógeno en

el ciclo de la urea.


261

Figura 7.4. Reacciones del catabolismo de aminoácidos II


Todas las aminotransferasas requieren fosfato de piridoxal (derivado de la vitamina B6) como

coenzima, el cual se une en forma covalente al grupo amino épsilon de un residuo específico de lisina

en el sitio activo de la enzima. Las aminotransferasas actúan por transferencia del grupo amino de un

aminoácido a la porción piridoxal de la coenzima para generar fosfato de de piridoxamina. La forma

piridoxamina de la coenzima reacciona entonces con un cetoácido alfa para formar un aminoácido, de

manera simultánea se regenera la forma aldehído de la coenzima (Figura 7.5).

Figura 7.5. Interconversión cíclica de fosfato de piridoxal y fosfato de piridoxamina

durante la reacción de la aminotransferasa de aspartato


Para la mayoría de las reacciones de transaminación la constante de equilibrio es cercana a 1, lo que

permite a la reacción funcionar tanto en la degradación de aminoácidos, mediante la remoción de los

grupos amino alfa (por ejemplo, después de un alimento con alto contenido de proteínas), como en la

biosíntesis, mediante la adición de grupos amino a los esqueletos de carbono de los cetoácidos alfa (por

ejemplo, cuando el aporte de aminoácidos en la dieta no es adecuado para satisfacer las necesidades

sintéticas de las células).


262

A diferencia de las reacciones de transaminación que transfieren grupos amino, la desaminación

oxidativa a cargo de la deshidrogenasa de glutamato induce la liberación de grupos amino en forma de

amonio libre (Figura 7.6). Estas reacciones ocurren primordialmente en el hígado y riñón, aportan

cetoácidos alfa que pueden entrar a la vía central del metabolismo energético, y amonio, que es una

fuente de nitrógeno en la síntesis de urea (Champe et al., 2006).

Figura 7.6. Desaminación oxidativa por la deshidrogenasa de glutamato


Los grupos amino de la mayoría de los aminoácidos se dirigen al glutamato mediante transaminación

con cetoglutarato alfa. El glutamato es particular porque es el único aminoácido que se somete a una

desaminación oxidativa rápida, una reacción catalizada por la deshidrogenasa de glutamato. Por tanto,

la acción secuencial de transaminación (que resulta en la colección de grupos amino de otros

aminoácidos en el cetoglutarato alfa para producir glutamato) y la subsecuente desaminación oxidativa

de ese glutamato (lo que regenera cetoglutarato alfa) aportan una vía para que los grupos amino de la

mayoría de los aminoácidos puedan librarse como amonio.

La deshidrogenasa de glutamato es inusual en el sentido de que puede utilizar ya sea NAD+ o NADP

+

como coenzima. El NAD+ se utiliza primariamente en la desaminación oxidativa (la pérdida simultánea

de amonio acoplada con la oxidación del esqueleto de carbono), y el NADPH se utiliza en la aminación

reductiva (adquisición simultánea de amonio acoplada con la reducción del esqueleto de carbono)

(Figura 7.7).

Figura 7.7. Acciones combinadas de las reacciones de la aminotransferasa y

la deshidrogenasa de glutamato



263

La dirección de la reacción depende de las concentraciones relativas de glutamato, cetoglutarato alfa,

amonio y la proporción entre coenzimas oxidadas y reducidas. Por ejemplo, después de la ingestión de

un alimento proteínico, los niveles de glutamato en el hígado se elevan y la reacción se orienta en

dirección a la degradación de aminoácidos y la formación de amonio, aunque la reacción también

puede usarse para la síntesis de aminoácidos a partir de los cetoácidos alfa correspondientes.

El ATP y el GTP son inhibidores alostéricos de la deshidrogenasa de glutamato, mientras que el ADP

y el GDP son activadores de esta enzima. Por lo tanto, cuando los niveles de energía de la célula están

bajos la degradación de aminoácidos por la deshidrogenasa de glutamato es alta, lo que facilita la

producción de energía a partir de los esqueletos de carbono derivados de los aminoácidos (Champe et

al., 2006).

7.1.2. Catabolismo de los aminoácidos

El catabolismo de los aminoácidos es parte del proceso integral del metabolismo del nitrógeno en el

organismo. El nitrógeno ingresa al organismo mediante una variedad de constituyentes de la

alimentación, los más relevantes de ellos son los aminoácidos que contienen las proteínas de la dieta. El

nitrógeno sale del organismo en forma de urea, amonio y otros productos derivados del metabolismo de

los aminoácidos. El papel de las proteínas es estas transformaciones incluye dos conceptos

trascendentes: el fondo común de aminoácidos y el intercambio de proteínas.

Los aminoácidos que se liberan de la hidrólisis de las proteínas tisulares o de la dieta, o bien, los

sintetizados de novo, se mezclan con otros aminoácidos libres distribuidos en el organismo. En

conjunto integran el fondo común de los aminoácidos. Sólo un 75% de los aminoácidos obtenidos

mediante hidrólisis de proteínas corporales se recupera a través de la biosíntesis de nuevas proteínas

tisulares, el resto se metaboliza o sirve como precursor de los compuestos como porfirinas, creatinina,

neurotransmisores, purinas, pirimidinas y otros compuestos nitrogenados.

La mayoría de las proteínas del organismo está en constante síntesis y degradación, lo que permite la

remoción de proteínas innecesarias o anormales. Para muchas proteínas la regulación de su síntesis

determina la concentración de proteínas en la célula, en estos casos, la degradación de proteínas tiene

un papel menor. Para otras proteínas la tasa de síntesis es constitutiva, o sea, es constante y los niveles

celulares de proteína se controlan mediante degradación selectiva (Champe et al., 2006).

El catabolismo de los aminoácidos normalmente comienza con la eliminación del grupo amino. Los

grupos amino pueden luego eliminarse en la síntesis de la urea. Los esqueletos carbonados que se

producen a partir de los aminoácidos se degradan posteriormente para formar siete productos

metabólicos que son: acetil-CoA, acetoacetil-CoA, piruvato, α-cetoglutarato, succinil-CoA, fumarato y

oxalacetato (Champe et al., 2006; McKee y McKee, 2003). Dependiendo de los requerimientos del

animal, estas moléculas se utilizan para sintetizar ácidos grasos o glucosa o para generar energía. Los

aminoácidos que se degradan para formar acetil-CoA o acetoacetil-CoA se denominan cetogénicos,

debido a que pueden convertirse en ácidos grasos o cuerpos cetónicos. Los esqueletos carbonados de

los aminoácidos glucogénicos, que se degradan a piruvato o a un intermediario del ciclo del ácido

cítrico, pueden utilizarse a continuación en la gluconeogénesis. Tras considerar las rutas de

desaminación y la síntesis de urea, a continuación se describen las rutas que degradan los esqueletos

carbonados descritas por McKee y McKee (2003):

Los α-aminoácidos pueden agruparse en clases, de acuerdo a sus productos finales como acetil-CoA,

acetoacetil-CoA, piruvato, y varios intermediarios del ciclo del ácido cítrico. Como se muestra en la


264

siguiente figura, los grupos α-amino se eliminan al inicio de las rutas catabólicas, los esqueletos

carbonados se convierten en intermediarios metabólicos comunes.

Del total, 10 α-aminoácidos dan acetil-CoA. Este grupo puede dividirse de acuerdo a si el piruvato es

un intermediario en la formación de acetil-CoA. El piruvato se convierte en acetil-CoA por el complejo

piruvato deshidrogenasa. Los aminoácidos cuya degradación implica al piruvato son la alanina, serina,

glicina, cisteína y treonina. Los otros cinco aminoácidos que se convierten en acetil-CoA mediante

rutas que no implican al piruvato son la lisina, triptófano, tirosina, fenilalanina y leucina.

Cinco aminoácidos (Arginina, prolina, histidina, glutamato y glutamina) se degradan a α -

cetoglutarato.

La succinil-CoA se forma a partir del esqueleto carbonado de la metionina, la isoleucina, la valina y la

treonina.

El aspartato y la asparagina se degradan para formar oxalacetato. El aspartato se convierte en

oxalacetato con una única reacción de transaminación. La asparagina inicialmente se hidroliza para dar

aspartato y NH4+ por la asparaginasa (McKee y McKee, 2003).

En la figura 7.8 los aminoácidos glucogénicos se indican en color naranja, los aminoácidos

cetogénicos de color azul, y los pocos aminoácidos tanto glucogénicos como cetogénicos, de color

morado. Los aminoácidos con más de una vía de entrada en las rutas centrales se indican con un

asterisco (Mathews et al., 2005).

Figura 7.8. Destino de los esqueletos carbonados de los aminoácidos



265

7.1.3. Ciclo de la urea

La urea es la forma principal de desecho de los grupos amino derivados de los aminoácidos; representa

cerca de un 90% de los componentes nitrogenados de la orina. Un nitrógeno de la molécula de urea es

aportado por el NH3 (amoníaco) libre y el otro por el aspartato. El glutamato es el precursor inmediato

tanto del amonio mediante desaminación oxidativa por la deshidrogenasa de glutamato, así como el

glutamato es el precursor del nitrógeno del aspartato mediante la transaminación del oxalacetato por la

aminotransferasa aspártica. El carbono y el oxígeno de la urea derivan del CO2. La urea se produce en

el hígado y se transporta después en la sangre a los riñones para ser excretada en la orina (Champe et

al., 2006).

En los organismos ureotélicos, definidos por Mathews et al. (2005) como los organismos que excretan

la mayor de su nitrógeno en forma de urea, el ciclo de la urea (Figura 7.9) elimina aproximadamente el

95% del nitrógeno sobrante. La urea se forma a partir de amoníaco, CO2 y aspartato en una ruta cíclica

denominada ciclo de la urea, ciclo de la urea de Krebs o ciclo de Krebs-Henseleit .

La síntesis de urea tiene lugar en los hepatocitos y comienza con la formación de carbamoil fosfato en

la matriz mitocondrial. Los sustratos de esta reacción que cataliza la carbamoil fosfato sintetasa I, son

NH4+ y HCO3

-. La fuente de nitrógeno de la carbamoil fosfato sintetasa II, la enzima que participa en la

síntesis de pirimidinas, es la glutamina.

Así, el ciclo de la urea convierte el NH4+ (amonio) en urea, una molécula menos tóxica. En la imagen

siguiente se muestra en color las fuentes de los átomos de la urea. La citrulina se transporta a través de

la membrana inteARN por un transportador de aminoácidos neutros. La ornitina se transporta mediante

intercambio con H+ o citrulina. El fumarato se transporta de vuelta a la matriz mitocondrial para su

reconversión en malato mediante transportadores para el α-cetoglutarato o los ácidos tricarboxílicos.

Como en la síntesis de carbamoil fosfato se requieren dos moléculas de ATP, esta reacción es

esencialmente irreversible (una molécula de ATP se usa para activar el HCO3- y la segunda molécula se

utiliza para fosforilar el carbamato. El carbamoil fosfato reacciona a continuación con la ornitina para

formar citrulina. Esta reacción, que cataliza la ornitina transcarbamoilasa, se lleva hasta completarse

debido a que se libera fosfato del carbamoil fosfato. El carbamoil fosfato tiene un potencial de

transferencia de grupo fosfato elevado. Una vez formada, la citrulina se transporta al citoplasma, donde

reacciona con el aspartato para formar arginosuccinato (el grupo α-amino del aspartato, que se forma a

partir del oxalacetato mediante reacciones de transaminación en el hígado, proporciona el segundo

nitrógeno que se incorpora en última instancia en la urea). Esta reacción, que está catalizada por la

arginosuccinato sintasa, es reversible. Se impulsa hacia adelante por la rotura del pirofosfato por la

pirofosfatasa. A continuación, la arginosuccinato liasa rompe el arginosuccinato para formar Arginina

(el precursor inmediato de la urea) y fumarato. En la reacción final del ciclo de la urea, la arginasa

cataliza la hidrólisis de la Arginina para formar ornitina y urea. Una vez formada, la urea difunde fuera

de los hepatocitos al torrente sanguíneo. Finalmente se elimina en la orina por el riñón. La ornitina (un

aminoácido básico) vuelve a las mitocondrias para condensarse con el carbamoil fosfato e iniciar de

nuevo el ciclo. Debido a que la arginasa sólo se encuentra en cantidades significativas en el hígado de

los animales ureotélicos, la urea sólo se produce en este órgano.

Tras su transporte de vuelta a la matriz mitocondrial, el fumarato se deshidrata para formar malato, un

componente del ciclo del ácido cítrico. El producto oxalacetato del ciclo del ácido cítrico puede

utilizarse para generar energía o puede convertirse en glucosa o aspartato.


266

Figura 7.9. Ciclo de la urea


El aspartato que se utiliza en la síntesis de urea se genera a partir de oxalacetato, un intermediario del

ciclo del ácido cítrico. En la síntesis de una molécula de urea se consumen cuatro fosfatos de energía

elevada. Se requieren dos moléculas de ATP para regenerar el ADP a partir del AMP, y dos moléculas

de ATP a partir de dos moléculas de ADP.

Como el amoníaco es tan tóxico, el ciclo de la urea está estrictamente regulado. Existen mecanismos

reguladores a corto y largo plazo. Las concentraciones de las cinco enzimas del ciclo de la urea se

alteran por variaciones del consumo de proteínas en el alimento. Varios días después de un cambio

alimentario, hay variaciones de las concentraciones enzimáticas de dos o tres veces. Se cree que varias

hormonas como el glucagón y los glucocorticoides participan en las modificaciones de las velocidades

de síntesis de las enzimas. Las enzimas del ciclo de la urea están controladas a corto plazo por las


267

concentraciones de sus sustratos. La carbamoil fosfato sintasa I también está activada de forma

alostérica por el N-acetilglutamato que es un indicador sensible de las concentraciones celulares de

glutamato. Una cantidad significativa de NH4+ procede del glutamato. El N-acetilglutamato se produce

a partir del glutamato y acetil-CoA en una reacción catalizada por la N-acetilglutamato sintasa (McKee

y McKee, 2003).

El amonio se produce en todos los tejidos durante el metabolismo de una gran variedad de compuestos

y se desecha principalmente por medio de la formación de urea en el hígado (Figura 7.10). Sin

embargo, el nivel de amonio en la sangre debe mantenerse muy bajo, porque concentraciones incluso

ligeramente elevadas (hiperamonemia) son tóxicas para el sistema nervioso central (Champe et al.,

2006).

Figura 7.10. Metabolismo del amonio


7.1.4. Síntesis de aminoácidos

El esqueleto de los aminoácidos no esenciales puede derivarse de intermediarios glucolíticos y del

ciclo de Krebs. La alanina y la serina pueden derivar de intermediarios glucolíticos y la glicina puede

obtenerse de la serina. Los átomos de carbono de la cisteína pueden derivarse de la serina a través de la

cistationina. Los átomos de carbono del aspartato y la asparagina pueden derivarse del oxalacetato, y

los átomos de carbono del glutamato, la glutamina y la prolina pueden ser derivados del α-cetoglutarato

(Figura 7.11). La tirosina (no esencial) puede derivarse de la fenilalanina (esencial) (Roskoski, 2001).

La síntesis a partir de los cetoácidos alfa se da en la alanina, aspartato y glutamato, se sintetizan por

transferencia de un grupo amino a los cetoácidos piruvato alfa, oxalacetato y cetoglutarato alfa,

respectivamente (Figura 7.12). Estas reacciones de transaminación son las más directas de las vías

biosintéticas. El glutamato es inusual porque también puede sintetizarse por la reacción inversa a la

desaminación oxidativa, catalizada por la deshidrogenasa de glutamato.


268

Figura 7.11. Biosíntesis de los aminoácidos indicando con las flechas el número

de reacciones en cada ruta

Se indica con asteriscos los aminoácidos no esenciales para los mamíferos



269

Figura 7.12. Formación de alanina, aspartato y glutamato a partir de los cetoácidos alfa

correspondientes


7.1.5. Integración del metabolismo de aminoácidos con

el de carbohidratos y lípidos

La primera premisa sobre la integración del metabolismo celular es la coordinación entre los procesos

anabólicos y catabólicos. La función primordial de las vías catabólicas es la oxidación de los sustratos,

derivados de los carbohidratos, los lípidos o los aminoácidos, para generar NADH y FADH2 y

finalmente ATP, la moneda energética celular. La función del anabolismo es la de formar las moléculas

propias de la célula a partir de un pequeño número de moléculas precursoras, con el concurso del

NADPH y del ATP. Los equivalentes reductores generados durante el catabolismo son el NADH y el

FADH2, mientras que durante el anabolismo se utiliza el NADPH, todo lo cual coadyuva a una mejor

coordinación e integración metabólica. El ATP es el puente de unión entre el catabolismo donde se

genera y en anabolismo donde se usa; la síntesis de moléculas propias de la célula (glucógeno, lípidos

especializados, proteínas, ARN, ADN, etc.), sólo podrá existir si existe ATP disponible (Figura 7.13).

Moléculas como el ATP, el NADH y otras, funcionan como señales que inhiben vías metabólicas

responsables de su misma generación, o bien, activan vías metabólicas encargadas de la biosíntesis de

compuestos propios de la células (Cuadro 7.1)). De manera recíproca, un exceso en la poza de

moléculas como el ADP, el NAD+ y otras, funcionan como señales de carencia de energía para la

síntesis de compuestos propios de la célula, que activarán vías que formen más ATP y NADH, e

inhibirán vías metabólicas que los consuman (Laguna y Piña, 2002).


270




271

Cuadro 7.1. Principales moduladores fisiológicos de las vías metabólicas en un hepatocito


Otra conexión entre los procesos catabólicos y anabólicos que coadyuva en la coordinación de ambas

vías es a nivel celular. Las moléculas producidas a lo largo del catabolismo son los bloques que se

utilizan en el anabolismo para la síntesis de moléculas propias de la célula. En realidad se trata de unos

cuantos precursores con los cuáles la célula llega a formar hasta cientos y miles de compuestos propios.

Un excelente ejemplo son los aminoácidos y proteínas. El catabolismo de las proteínas da lugar a 20

aminoácidos, bloques precursores con los que la célula, en una etapa posterior y con suficiente energía

disponible, llega a formar sus propias proteínas: cientos de copias idénticas de unas cuantas miles de

proteínas, distintas entre sí. El ejemplo ilustra, a decir de Laguna y Piña (2002), la elegancia y sencillez

de la solución y la coordinación e integración del metabolismo.

En la Figura 7.14 se muestra la relación entre el metabolismo de los aminoácidos y el de carbohidratos

y lípidos.


272

Figura 7.14. Interconversión de los principales alimentos


7.2. Ácidos nucleicos

Durante incontables siglos, los seres humanos hemos observado los patrones de herencia sin entender los

mecanismos que transmiten los rasgos físicos y los procesos evolutivos de los padres a la progenie.

Muchas culturas humanas han usado estas observaciones para mejorar sus condiciones económicas, como

en la crianza de los animales domésticos o en los cultivos. La investigación científica de la herencia, que

actualmente se denomina genética, empezó hasta el siglo XIX. Al comienzo del siglo XX, los científicos

comenzaron a admitir de forma generalizada que los rasgos físicos se heredaban en unidades discretas

(genes) y que los cromosomas del interior del núcleo son los depositarios de la información genética.

Finalmente se eludió la composición química de los cromosomas y se identificó el ADN como la

información genética. En la actualidad, al conjunto completo de esta información de un organismo,

codificado en la secuencia de nucleótidos de su ADN, se denomina su genoma.


273

La biología molecular es la ciencia que se dedica a elucidar la estructura y función de los genomas. El

descubrimiento de la estructura de ADN como un conjunto helicoidal dúplex de polímeros de nucleótidos

por James Watson y Francis Crick en 1953 ha permitido a los científicos reexaminar a la mayoría de los

fenómenos biológicos usando herramientas investigadoras descubiertas por los biólogos moleculares y los

bioquímicos.

La información codificada en el ADN, que dirige el funcionamiento de las células y que se transmite a

la progenie, consiste en una secuencia específica de bases nitrogenadas. La síntesis de ADN comporta

el apareamiento complementario de las bases de los nucleótidos de las dos cadenas del ADN. La

función fisiológica y genética del ADN requiere la síntesis de copias relativamente sin errores. El

mecanismo de descodificación y de utilización de la información genética en la dirección de los

procesos celulares comienza con la síntesis del ARN que tiene lugar mediante el apareamiento

complementario de las bases de los ribonucleótidos con las bases de una molécula de ADN. En la

síntesis de las enzimas, las proteínas estructurales y otros polipéptidos que se requieren para la síntesis

de las demás biomoléculas que intervienen en la función del organismo, participan varias clases de

ARN (McKee y McKee, 2003).

La secuencia de la Figura 7.15 se denomina dogma central de la biología molecular, ya que indica el flujo

de la información genética. En dicha figura se muestra el sentido de los flujos de información en la

replicación, la transcripción y la traducción (Nelson y Cox, 2001).

Figura 7.15 Flujo de la información biológica


La síntesis de ADN se denomina replicación (copiar o duplicar). La transcripción es el proceso en el que

se utiliza ADN para sintetizar ARN y cada molécula de ARN se denomina transcrito. La síntesis de

proteínas se denomina traducción (McKee y McKee, 2003).

7.2.1. Bases nitrogenadas

Las bases nitrogenadas presentes en los ácidos nucleicos derivan de dos estructuras planas cíclicas

nitrogenadas básicas: purina y pirimidina. Las bases pirimidínicas (citosina, timina y uracilo) y las

purínicas (adenina y guanina) derivan fundamentalmente de la sustitución de átomos de hidrógeno por

grupos amino o hidroxilo en diferentes posiciones del anillo pirimidínico o purínico, respectivamente.

Debido al fenómeno de tautomería cetoenólica, las bases nitrogenadas pueden presentar diversas formas

tautoméricas en función del pH del medio. A pH fisiológico, la estructura ceto es la forma predominante.


274

Las formas tautoméricas de las bases nitrogenadas difieren en su capacidad para formar enlaces por

puentes de hidrógeno, siendo este tipo de enlaces fundamental para las interacciones moleculares de los

ácidos nucleicos, que afectan tanto a su propia síntesis como a la síntesis de proteínas (Figura 7.16).

Figura 7.16. Bases nitrogenadas y tautomería cetoenólica


A parte de las cinco bases nitrogenadas mayoritarias de los ácidos nucleicos, existen otras bases purínicas

y pirimidínicas minoritarias que también forman parte de ciertos tipos de ácidos nucleicos (dihidrouracilo,

5-metilcistosina, tiouracilo, bases Q e Y, etc.), o bien se forman como intermedios de las rutas metabólicas

de los ácidos nucleicos (hipoxantina, xantina).

Los nucleósidos (Figura 7.17) se forman por la unión de una base nitrogenada con la D-ribosa

(ribonucleósido) o con la 2´-desoxirribosa (desoxirribonucleósidos). La unión de la base y el azúcar se

produce mediante un enlace β-N-gucosídico entre el carbono anomérico de la azúcar y el nitrógeno N1 de

la pirimidina o el nitrógeno N9 de la purina. La posibilidad de rotación del enlace C-N glucosídico

determina que los nucleósidos puedan adoptar diferentes conformaciones espaciales en disolución (syn,

anti…).

Figura 7.17. Estructura general de los nucleósidos y nucleótidos



275

La adición de un grupo fosfórico o fosfato a un nucleósido origina un nucleótido (ribonucleótido o

desoxirribonucleótido en función de la pentosa) (Figura 7.17). Los nucleótidos que incorporan un solo

grupo fosfato se denominan monucleósidos monofosfato (NMF), y los más abundantes son aquellos en los

que el grupo fosfato se encuentra unido al carbono 5´de la pentosa. El enlace que mantiene unido el grupo

fosfato al nucleósido es un éster fosfato. Cuando el enlace éster se forma entre el ácido fosfórico y las

posiciones C3ó C2´de la ribosa o C3´de la desoxirribosa se obtienen nucleósidos monofosfato 3ó 2´. En

algunos casos, el grupo fosfórico forma dos enlaces éster entre los hidroxilos 3ý 5´de la ribosa, dando

lugar a los denominados nucleótidos cíclicos. De ellos el más importante es el denominado AMP cíclico

(AMPc) (Figura 7.18), que es una molécula que ejerce importantes funciones como regulador del

metabolismo, formándose en la célula en respuesta a la acción de diferentes hormonas, para funcionar

como un segundo mensajero (Cuadro 7.2).

Figura 7.18. Estructuras del AMP cíclico y del ATP


Cuadro 7.2. Nomenclatura de los nucleósidos y nucleótidos (5´-monofosfato)


Otros tipos de nucleótidos existentes en la célula son los nucleósidos difosfato (NDF) y los nucleósidos

trifosfato (NTF), que incorporan uno o dos grupos fosfato al grupo fosfato de la posición 5´. Los

nucleósidos trifosfato (tanto el ribonucleósido trifosfato, NTF, como la desoxirribonucleósidos

trifosfato, dNTF) son las unidades estructurales que sirven para la síntesis de los ácidos nucleicos,

aunque algunos de ellos como el ATP o GTP ejercen, además, importantes funciones intracelulares

tanto en las reacciones de intercambio energético y fosforilación de proteínas (ATP) como en la

modulación de gran número de proteínas reguladoras (GTP). Ciertos nucleótidos forman parte de

determinadas coenzimas como NAD+, FAD, coenzima A, etc.

La unión de dos mononucleótidos por enlace fosfodiéster, entre el grupo fosfato de la posición 5´de uno

de ellos y el hidroxilo de la posición 3´del otro, da lugar a un dinucleótido. La formación de un nuevo

enlace fosfodiéster entre un dinucleótido y un nuevo nucleótido origina la formación de un trinucleótido, y

la incorporación sucesiva de nuevos nucleótidos da lugar a la formación de trinucleótido, y la

incorporación sucesiva de nuevos nucleótidos da lugar a la formación de un polinucleótido (Figura 7.19).


276

Figura 7.19. Estructura de la cadena polinucleotídica de ARN


La estructura química básica de las moléculas de los ácidos nucleicos es una cadena polinucleotídica

formada por la repetición de unidades (nucleótidos) unidas por enlaces típicos: enlaces fosfodiéster entre la

posición entre la posición 5´de un nucleótido y la 3´del nucleótido adyacente. La cadena polinucleotídica

está formada por un esqueleto de uniones pentosa-fosfato alteARNnte, común a cualquier molécula de

ácido nucleico, y una sucesión de bases nitrogenadas unidas a las pentosas por enlaces N-glucosídicos, que

forman la denominada secuencia. El esqueleto de la cadena polinucleotídica tiene una determinada

polaridad, marcada por la unión de los grupos fosfato a diferentes posiciones de la pentosa. Se toma como

sentido normal de la cadena el de 5´a 3´, por lo que la secuencia de base a lo largo de la cadena se suele

leer: 5´→3´ (Lozano et al., 2000)

7.2.2. Estructura y función de los ácidos nucleicos

Desde el punto de vista químico los ácidos nucleicos son polinucleótidos, es decir, moléculas poliméricas

formadas por la repetición de unidades sencillas, los mononucleótidos, los cuáles se mantienen unidos

entre sí por medio del enlace diéster fosfórico o fosfodiéster. La rotura hidrolítica de estos enlaces produce

la transformación de los ácidos nucleicos en una mezcla de desoxinucleótidos (en el caso del ADN) o de

ribonucleótidos (en el caso del ARN). La degradación hidrolítica de estas unidades produce a su vez, una

mezcla de tres componentes característicos de los nucleótidos: ácido ortofosfórico, una pentosa y una base

nitrogenada. Mientras que el ADN está formado por cuatro bases nitrogenadas: adenina (A), guanina(G),

citosina (C) y timina (T), y 2-desoxirribosa como pentosa, mientras que el ARN posee ribosa en lugar de

desoxirribosa y cuatro bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y uracilo (U), en vez de timina

(Figura 7.20) (Lozano et al., 2000; Jiménez y Merchant, 2003).

Los ácidos nucleicos son macromoléculas celulares, llamadas así originalmente por su tamaño, por su

reacción ácida y por su localización nuclear. El ácido desoxirribonucleico (ADN) reside principalmente en

el núcleo, en las mitocondrias y en los cloroplastos de organismos eucariotas, mientras que el ácido

ribonucleico (ARN), tiene una distribución aún más amplia; se le encuentra también en el citoplasma y

asociado al retículo endoplásmico. Su localización estriba en sus funciones celulares. El ADN, el portador

permanente de la información genotípica celular, puede determinar el fenotipo celular desde el interior del

núcleo gracias a la transcripción de su información en ARN, moléculas efímeras que viajan a otros


277

compartimientos celulares para ejecutar las instrucciones genotípicas en ellas transcritas. Los organismos

procariotas carecen de núcleo celular (Laguna y Piña, 2002).

Figura 7.20. Formas abreviadas de representación de cadenas de ácidos nucleicos


Ácido desoxirribonucleico (ADN): Las moléculas de ADN son relativamente estables, pero por

hidrólisis dan lugar a las cuatro bases nitrogenadas: A, G, C y T, 2-desoxirribosa y fosfato. La

composición en cuanto a bases nitrogenadas es característica de cada ADN en particular, existiendo en

todos los ADN una proporción determinada entre las mismas: así, la concentración molar de A es igual a

la de T, mientras que la de G es igual a la de C. Esto determina que el porcentaje G+C, se pueda saber el

contenido de cada una de las bases. El valor de G+C varía entre los ADN de especies diferentes, siendo

constante para todas las células de un individuo de una especie determinada.

Las moléculas de ARN son más inestables que las de ADN, y por hidrólisis producen bases

nitrogenadas (A, G, C y U), ribosa y fosfato. Las moléculas de ARN albergan una proporción variada

de bases, no existiendo entre ellas relaciones similares a las encontradas en el ADN. Existen distintos

tipos de ARN, con propiedades y funciones más diversas que las que se encuentran en el ADN. Las

moléculas de ARN sirven como portadoras de la información genética en determinados tipos de virus,

mientras que en la célula el ARN puede llevar a cabo funciones de transmisor temporal de parte de la

información genética (ARN mensajero o ARNm), o bien participar en el proceso de síntesis de

proteínas o como componente esencial de parte de la maquinaria biosintética: ARN de transferencia

(ARNt) y ARN ribosomal (ARNr). Algunos tipos de ARN sirven como precursores de otros tipos de

ARN como el ARN nuclear heterogéneo (ARNhn) o participan en la formación de otras partículas

celulares, como los espliceosomas, las partículas de reconocimiento de las señales, etc.

Las cadenas polinucleotídicas de ADN y ARN son similares, ya que sólo se diferencian en que la

pentosa es 2-desoxirribosa en el ADN y ribosa en el ARN, y en que el ADN utiliza la base timina en


278

lugar de uracilo, que es típico del ARN. La ausencia de hidroxilo en la posición 2´del azúcar en el

ADN confiere una mayor estabilidad a los enlaces fosfodiéster; por ello, las cadenas de ADN son más

estables que las de ARN. El hecho de que las moléculas de ADN posean T en lugar de U permite que

las desaminaciones espontáneas que transforman C en U en el ADN den lugar a la aparición de una

base anómala en el ADN, alteración que puede ser corregida por sistemas que eliminan el uracilo como

base extraña del ADN, reparación que no podría hacerse si el uracilo fuese un componente normal del

ADN.

En el esqueleto de la cadena polinucleotídica, debido a la presencia de los grupos fosfato, se localiza un

gran número de cargas negativas, mientras que las pentosas y las bases nitrogenadas no se encuentran

ionizadas a pH fisiológico. Las moléculas polinucleotídicas se comportan como polianiones que adoptan

una conformación más estable mediante el plegamiento espacial de la cadena (Lozano et al., 2000).

El ADN es el depositario de la información genética. Su estructura consta de dos cadenas de

polinucleótidos enrolladas una alrededor de la otra para formar una doble hélice a (Figura 7.21).

Figura 7.21. Estructura del ADN


En la Figura 7.21 se observa que los esqueletos azúcar-fosfato de la doble hélice están representados por

cintas coloreadas. Las bases unidas al azúcar desoxirribosa están en el interior de la hélice.

La doble hélice se forma por el apareamiento complementario entre las bases mediante la formación de

enlaces de hidrógeno. La adenina se aparea con la timina, y la guanina con la citosina. Cada gen está

formado por una secuencia lineal de bases específicas y singulares.

Se han medido con precision las dimensiones del ADN: una vuelta de la doble hélice ocupa 3.4 nm y está

formada por aproximadamente 10.4 pares de bases, aunque los cambios de pH y de concentración salina

afectan estos valores ligeramente. El diámetro de la doble hélice es 2.4 nm. El espacio interior de la doble


279

hélice sólo es adecuado para el apareamiento de una purina y una pirimidina. El apareamiento de dos

pirimidinas crearía un hueco y el apareamiento de purinas desestabilizaría la hélice. La distancia entre los

pares de bases adyacentes es de 0.34 nm (Figura 7.22) (McKee y McKee, 2003).

En la Figura 7.22 la doble hélice del ADN se representa como una escalera de caracol. Los lados de la

escalera representan los esqueletos azúcar-fosfato. Los peldaños representan los pares de bases.

Figura 7.22. Dimensiones de la estructura de ADN


Debido a que la uniones entre las dos cadenas del ADN son débiles (enlaces por puentes de hidrógeno

e interacciones entre bases), es posible separar parcial o totalmente ambas cadenas con un aporte bajo

de energía. La separación parcial de segmentos de las cadenas tiene lugar de manera natural durante los

procesos relacionados con la síntesis de ácidos nucleicos. La separación total de las cadenas de ADN

bicatenario en disolución recibe el nombre de desnaturalización, y ésta se puede conseguir fácilmente

elevando el pH de la disolución o por calentamiento de la misma. La temperatura requerida para

separar las cadenas está directamente relacionada con el contenido en G+C, ya que cuanto más elevada

sea la proporción de G+C, mayor será el promedio de enlaces por puentes de hidrógeno, puesto que el

par G+C posee tres enlaces por sólo dos del par A-T. El proceso es reversible; al restablecerse las

condiciones normales, las cadenas complementarias vuelven a aparearse para formar la estructura

bicatenaria, mediante el proceso de renaturalización (Figura 7.23).

El ADN del núcleo de las células eucariotas presenta una organización estructural compleja, en la que

participa un conjunto de proteínas diferentes que interactúan con las cadenas lineales de ADN para

formar la cromatina cuya estructura es variable, pudiéndose encontrar en estados pocos compactos en

forma de fibras delgadas (10 nm de grosor) o en otros más empaquetados, como el que presentan los

cromosomas durante la metafase.


280

Figura 7.23. Desnaturalización y renaturalización del ADN


La cromatina (Figura 7.24) está formada por ADN y proteínas en cantidades casi equivalentes, siendo

las histonas las proteínas más abundantes de la cromatina. Las histonas son proteínas ricas en

aminoácidos básicos, por lo que están cargadas positivamente a pH fisiológico, de bajo peso molecular.

Existen cinco histonas principales en las células de los mamíferos, denominadas H1, H2A, H2B, H3 y

H4. Las histonas son proteínas que muestran una gran conservación de secuencia, siendo las histonas

H3 y H4 idénticas en los diferentes tipos de vertebrados. Cuatro de las histonas se asocian para dar

lugar a un octámero formado por dos copias de las histonas H2A, H2B, H3 y H4. Una porción de

ADN, de aproximadamente 200 pares de bases, se enrolla sobre el octámero de histonas y da lugar a la

formación del nucleosoma (Figura 7.25), que es el componente unitario y repetitivo de la fibra de

cromatina de 10 nm. El ADN se enrolla dando un poco menos de dos vueltas sobre el octámero

(aproximadamente 80 pares de bases por vuelta), por lo que alrededor de 146 pares de bases están en

estrecho contacto con el octámero, mientras que el resto del ADN, denominado ADN espaciador, se

encuentra uniendo nucleosomas adyacentes, estando este ADN en contacto con la histona H1.

Figura 7.24. Estructura de la cromatina



281

Figura 7.25. Estructura del nucleosoma


La fibra fina de cromatina, con aspecto de un collar de cuentas, adquiere un plegamiento espacial para

dar lugar a una fibra más gruesa (30 nm) en la que los nucleosomas están organizados en forma de

selenoide, ocupando 6 nucleosomas cada vuelta helicoidal de la fibra. Este plegamiento empaqueta el

ADN unas 50 veces, aunque la cromatina, para alcanzar la organización del cromosoma metafásico,

requiere un empaquetamiento adicional de unas 100 veces.

En la Figura 7.26 se muestra otra imagen de la estructura de la cromatina en los cromosomas

metafásicos.

Figura 7.26. Niveles de organización de la molécula de ADN

Fuente: Jiménez y Merchant (2003)

El número 1 de la Figura 7.26 muestra la molécula de ADN de 2nm de diámetro, el número 2 se

muestra que el ADN se enreda alrededor de un octámero de histonas para formar estructuras discretas

de 10 nm de diámetro o nucleosomas, el número 3 muestra que la histona H1 compacta a los

nucleosomas y éstos forman una hélice o selenoide de 30 nm de diámetro y el número 4 se muestra que

el selenoide se organiza en asas muy compactas de 60 nm de diámetro y 300 nm de largo.

A diferencia del ADN nuclear, el ADN mitocondrial está formado por un genoma de ADN circular,

que presenta una organización mucho más sencilla (Lozano et al., 2000).


282

Ácido ribonucleico (ARN): En el ARN los nucleótidos están unidos por enlaces fosfodiéster. El

ARN es de cadena sencilla (Figura 7.27). Las moléculas de ARN se doblan en estructuras tridimensionales

creadas por las regiones locales de apareamiento complementario de bases. Durante un proceso complejo,

la doble hélice del ADN se desenrrolla parcialmente y se sintetizan las moléculas de ARN utilizando una

cadena de ADN como molde.

Figura 7.27. Estructura general del ARN

Fuente: Jiménez y Merchant (2003)

Existen 3 tipos de ARN: ARNm, ARNt y ARNr. Cada secuencia singular o molécula de ARNm posee la

información que codifica directamente la secuencia de aminoácidos de un polipéptido específico. Los

ribosomas, estructuras supramoleculares grandes y complejas formadas formadas por ARNr y moléculas

proteicas, convierten la secuencia de bases del ARNm en la secuencia de aminoácidos de un polipéptido.

Las moléculas de ARNt actúan como adaptadoras durante la síntesis de proteínas. Cada clase de molécula

de ARNt se une a un aminoácido específico. Cada polipéptido se construye al traducirse en cada ribosoma

la información de la secuencia de bases del ARNm por el apareamiento de bases entre las moléculas de

ARNm y ARNt. Al aproximarse los aminoácidos se forman los enlaces peptídicos (McKee y McKee,

2003).

Las moléculas de ARN suelen ser en la mayor parte de los casos monocatenarias y de tamaño mucho

menor que el de las moléculas de ADN, oscilando desde alrededor de 70 nucleótidos en las moléculas de

ARNt hasta más de 100 000 en algunas moléculas de ARNnh (Lozano et al., 2000).


283

En las moléculas de ARN monocatenario se pueden producir apareamientos intracatenarios entre regiones

cortas que poseen secuencias complementarias, lo que da lugar a la formación de pequeñas zonas

bicatenarias, denominadas horquillas (Figura 7.28).

Figura 7.28. Estructura del ARN donde se muestran las regiones con apareamiento intracatenario de bases


La formación de determinadas estructuras de este tipo en las moléculas de ARN naciente puede controlar

el proceso de la transcripción. En otros casos estas estructuras están presentes en las moléculas maduras de

ARN (ARNt y ARNr), en las que existen diferentes regiones de apareamiento intracatenario, que dan lugar

a la formación de estructuras helicoidales características.

En algunos casos se conoce la estructura tridimensional de las moléculas de ARN, como en el ARNt,

siendo esta estructura fundamental para el plegamiento espacial de la cadena de ARN y, por ende, para el

mantenimiento de la función biológica.

En las células, el ARN es más abundante que el ADN, ocupando el ARNr alrededor del 80% del total,

seguido del ARNt con 15% y el ARNm 5% del total de ARN celular. Aunque la mayor parte de los ARN

tienen una función relacionada con el proceso de síntesis de proteínas, se han identificado moléculas de

ARN que presentan por sí mismas una actividad catalítica semejante a la de las enzimas, por lo que se

conocen con el nombre de ribosomas (Lozano et al., 2000)

7.2.3. Réplica de ADN

La información genética almacenada en la secuencia de nucleótidos del ADN sirve a dos propósitos: es la

fuente de información para la síntesis de todas las moléculas de proteína, tanto de la célula como del

organismo, y proporciona la información heredada a las células hijas o a los descendientes. Ambas

funciones requieren que la molécula de ADN sirva como un molde, en el primer caso para la transcripción

de la información en el ARN, y en el segundo para la replicación de la información en las moléculas hijas

de ADN.

La complementariedad del modelo de ADN de doble cadena de Watson y Crick sugiere fuertemente que

la replicación de la molécula de ADN ocurre en una forma semiconservadora. De esta manera, cuando

cada una de las cadenas de la molécula madre de ADN de doble cadena se separa de su complemento

durante la replicación, cada una sirve como un molde sobre el cual se sintetiza una nueva cadena

complementaria (Figura 7.29).

Las dos moléculas hijas de ADN recién formadas, cada una de las cuales contiene una cadena (son

complementarias más que idénticas) de la molécula madre de doble cadena, se distribuye entre las dos

hijas. Cada célula hija contiene moléculas de ADN con información idéntica a la que posee la madre; así,

en cada célula hija, sólo se ha semiconservado la molécula de ADN de la célula madre (Murray et al.,

2001).


284

Figura 7.29. Estructura de doble cadena de ADN y función de molde de cada cadena

antigua


La principal función de la replicación del ADN se entiende que es la provisión de una progenie con la

información genética poseída por los padres. Así, la replicación del ADN debe ser completa y llevada a

cabo con una alta fidelidad para mantener la estabilidad genética dentro del organismo y las especies. Este

proceso de replicación del ADN es complejo e involucra muchas funciones celulares y algunos

procedimientos de verificación, para asegurar la fidelidad de la replicación.

Cerca de 30 proteínas están involucradas en la replicación del cromosoma de E. coli, y este proceso es sin

duda más complejo en los organismos eucariotas (Murray et al., 2001). Las enzimas participantes en el

proceso de replicación del ADN son polimerasas dirigidas por molde que pueden sintetizar la secuencia

complementaria de cada cadena con extraordinaria fidelidad.

En los eucariotas la replicación comienza en múltiples sitios a lo largo de la hélice de ADN (Figura

7.30). Estos sitios incluyen una pequeña secuencia formada casi exclusivamente por pares de bases AT

(esto se conoce como secuencia de concenso, porque el orden de los nucleótidos es el mismo en cada


285

sitio). La presencia de múltiples sitios de replicación proporciona un mecanismo para la replicación

rápida de la gran longitud de las moléculas de ADN de los eucariotas.

Figura 7.30. Replicación del ADN: orígenes y tenedores de replicación.

ADN eucariota muy largo


Cuando las dos cadenas se destuercen y separan, forman una “V” en la que ocurre la síntesis activa.

Esta región se denomina tenedor de replicación. Se mueve a lo largo de la molécula de ADN conforme

se produce la síntesis. La replicación del ADN de cadena doble es bidireccional, así, los tenedores de

replicación se mueven en ambas direcciones a partir del origen, como se observa en la Figura 7.29.

Para que se inicie la replicación del ADN es necesario que un grupo de proteínas que forman el

complejo precebador reconozca el origen de replicación. Estas proteínas son las encargadas de

mantener la separación de las cadenas originales y de desenredar la doble hélice frente al tenedor de

replicación en avance. Estas proteínas incluyen las siguientes:

► Proteína ADN-A: entre 20 y 50 monómeros de proteína ADN-A se unen con secuencias específicas

de nucleótidos al principio de la replicación, que es muy rica en pares de bases AT. Este proceso que

ocupa ATP hace que la cadena doble de ADN se disuelva; o sea que las cadenas se separan y forman

regiones localizadas de ADN de cadena sencilla.

► Proteínas de unión con ADN de cadena sencilla (SSB): también denominadas proteínas

desestabilizadoras de la hélice; sólo se unen con ADN de cadena sencilla de forma cooperativa, o sea,

que la unión de una molécula de proteína SSB facilita la unión firme de más moléculas de proteína SSB

con la cadena de ADN. Las proteínas SSB no son enzimas, sirven para cambiar el equilibrio entre el

ADN de cadena doble y de cadena sencilla en la dirección de las formas de una sola cadena. Estas

proteínas mantienen las cadenas de ADN separadas en el área de origen de la replicación, lo que brinda

el molde de una sola cadena que necesitan las polimerasas y protege al ADN de las nucleasas que

dividen al ADN de cadena sencilla.


286

► Helicasas de ADN: estas enzimas se unen con ADN de cadena sencilla cerca del tenedor de

replicación y luego se mueven a la región vecina de cadena doble, con lo que obliga a las cadenas a

separarse y desenreda la doble hélice. Las helicasas requieren energía que proviene del ATP. Cuando

las cadenas se separan, las proteínas SSB se unen y previenen la reformación de la doble hélice (Figura

7.31).

Figura 7.31. Proteínas encargadas de mantener la separación de las cadenas originales y desenredar las

cadenas originales y desenredar la doble hélice frente al tenedor de replicación que avanza


Conforme se separan las dos cadenas de la hélice doble, aparece el problema la aparición de posibles

superhélices o supergiros en la región del ADN frente al tenedor de replicación. Las superhélices

positivas (Figura 7.32) que se acumulan interfieren con el destorcido de la doble hélice. Para resolver

este problema, hay un grupo de enzimas llamadas topoisomerasas de ADN que eliminan las

superhélices.

Figura 7.32. Superhélice positiva producida por la separación de la cadena de ADN


Las topoisomerasas de ADN tipo I cortan en forma reversible una cadena sencilla de la hélice doble

(Figura 7.33). Tienen actividad nucleasa (corte de cadena) y ligasa (reunión de cadena). No requieren

ATP, sino que parecen almacenar energía a partir del enlace fosfodiéster, al cual dividen y utilizan de

nuevo la energía para sellar la cadena. Cada vez que se crea una muesca transitoria en una cadena de

ADN, la cadena de ADN intacto pasa por la rotura antes que se selle de nuevo, lo que alivia (relaja) las


287

superhélices acumuladas. Las topoisomerasas tipo I relajan las superhélices negativas (las que

contienen menos giros de la hélice que el ADN relajado) en E. coli y las superhélices negativas y

positivas (las que contienen menos o más giros de la hélice que el ADN relajado) en las células

eucariotas.

Figura 7.33. Acción de las topoisomerasas tipo I de ADN


Las topoisomerasas de ADN tipo II se unen con fuerza a la doble hélice de ADN y forman roturas

transitorias en ambas cadenas (Figura 7.34). Luego, la enzima hace que un segundo segmento de ADN

de doble hélice pase por la rotura y al final sella de nuevo la rotura. Como resultado, pueden liberarse

las superhélices positivas y negativas. Las topoisomerasas de ADN tipo II también son necesarias en

células procariotas y eucariotas para la separación de moléculas entrelazadas de ADN después de la

replicación cromosómica. La girasa de ADN, una topoisomerasas de ADN tipo II de E. coli, tiene la

propiedad inusual de introducir superhélices negativas en el ADN circular relajado con energía

proveniente de la hidrólisis del ATP. Esto facilita la replicación futura del ADN porque las superhélices

negativas neutralizan las superhélices positivas introducidas durante la abertura de la doble hélice.

También ayuda a la separación transitoria de las cadenas necesaria durante la transcripción.

Figura 7.34. Acción de la toposiomerasa tipo II de ADN


Las polimerasas de ADN encargadas de copiar los moldes de ADN sólo pueden leer las secuencias

originales de nucleótidos en sentido 3´→5´ y sintetizan nuevas cadenas de ADN en dirección 5´→3´

(antiparalela). Por tanto, al iniciar con una doble hélice original, los dos nuevos segmentos recién

sintetizados de cadenas de nucleótidos deben crecer en sentidos opuestos, uno en dirección 5´→3´


288

hacia el tenedor de replicación, y el otro en dirección 5´→3´ al lado contrario del tenedor de

replicación. Esta hazaña se realiza por un mecanismo distinto en cada cadena.

La cadena que se copia en sentido del tenedor de replicación que avanza se llama cadena líder y se

sintetiza casi en forma continua. La cadena que se copia en sentido contrario al tenedor de replicación

se sintetiza en forma discontinua, se copian pequeños fragmentos de ADN cerca del tenedor de

replicación. Estos cortos segmentos de ADN discontinuo, llamados fragmentos de Okazaki, se unen al

final para convertirse en una sola cadena continua. La nueva cadena de ADN producida por este

mecanismo se llama cadena rezagada (Figura 7.35).

Figura 7.35. Elongación de las cadenas líder y rezagada


Las polimerasas de ADN no pueden iniciar la síntesis de una cadena complementaria de ADN con un

molde que sólo sea de cadena sencilla. Requieren un cebador de ARN; o sea, una región corta de doble

cadena consistente en bases de ARN emparejadas con el molde de ADN, con un grupo hidroxilo libre

en el extremo 3´de la cadena de ARN. Este grupo hidroxilo sirve como el primer receptor de un

nucleótido por la acción de la polimerasa de ADN. En la síntesis de ADN de novo, un segmento corto

de ARN, no de ADN, proporciona ese hidroxilo libre 3´.

Una polimerasa de ARN específica, llamada primasa, sintetiza los segmentos cortos de ARN (de unos 10

nucleótidos de largo) que son complementarios y antiparalelos al molde de ADN. En la cadena doble

híbrida resultantes, el U del ARN forma pareja con A del ADN. Estas secuencias cortas de ARN se

sintetizan en forma constante en el tenedor de replicación de la cadena rezagada, pero sólo se necesita una

secuencia de ARN en el origen de la replicación en la cadena líder. Los bloques de construcción para este

proceso son trifosfatos de 5´-ribonucleósido y se libera pirofosfato en la formación de cada enlace

fosfodiéster.

Antes de iniciar la síntesis de cebador de ARN en la cadena rezagada, se ensambla un complejo

precebador con varias proteínas y se une con la cadena sencilla de ADN, lo que desplaza algunas de las

proteínas de unión con ADN de cadena sencilla. Este complejo proteico más la primasa se llama

primosoma. Inicia la formación del complejo de Okazaki al moverse a lo largo del molde para la cadena

rezagada en dirección 5´→3´, y mientras reconoce periódicamente las secuencias de nucleótidos que lo

dirigen para crear el cebador de ARN que se sintetiza en dirección 5´→3´ (antiparalela a la cadena de

ADN molde).


289

Las polimerasas de ADN procariotas y eucariotas alargan a la nueva cadena de ADN con la adición de

desolxirribonucleótidos, uno a la vez, al extremo 3´de la cadena creciente. La secuencia de nucleótidos que

se agrega depende de las secuencias de bases de la cadena molde con la que se emparejan los nucleótidos

entrantes.

La elongación de la cadena de ADN está catalizada por la polimerasa III de ADN. Usando el grupo

hidroxilo 3´del cebador de ARN como receptor del primer desoxirribonucleótido, la polimerasa 3´de ADN

empieza a agregar nucleótidos a lo largo del molde de cadena sencilla que especifica la secuencia de las

bases en la cadena nueva. La polimerasa III de ADN es una enzima de proceso por lo que permanece

unida a la cadena molde mientras se mueve sobre ésta y no tiene que alejarse y unirse de nuevo antes de

agregar cada nuevo nucleótido. La nueva cadena crece en sentido 5´→3´, antiparalelo a la cadena original.

Los bloques de construcción de nucleótido son trifosfatos de 5´-desoxirribonucleósido. Se libera

pirofosfato (PPi) cuando se agrega cada nuevo nucleótido a la cadena en crecimiento. La hidrólisis

adicional del pirofosfato en dos fosfatos indica que se usa un total de dos enlaces de alta energía para

impulsar la adición de cada desoxinucleótido. Deben estar presentes los cuatro trifosfatos de

desoxirribonucleósido (d-ATP, d-TTP, d-CTP y d-GTP) para que ocurra la elongación. Si es escaso el

suministro de alguno de los cuatro, la síntesis de ADN se suspende cuando ese nucleótido se agota.

Para la supervivencia de un organismo es importante que la secuencia de nucleótidos del ADN se

replique con la menor cantidad de errores posible. La lectura errónea de la secuencia molde podría

originar nutaciones nocivas o mortales. Para asegurar la fidelidad d la replicación, la polimerasa III del

ADN tiene una actividad de corrección de pruebas (exonucleasa 3´→´5) además de su actividad

polimerasa 5´→3´. Conforme se agrega cada nuevo nucleótido a la cadena, la polimerasa III de ADN

revisa para confirmar que el nucleótido nuevo en verdad concuerda con su base complementaria en el

molde. Si no es así, la actividad exonucleasa 3´→5´edita el error. La enzima requiere una terminación

hidroxilo 3´mal apareada, por lo que no degrada las secuencias de nucleótidos emparejadas en forma

correcta. La escisión debe hacerse en sentido contrario al de la síntesis.

La polimerasa III de ADN continúa la síntesis de ADN en la cadena rezagada hasta que se bloquea por

la proximidad de un cebador de ARN. Cuando esto ocurre, se retira el ARN y la polimerasa I de ADN

llena el hueco (Figura 7.36).

Figura 7.36. Eliminación del cebador de ARN y llenado de los huecos resultantes por la polimerasa I

de ADN



290

La polimerasa I de ADN también tiene actividad exonucleasa 5´→3´ que puede eliminar por hidrólisis

el cebador de ARN. Primero, la polimerasa I de ADN localiza el espacio o muesca entre el extremo 3´

del ADN recién formado mediante la polimerasa III de ADN y el extremo 5´del cebador de ARN

adyacente. A continuación, la polimerasa I de ADN retira por hidrólisis los nucleótidos de ARN que le

quedan por delante con lo que se mueve en dirección 5´→3 (actividad exonucleasa 5´→3´). Conforme

retira el ADN, la polimerasa I de ADN lo repone con desoxirribonucleótidos y sintetiza ADN en

sentido 5´→3´ (la actividad de polimerasa 5´→3´). Conforme sintetiza ADN, también corrige las

pruebas de la cadena nueva con su actividad exonucleasa 3´→5´. Esta remoción-síntesis-corrección de

pruebas contínua, un nucleótido a la vez, hasta que el ARN se degrada por completo y la brecha se

llena con ADN.

La actividad exonucleasa 5´→3´ de la polimerasa I de ADN difiere de la exonucleasa 3´→5´ de las

polimerasas I y III de ADN en dos aspectos importantes. Primero, la exonucleasa 5´→3´ puede retirar

un nucleótido a la vez de una región de ADN con bases bien emparejadas. Los nucleótidos que retira

pueden ser ribonucleóidos o desoxirribonucleótidos. Segundo, la exonucleasa 5´→3´ también puede

retirar grupos de nucleótidos alterados en dirección 5´→3´, con lo que elimina de uno a 10 nucleótidos

de una sola vez. Esta capacidad es importante en la reparación de algunos tipos de ADN dañado.

El enlace fosfodiéster final entre el grupo fosfato 5´de la cadena de ADN sintetizada por la polimerasa

III de ADN y el grupo hidroxilo 3´de la cadena formada por la polimerasa I de ADN está catalizado por

la ligasa de ADN. La unión de estos dos segmentos de ADN requiere energía, que en el caso del

hombre proviene de la división del ATP en AMP + pirofosfato (Figura 7.37) (Champe et al., 2006).

Figura 7.37. Formación de un enlace fosfodiéster por la ligasa de ADN


El ADN recién replicado se ensambla rápidamente en nucleosomas, y la histona octamérica

preexistente y la recién ensamblada se distribuyen al azar en cada brazo de la horquilla de replicación.

En la Figura 7.38 se muestra un mapa conceptual de la estructura y replicación del ADN.


291

Figura 7.38. Mapa conceptual clave de la estructura y replicación de DNA


7.2.4. Tipos y síntesis de ARN

Para que la información genética almacenada en el DNA pueda hacerse efectiva debe ser transcripta en el

RNA. El DNA sirve sólo como molde, es decir que no se modifica durante la transcripción. Los segmentos

que pueden ser transcriptos y que codifican un producto definido se llaman genes. Se calcula que el


292

genoma de los mamíferos contiene entre 30 000 a 50 000 genes que en total representan menos del 10%

del DNA (Koolman y Röhm, 2004).

Los ácidos ribonucleicos son una clase de polinucleótidos que participan, casi todos ellos, en algún

aspecto de la síntesis de proteínas. Las moléculas de ARN se sintetizan en un proceso que se denomina

transcripción. Durante la transcripción se producen moléculas nuevas de ARN mediante un mecanismo

semejante a la síntesis de ADN, esto es, a través de la formación de apareamientos de bases

complementarias. La secuencia de bases del ARN está, por lo tanto, especificada en la secuencia de bases

de una de las dos cadenas del ADN. Por ejemplo, la secuencia de ADN 5´-CCGATTACG-3´ se transcribe

en la secuencia de ARN 3´-GGCUAAUGC-5´. Las secuencias de ADN y ARN complementarias son

antiparalelas.

Las moléculas de ARN se diferencian de las de ADN en los siguientes aspectos:

● La parte del azúcar del ARN es la ribosa en lugar de la desoxirribosa del ADN.

● Las bases nitrogenadas del ARN se diferencian algo de las observadas en el ADN ya que en vez de

timina en el ARN hay uracilo.

● El ARN es una única cadena, por lo que puede enrollarse sobre sí mismo y formar estructuras

tridimensionales singulares y bastante complejas. El 2´-OH de la ribosa puede formar enlaces de

hidrógeno con grupos moleculares cercanos. Normalmente no es igual el contenido de A y U, así como el

de C y G, de una molécula de ARN (McKee y McKee, 2003).

Las clases más destacadas de ARN son los ARN de transferencia, los ARN ribosómicos y los ARN

mensajeros, aunque existen otras clases menos abundantes como el ARN heterogéneo y ARN nuclear

pequeño.

En la Figura 7.39 se observan diferentes tipos de estructuras secundarias que se producen en el ARN.

Figura 7.39. Estructura secundaria del ARN


Las moléculas de ARN de transferencia (tARN) transportan los aminoácidos a los ribosomas para su

ensamblaje en las proteínas. Representan alrededor del 15% del ARN celular y la longitud promedio de

una molécula de tARN es de 75 nucleótidos. Debido a que cada molécula de tARN se une a un


293

aminoácido específico, las células poseen al menos una clase de tARN para cada uno de los 20

aminoácidos que se encuentran habitualmente en las proteínas. La estructura tridimensional de las

moléculas de tARN, que se asemeja a una hoja de trébol alabeada, es consecuencia principalmente de un

gran apareamiento de bases intracatenario. Las moléculas de tARN contienen diversas bases modificadas.

La estructura del tARN (Figura 7.40) le permite realizar dos funciones esenciales en las que intervienen

los componentes estructurales más importantes: el 3´-terminal y el bucle del anticodón. El 3´-terminal

forma un enlace covalente con un aminoácido específico. El bucle del anticodón contiene una secuencia de

tres pares de bases que es complementaria con el triplete del ADN que codifica el aminoácido específico.

La relación conformacional entre el 3´terminal y el bucle del anticodón permite al tARN alinear su

aminoácido unido de forma adecuada durante la síntesis de proteínas. El tARN posee también otras tres

características estructurales destacadas, que se denomina el bucle D, el bucle TΨC y el bucle variable (Ψ

es una abreviatura de la base modificada pseudouridina). Se desconoce la función de estas estructuras, tal

vez están relacionadas con el alineamiento del tARN dentro del ribosoma o la unión del tARN a la enzima

que cataliza la unión del aminoácido adecuado. El bucle D recibe este nombre porque contiene

dihidrouridina. El bucle TΨC contiene la secuencia de bases timina, pseudouridina y citosina. Los tARN

pueden clasificarse de acuerdo con la longitud de su bucle variable. La mayoría (aproximadamente el 80

%) de los tARN tienen bucles variables con 4 ó 5 nucleótidos, mientras que otros tienen bucles variables

de hasta 20 nucleótidos.

El ARN ribosómico (rARN) es la forma más abundante de ARN en las células. La estructura secundaria

del rARN es muy compleja. Aunque existen diferencias entre las especies en las secuencias primarias de

nucleótidos del rARN, la estructura tridimensional global de estas moléculas está conservada. El rARN es

un componente de los ribosomas que son estructuras citoplásmicas que sintetizan proteínas. Los

ribosomas de los procariotas y eucariotas tienen forma y función semejantes, aunque se diferencian en

tamaño y composición química. Ambos tipos de ribosomas constan de dos subunidades de tamaño

desigual, que normalmente se denominan en términos de sus valores de S (S es una abreviatura de la

unidad de Svedberg o sedimentación, que es una medida de la velocidad de sedimentación de una

centrífuga. Debido a que la velocidad de sedimentación depende del peso molecular y de las formas de una

partícula, los valores de S no son necesariamente aditivos).

Los ribosomas procariotas (70S) están formados por una subunidad 50S y una subunidad 30S, mientras

que los ribosomas de los eucariotas (80S) contienen una subunidad 60S y una unidad 40S. en cada tipo de

subunidad ribosómica se encuentran varias clases diferentes de rARN y proteínas, por ejemplo, una

subunidad ribosómica eucariota grande típica contiene tres rARN (5S, 5.8S y 28S) y 49 polipéptidos,

mientras que la subunidad pequeña contiene un rARN 18S y 30 polipéptidos. No se conocen bien y se

están investigando las funciones de los rARN (Figura 7.41) y de los polipéptidos en los ribosomas.

El ARN mensajero (mARN) es el transportador de la información genética desde el ADN para la síntesis

de proteínas. Las moléculas de mARN, que constituye aproximadamente el 5% del ARN celular, varían

considerablemente de tamaño. Por ejemplo los mARN de E. coli varían desde 500 hasta 6000 nucleótidos.

El mARN procariota y el mARN eucariota se diferencian en varios aspectos ya que muchos mARN

procariotas son policistrónicos (contienen información que codifica varias cadenas polipeptídicas),

mientras el mARN eucariota codifica un único polipéptido (monocistrónico). Un cistrón es una secuencia

de ADN que contiene la información que codifica un polipéptido y varias señales que se requieren para la

función del ribosoma. Además, los mARN procariotas y eucariotas se procesan de manera diferentes. Los

mARN procariotas se traducen a proteínas por los ribosomas sintetizándose inmediatamente después,

mientras que los mARN eucariotas se modifican en gran medida, dichas modificaciones incluyen la


294

formación de la caperuza (unión de una 7-metilguanosina al residuo 5´-terminal), el corte y empalme

(eliminación de los intrones) y la unión de un polímero de adenilato que se denomina cola de poli A.

Figura 7.40. Representación esquemática de una molécula de tARN indicándose las posiciones de las

bases que no varían y las bases que varían con poca frecuencia


Figura 7.41. Estructura del rARN



295

Las porciones que codifican para aminoácidos se denominan exones y son interrumpidas por los intrones

que son las secuencias de intervención que son removidos en el procesamiento del transcrito primario a

mRNA maduro.

El ARN heterogéneo y el ARN nuclear pequeño desempeñan funciones complementarias en las células

eucariotas. Las moléculas de ARN nuclear heterogéneo (hnARN) son los transcritos primarios del ADN y

los precursores del mARN. Los hnARN se procesan por corte y empalme y modificaciones para formar el

mARN. El corte y empalme es una eliminación enzimática de los intrones de los transcritos primarios.

Una clase de moléculas de ARN nuclear pequeño (snARN) que contienen entre 90 y 300 nucleótidos, que

se encuentran formando complejos con varias proteínas para formar partículas ribonucleoproteicas

nucleares pequeñas (snRNP o snurps), participan en las actividades de corte y empalme, y otras formas de

procesamiento del ARN (McKee y McKee, 2003).

La síntesis de una molécula de RNA a partir de DNA es un proceso complejo que involucra una de las

enzimas del grupo de RNA polimerasas y varias proteínas asociadas, y dicho proceso se denomina

transcripción. Los pasos generales requeridos para sintetizar el transcrito primario son: iniciación,

elongación y terminación. El proceso de síntesis del RNA a partir de un molde de DNA se ha

caracterizado mejor en los procariotas. Aunque en las células de mamíferos la regulación de la síntesis

de RNA y el procesamiento de los transcritos del RNA son diferentes al de los procariotas, el proceso

de síntesis de RNA es muy similar en estas dos clases de organismos. Por tanto, la descripción de la

síntesis de RNA en los procariotas es aplicable a los eucariotas, aun cuando las enzimas involucradas y

las señales de regulación son diferentes.

La secuencia de ribonucleótidos en una molécula de RNA es complementaria a una secuencia de

desoxirribonucleótidos de una cadena de la molécula de DNA de doble cadena. El RNA transcrito con

una polaridad 5´ a 3´ es complementario a la cadena molde con polaridad 3´ a 5´ (Figura 7.42). La

cadena que se transcribe a una molécula de RNA se conoce como la cadena molde del DNA. Con

frecuencia, a la otra cadena se le conoce como cadena codificadora del gen. Ésta se denomina así

debido a que, excepto los cambios de T por U, corresponde exactamente a la secuencia del transcrito

primario, que codifica el producto proteínico del gen. En el caso de una molécula de DNA de doble

cadena que contiene muchos genes, la cadena molde para cada gen, no necesariamente será la misma

cadena de la doble hélice del DNA; en la Figura 7.43 las cabezas de las flechas indican la dirección de

la transcripción (polaridad) y se observa que la cadena molde se lee siempre en la dirección de 3´ a 5´,

mientras que la cadena opuesta se conoce como cadena codificadora debido a que es idéntica (excepto

por los cambios de T por U) al transcrito de mRNA (el transcrito primario en las células eucariotas) que

codifica el producto proteico del gen .De esta manera, una determinada cadena de una molécula de

DNA de doble cadena servirá como cadena de molde para algunos genes, y como cadena codificadora

de otros genes. La secuencia de nucleótidos de un transcrito de RNA será la misma (excepto en U que

reemplaza a T) que la de la cadena codificadora. La información en la cadena molde se lee en dirección

de 3´ a 5´.

Figura 7.42. Relación entre las secuencias en un RNA transcrito y su gen



296

Figura 7.43. Transcripción de los genes de ambas cadenas del DNA


El RNA polimerasa dependiente de DNA es la enzima responsable de la polimerización de los

ribonucleótidos en una secuencia complementaria de la cadena molde del gen. La enzima se una a un

sitio específico, el promotor, en la cadena molde. Esto es seguido por la iniciación de la síntesis de

RNA en el punto de inicio y el proceso continúa hasta que se alcanza una secuencia de terminación.

Una unidad de transcripción se define como la región del DNA que se extiende entre el promotor y el

terminador. El RNA producido, el cual se sintetiza en dirección 5´a 3´, es el transcrito primario. En los

procariotas, éste puede ser el producto de varios genes continuos; en las células de mamíferos, por lo

general representa el producto de un solo gen. Las terminales 5´ del transcrito primario del RNA y el

RNA citoplásmico maduro son idénticos. De esta forma, el punto de inicio de la transcripción

corresponde al nucleótido 5´ del mRNA. Esta posición se designa +1, lo mismo que el nucleótido

correspondiente en el DNA. Los números se aumentan conforme la secuencia procede "corriente

abajo", esto facilita la localización de regiones particulares, como los límites de intrones y exones. El

nucleótido del promotor adyacente al sitio de iniciación de la transcripción se designa como -1, y estos

números negativos aumentan conforme la secuencia procede "corriente arriba", alejándose del sitio de

iniciación. Esto proporciona una forma convencional para definir la localización de los elementos

reguladores en el promotor. Los transcritos primarios generados por la RNA polimerasa II, son

rápidamente encapsulados por las cápsulas de 7-metilguanosina trifosfato que persiste y finalmente

aparece, en la terminal 5´del mRNA maduro citoplásmico. Al parecer estas cápsulas son necesarias

para el subsiguiente procesamiento del transcrito primario en mRNA, para la traducción del mRNA, y

para la protección del mRNA en contra del ataque exonucleolítico 5´→3´.

Cada una de las RNA polimerasas dependientes de DNA parece ser responsable de la transcripción de

diferentes conjuntos de genes. Dichas enzimas son mucho más complejas que los RNA polimerasas de

los procariotas. Todas tienen dos subunidades grandes y un número de pequeñas subunidades, que

puede llegar hasta 14 en el caso de la RNA polimerasa II. Las RNA polimerasas de eucariotas tienen

una extensa homología de aminoácidos con los RNA polimerasas de los procariotas. Las funciones de

cada una de las subunidades no se comprenden completamente, aunque muchas de ellas podrían tener

funciones reguladoras, como asistir a la polimerasa en el reconocimiento de secuencias específicas

como promotores y señales de terminación.

En las bacterias, el proceso de síntesis de RNA, comprende primero la unión de la molécula de RNA

holopolimerasa con el molde en el sitio del promotor. Esta unión es seguida por un cambio

conformacional de la RNA polimerasa, y a continuación el primer nucleótido (casi siempre una purina)

se une al sitio de iniciación en la subunidad β de la enzima. En presencia de los cuatro nucleótidos, la

RNA polimerasa se mueve hacia la segunda base en el molde, forma un enlace fosfodiéster, y la cadena

naciente ahora se una al sitio de polimerización en la subunidad β de la RNA polimerasa.

La iniciación de la formación de la molécula de RNA sigue con la liberación del factor δ, en tanto que

la elongación de la molécula de RNA partir de la terminal 5´ a 3´ continúa en dirección antiparalela de


297

su molde. La enzima polimeriza los ribonucleótidos en una secuencia específica, dictada por la cadena

molde, e interpretada por las reglas de apareamiento de Watson-Crick. En la reacción de

polimerización se libera pirofosfato. Tanto en procariotas como en eucariotas, por lo general un

nucleótido de purina se polimeriza primero en la molécula de RNA. El trifosfato en 5´de este primer

nucleótido se mantiene en el mRNA de procariotas. Éste se elimina en el proceso de formación de

cápsulas en el mRNA de eucariotes.

Conforme el proceso de elongación que contiene la RNA polimerasa central progresa a lo largo de la

molécula de DNA, debe ocurrir el desenrrollamiento del DNA para proporcionar acceso para el

apareamiento de bases apropiado con los nucleótidos de la cadena codificadora. La extensión del DNA

desenrrollado es constante a lo largo de la transcripción y se ha calculado que es cercano a 17 pares de

bases por molécula de polimerasa. Parece que la polimerasa dicta el tamaño de la región del DNA

desenrrollado, y es independiente de la secuencia de DNA en el complejo. Esto sugiere que la RNA

polimerasa se relaciona con una actividad de desenrrollasa que abre la hélice de DNA. El hecho de que

la doble hélice del DNA deba desenrollarse y las cadenas deban separarse, por lo menos temporalmente

para la transcripción, implica alguna alteración en la estructura del nucleosoma de las células

eucariotas. La topoisomerasa permite la progresión de la RNA polimerasa para prevenir la formación

de complejos superhelicoidales

En las bacterias, la terminación de la síntesis de la molécula de RNA está señalada por una secuencia

en la cadena molde de la molécula de DNA; es una señal que se reconoce por una proteína de

terminación, el factor rho (ρ); que es una helicasa RNA-DNA dependiente de ATP que rompe el

complejo RNA-DNA naciente. Después de la terminación de la síntesis de la molécula de RNA, la

enzima central se separa del molde de DNA. Con la asistencia de otro factor σ, la enzima central

reconoce a un promotor en el cual se inicia la síntesis de una nueva molécula de RNA. En las células

eucariotas, la terminación está menos definida; parece ser que está vinculada a la adición de la cola

polimerasa A3´del mRNA y podría involucrar la desestabilización del complejo RNA/DNA en una

región de pares de bases A-U. Más de una molécula de RNA polimerasa puede transcribir la misma

cadena molde deun gen de manera simultánea, pero el proceso está en fase y espaciado de tal manera

que en cualquier momento cada uno transcribe una porción diferente de la secuencia de ADN (Murray

et al., 2001).

7.2.5. Código Genético y Síntesis de Proteínas

La información genética que se almacena en los cromosomas y se transmite a las células hijas mediante la

replicación del ADN se expresa a través de la transcripción de ARN y, en el caso del mARN, con la

traducción ulterior en cadenas polipeptídicas (Figura 7.44). La vía de síntesis de proteínas se llama

traducción porque el lenguaje de la secuencia de nucleótidos en el mARN se traduce al lenguaje de una

secuencia de aminoácidos. El proceso de traducción requiere un código genético a través del cual se

expresa la información contenida en la secuencia de ácidos nucleicos para producir una secuencia

específica de aminoácidos. Cualquier alteración en la secuencia de ácidos nucleicos puede conducir a la

inserción de in aminoácido inapropiado en una cadena polipeptídica, lo que puede producir una

enfermedad o la muerte del organismo. Muchas cadenas polipeptídicas se modifican de manera covalente

después de su síntesis para activarlas, alterar sus actividades o dirigirlas a sus destinos finales, dentro o

fuera de la célula.

El código genético es un diccionario que identifica la correspondencia entre una secuencia de bases de

nucleótidos y una secuencia de aminoácidos. Cada palabra individual del código se compone de tres bases

de nucleótidos. Estas palabras genéticas se llaman codones (Champe et al., 2006).


298

Figura 7.44. Síntesis de proteínas o traducción


Existen 64 secuencias de trinucleótidos posibles, de las cuales sólo 61 codifican aminoácidos. Los tres

codones restantes (UAA, UAG y UGA) son señales de parada o de terminación de la cadena polipeptídica.

AUG, el codón de metionina, sirve también como señal de comienzo o también se denomina codón de

iniciación (McKee y McKee, 2003).

Por lo general, los codones se presentan en el lenguaje del ARN mensajero de adenina (A), guanina

(G), citosina (C) y uracilo (U), sus secuencias de nucleótidos siempre se escriben del extremo 5´al 3´.

Las cuatro bases de nucleótidos se usan para producir los codones de tres bases (Figura 7.45). Por lo

tanto, hay 64 combinaciones diferentes de bases, tomadas tres a la vez.

En la Figura 7.45 se muestran los codón es de terminación de cadena, o de detención, se muestra de

color naranja, y el codón de comienzo habitual, AUG, en verde oscuro. Otros codones de comienzo,

que rara vez se emplean, son UUG, AUU y GUG.

La tabla o diccionario anterior puede usarse para traducir cualquier secuencia de codón y así reconocer

cuáles aminoácidos están codificados por una secuencia de mARN. Por ejemplo, el codón 5´-AUG-3´

codifica para metionina. Tres de los codones: UAG, UGA y UAA, no codifican aminoácidos sino que

son una secuencia de mARN e indican que la síntesis de la cadena peptídica codificada por ese mARN

está completa, por lo que se denominan codones de terminación (Champe et al., 2006).


299

Figura 7.45. Código genético (tal como se escribe en el ARN)


El uso del código genético es muy consistente en todos los organismos vivos. Se asume que una vez

que el código genético estándar evolucionó en los organismos primitivos, cualquier mutación que

alterara la forma en que se traducía el código habría ocasionado la alteración de la mayoría de las

secuencias proteicas, o de todas, lo que seguro habría sido mortal. La adopción del código genético se

describe como un accidente congelado en el tiempo (Champe et al., 2006). Las características del

código genético descritas por McKee y McKee (2003) son:


300

► Degenerado: también llamado redundancia por Champe et al. (2006) y se refiere a que cualquier

sistema de codificación se denomina degenerado cuando diversas señales tienen el mismo significado.

El código genético es parcialmente degenerado debido a que la mayoría de los aminoácidos están

codificados por varios codones. Por ejemplo, la leucina está codificada por seis codones diferentes

(UUA, UUG, CUU, CUC, CUA y CUG). De hecho, la metionina (AUG) y el triptófano (UGG) son los

únicos aminoácidos que están codificados por un único codón.

► Específico: cada codón es una señal para un aminoácido específico. La mayoría de los codones que

codifican el mismo aminoácido poseen secuencias semejantes. Por ejemplo, en cada uno de los cuatro

codones de serina (UCU, UCC, UCA y UCG) la primera y la segunda base son idénticas. Por

consiguiente, una mutación puntual en la tercera base de un codón de serina no sería lesiva.

► No solapante y sin puntuación: la secuencia codificante del mARN se lee por un ribosoma que

comienza desde el codón de iniciación (AUG) como una secuencia contínua cogiendo cada vez tres

bases hasta que se llega a un codón de parada. Se denomina marco de lectura a un conjunto de codones

o tripletes contiguos en un mARN. El término marco de lectura abierto describe un conjunto de

secuencias de bases tripletes de un mARN que contiene un codón de parada.

► Universal: con unas pocas excepciones menores, el código genético es universal. En otras palabras,

el examen del proceso de traducción en las especies investigadas ha descubierto que las señales de

codificación de los aminoácidos son siempre las mismas.

Se necesitan una gran cantidad de componentes para la síntesis de una cadena polipeptídica. Incluyen

todos los aminoácidos que se encuentran en el producto terminado, el mARN que va a traducirse, las

moléculas de tARN, ribosomas funcionales, fuentes de energía y enzimas, así como los factores

proteicos necesarios para la iniciación, elongación y terminación de la cadena polipeptídica.

Todos los aminoácidos que aparecerán al final en la proteína terminada deben estar presentes al

momento de la síntesis. Si falta un aminoácido la traducción se detendrá en el codón que especifica ese

aminoácido.

Se necesita por lo menos un tipo específico de tARN por cada aminoácido. En humanos, hay por lo

menos 50 especies de tARN, mientras que las bacterias contienen de 30 a 40 especies. Como sólo hay

20 aminoácidos diferentes transportados por los tARN, algunos aminoácidos tienen más de una

molécula específica de tARN, máxime los aminoácidos codificados por varios codones. Cada molécula

de tARN tiene un sitio de unión para un aminoácido específico en su extremo 3´. El grupo carboxilo

del aminoácido tiene un enlace éster con el 30´-hidroxilo de la fracción ribosa del nucleótido de

adenosina en el extremo 3´del tARN. Se dice que un tARN está cargado cuando se une en forma

covalente con un aminoácido; cuando el tARN no se une con un aminoácido, se describe como

descargado. Se dice que el aminoácido unido con la molécula de tARN está activado.

Cada molécula de tARN también contiene una secuencia de nucleótidos de tres bases, el anticodón,

que reconoce un codón específico en el mARN. Este codón especifica la inserción del aminoácido en la

cadena peptídica creciente por ese tARN. Por su capacidad para transportar un aminoácido específico y

para reconocer el codón de ese aminoácido, los tARN se conocen como moléculas adaptadoras.

Las sintetasas de aminoacil-tARN son una familia de enzimas necesaria para unir los aminoácidos con

sus tARN correspondientes (Figura 7.46). Cada miembro de esta familia reconoce un aminoácido

específico y al tARN que le corresponde. Por tanto, estas enzimas implementan el código genético


301

porque actúan como diccionarios moleculares que pueden leer tanto el código de tres letras de los

ácidos nucleicos, como el código de 20 letras de los aminoácidos. Cada sintetasa de aminoacil-tARN

cataliza una reacción de dos pasos que produce un enlace covalente entre el grupo carboxilo de un

aminoácido y el extremo 3´de su tARN correspondiente. La reacción general requiere ATP, el cual se

divide hasta AMP y PPi. La especificidad extrema de la sintetasa para reconocer tanto al aminoácido

como a su tARN específico es lo que explica la fidelidad de la traducción del mensaje genético.

Además, las sintetasas tienen una actividad de corrección de pruebas o edición que les permite eliminar

los aminoácidos mal cargados de la molécula de tARN.

Figura 7.46. Unión de un aminoácido específico con su tARN correspondiente mediante la sintetasa

de aminoacil-tARN (E)


Debe estar presente el mARN específico necesario como molde para la síntesis de la cadena

polipeptídica deseada.

Los ribosomas son grandes complejos de proteína y rARN (Figura 7.47). Consisten en dos

subunidades, una grande y otra pequeña, cuyos tamaños relativos casi siempre se mencionan en

términos de su coeficiente de sedimentación, o valores S (Svedberg). Su función es de fábricas en las

que ocurre la síntesis de proteínas.

Los ribosomas procariotas contienen tres moléculas de rARN, en tanto los eucariotas contienen cuatro

moléculas de rARN. Los rARN tienen regiones extensas de estructura secundaria originadas del

emparejamiento de bases entre secuencias complementarias de nucleótidos en porciones diferentes de

la molécula. La formación de regiones intramoleculares de doble cadena es comparable a la que se

observa en el tARN.


302

Figura 7.47. Composición de los ribosomas


Existe una cantidad mucho mayor de proteínas ribosomales en los ribosomas eucariotas que en los

procariotas. Estas proteínas tienen varios papeles en la estructura y función del ribosoma y sus

interacciones con otros componentes del sistema de traducción.

El ribosoma tiene tres sitios de unión para las moléculas de tARN, los sitios A, P y E, y cada uno

abarca varias subunidades. En conjunto cubren tres codones vecinos. Durante la traducción, el sitio A

se une con un aminoacil-tARN entrante según la dirección del codón que ocupe en ese momento este

sitio. Este codón especifica el siguiente aminoácido que se va a agregar a la cadena peptídica en

formación. El codón P está ocupado por el peptidil-tARN. Este tARN transporta la cadena de

aminoácidos ya formada. El sitio E está ocupado por el tARN vacío que está a punto de salir del

ribosoma. En las células eucariotas, los ribosomas están libres en el citosol o en estrecha relación con el

retículo endoplásmico rugoso (RER). Los ribosomas unidos con el RER se encargan de sintetizar

proteínas que deben exportarse de la célula; las destinadas a integrarse en las membranas plasmáticas,

del retículo endoplásmico o complejo de Golgi y las que se incorporan en los lisosomas. Las

mitocondrias contienen su propio conjunto de ribosomas y su propio ADN circular único.

Los factores de iniciación, elongación y terminación (o liberación) son necesarios para la síntesis de

péptidos. Algunos de estos factores proteicos tienen una función catalítica, otros parecen estabilizar la

maquinaria de síntesis.

Se necesita la división de cuatro enlaces de alta energía para la adición de un aminoácido a la cadena

polipeptídica en crecimiento: dos del ATP en la reacción de la sintasa de aminoacil-tARN (uno en la

remoción del pirofosfato y otro en la hidrólisis ulterior del PPi en fosfato orgánico por acción de la

pirofosfatasa) y dos más de GTP (uno para unir el aminoacil-tARN con el sitio A y otro para el paso de

traslado). Se necesitan moléculas adicionales de ATP y GTP para la iniciación y terminación de la

síntesis de la cadena polipeptídica.


303

El reconocimiento de un codón particular en una secuencia de mARN se realiza mediante la secuencia

del anticodón del tARN. Algunos tARN reconocen más de un codón para un aminoácido determinado.

La unión del anticodón del tARN con el codón del mARN sigue las reglas de unión complementaria y

antiparalela, es decir, que el codón del mARN se lee 5´→3´ por un anticodón que forme pareja en

orientación invertida (3´→5´). Cuando se escriben las secuencias de los codones y anticodones, la

secuencia del nucleótido siempre debe escribirse en el orden 5´→3´.

El mecanismo por el cual los tARN pueden reconocer más de un codón para un aminoácido específico

se describe como la hipótesis del bamboleo, en la que la base en el extremo 5´del anticodón (la primera

base del anticodón) no tiene una definición espacial tan estricta como las otras dos bases. El

movimiento de esa primera base permite el emparejamiento de bases no tradicional con la base 3´del

codón (la última base del codón). Este movimiento se llama bamboleo y permite que un solo tARN

reconozca más de un codón. Como resultado del bamboleo, no es necesario que haya 61 especies de

tARN para leer los 61 codones que codifican para aminoácidos.

La vía de la síntesis de proteína traduce el alfabeto de tres letras de las secuencias de nucleótidos en el

mARN en el alfabeto de 20 letras de los aminoácidos que constituyen las proteínas. El mARN se

traduce desde el extremo 5´al extremo 3´, lo que produce una proteína sintetizada desde el extremo

amino terminal a su extremo carboxilo. Los mARN procariotas a menudo tienen varias regiones

codificadoras; o sea, que son policistrónicos. Cada región codificadora tiene su propio codón de

iniciación y produce una especie separada de polipéptido. En contraste, cada mARN eucariota codifica

sólo una cadena polipeptídica, es monocistrónico. El proceso de traducción se divide en tres pasos:

iniciación, elongación y terminación. Las cadenas polipeptídicas producidas pueden modificarse

después de la traducción. La síntesis proteica de los eucariotas se parece a la de los organismos

procariotas en la mayoría de los detalles.

Iniciación de la síntesis de proteínas: La iniciación de la síntesis de proteínas compromete el

ensamble de los componentes del sistema de traducción antes que se forme un enlace peptídico. Estos

componentes ncluyen dos subunidades ribosomales, el mARN que va a traducirse, el aminoacil-tARN

especificado por el primer codón del mensaje, GTP (que proporciona energía para el proceso) y

factores de iniciación que facilitan el ensamble de este complejo de iniciación. En los procariotas se

conocen tres factores de iniciación (IF-1, IF-2 e IF3), mientras que en los eucariotas hay por lo menos

diez (designados eIF, para indicar su origen eucariota). Hay dos mecanismos por los cuales el ribosoma

reconoce la secuencia de nucleótidos que inicia la traducción.

Un tARN iniciador que entra al sitio P del ribosoma reconoce el codón AUG al principio del mensaje.

Esta identificación se facilita por la acción de IF-2 en E. coli y de varios eIF en humanos. Sólo el tARN

iniciador entra al sitio P, todos los demás tARN cargados entran en el sitio A. en las bacterias y en las

mitocondrias, el tARN iniciador transporta una metionina N-formilada (Figura 7.48). El grupo formilo

se agrega a la metionina después que el aminoácido se une con el tARN iniciador por acción de la

enzima transformilasa, que emplea tetrahidrofolato de N10

-formilo como donador de carbono. En los

eucariotas el tARN iniciador trasporta una metionina que no lleva un grupo formilo. Tanto en las

células procariotas como en las mitocondrias, esta metionina N-terminal casi siempre se elimina antes

de completar la proteína (Figura 7.49).


304

Figura 7.48. Generación del iniciador N-formil-metionil-tARN (fMet-tARN)


Elongación en la síntesis de proteínas: La elongación de la cadena polipeptídica compromete

la adición de aminoácidos al extremo carboxilo de la cadena en crecimiento (Figura 7.49). Durante la

elongación, el ribosoma se mueve del extremo 5´al extremo 3´del mARN que se traduce. En E. coli, la

entrega del aminoacil-tARN cuyo codón es el siguiente en el molde de mARN en el sitio ribosomal A

se facilita por los factores de elongación EF-Tu y EF-Ts, y requiere GTP. En los eucariotas, los factores

de elongación comparables se designan eEF. La formación de los enlaces peptídicos está catalizada por

la peptidiltransferasa (Figura 7.50), una actividad intrínseca del rARN 23S que se encuentra en la

subunidad ribosomal 50S. Como este rARN cataliza la reacción, se conoce como una ribozima.

Después que se forma el enlace peptídico, el ribosoma avanza tres nucleótidos hacia el extremo 3´del

mARN. Este proceso se conoce como translocación y en E. coli necesita la participación de EF-G y el

gasto de GTP (las células eucariotas tienen requerimientos similares. Esto produce el movimiento del

tARN no cargado al sitio ribosomal E (antes de liberarse) y el movimiento del peptidil-tARN hacia el

sitio P (Champe et al., 2006).

La traducción comienza en el extremo 5´ del mARN y el ribosoma avanza a lo largo de la molécula de

ARN. Gracias a la longitud del mARN, casi siempre puede haber más de un ribosoma que traduzca un

mensaje. Este complejo de un mARN con varios ribosomas se llama polisoma o polirribosoma que

traducen al mismo tiempo un mARN (Figura 7.52).


305

Figura 7.49. Pasos en la síntesis de proteínas en procariotas (traducción)



306

Figura 7.50. Formación de un enlace peptídico



307

Figura 7.51. Continuación de pasos en la síntesis de proteínas en procariotas (traducción)



308

Figura 7.52. Estructura de un polirribosoma


Aunque la mayor parte de la síntesis de proteínas ocurre en el citoplasma de las células eucariotas,

muchas proteínas están destinadas a realizar sus funciones en organelos celulares específicos. Por lo

general, estas proteínas contienen secuencias de aminoácidos que las dirigen a su localización final. Por

ejemplo, las proteínas nucleares contienen una señal de localización nuclear, en tanto las proteínas

mitocondriales tienen una secuencia de entrada mitocondrial.

La expresión genética por lo general está regulada al nivel de la transcripción, la velocidad de la

síntesis de proteínas a veces también está regulada. Por ejemplo, el hem estimula la traducción general

porque previene la fosforilación del factor eucariota de iniciación el IF-2, que sólo está activo en su

forma no fosforilada. La traducción de algunas moléculas de mARN está regulada por la unión de

proteínas reguladoras, que a veces bloquean la traducción (por ejemplo, del mARN de la ferritina) y a

veces estabilizan el mARN para prolongar su tiempo de vida (por ejemplo, el mARN del receptor para

transferrina). En presencia de las cantidades adecuadas de hierro, estas proteínas reguladoras se separan

de las moléculas de mARN, lo que aumenta el ritmo de síntesis de la ferritina y disminuye el ritmo de

síntesis del receptor de transferrina.

Muchas cadenas polipeptídidicas se modifican en forma covalente, ya sea mientras están unidas con el

ribosoma o cuando se completa su síntesis. Como las modificaciones ocurren después del principio de

la traducción, se llaman modificaciones posteriores a la traducción. Estas modificaciones incluyen

remoción de una parte de la secuencia traducida o la adición covalente de uno o más grupos químicos

necesarios para la actividad proteica. A continuación Champe et al. (2006) menciona algunos de los

tipos de modificación posterior a la traducción:

Recorte: muchas proteínas destinadas para secreción celular al principio son moléculas precursoras

grandes funcionalmente inactivas. Algunas proteasas especializadas deben retirar algunas porciones de

la cadena, lo que produce la liberación de una molécula activa. El sitio celular de la reacción de

separación depende de la proteína que va a modificarse. Por ejemplo, algunas proteínas precursoras se

dividen en el retículo endoplásmico o en el aparato de Golgi; otras en las vesículas secretoras en

desarrollo (por ejemplo la insulina), y otras, como la colágena, se dividen después de la secreción. Los

cimógenos son precursores inactivos de las enzimas secretadas (incluidas las proteasas necesarias para

la digestión). Se activan mediante división cuando llegan a sus sitios de acción adecuados. Por ejemplo,

el cimógeno pancreático tripsinógeno se activa en tripsina en el intestino delgado. La síntesis de

enzimas como cimógenos protege a la célula de ser digerida por sus propios productos

Alteraciones covalentes: las proteínas, tanto enzimáticas como estructurales, pueden activarse o

desactivarse mediante la unión covalente de diversos grupos químicos: como por fosforilación,

glucosilación, hidroxilación.


309

Degradación de las proteínas: las proteínas defectuosas o destinadas a un recambio rápido se

marcan para su destrucción con la unión de ubiquinina, una pequeña molécula muy conservada. Las

proteínas con esta marca se degradan con rapidez en un componente celular llamado proteosoma, que

es un sistema proteolítico complejo dependiente de ATP que se localiza en el citosol.

En la Figura 7.53 se muestra un resumen del flujo de la información genética.

Figura 7.53. Flujo de información genética



310

7.2.6. Integración del metabolismo de carbohidratos, lípidos y nitrogenado

Este tema se encuentra básicamente ejemplificado con esquemas como los que se muestran en la

Figura 7.13, en la Figura 7.54 y en la Figura 7.55.

Figura 7.54. Diagrama de flujo resumiendo las relaciones mutuas entre los metabolismos de

carbohidratos, lípidos y proteínas

Fuente: Toporek (1984)


311

Figura 7.55. Esquema del aporte metabólico de los distintos tejidos



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