Elementos Traza y Tampones en Bioquímica

Elementos Traza

Son elementos que se encuentran en poca cantidad pero son necesarios para el organismo. Estos incluyen: Fe, Cu, Zn, Mn, Co, I, Mo, V, Ni, Cr, F, Se, Si, Sn, B, As.

Grupos Funcionales

Aportan características especiales a las moléculas.

Agua

Actúa como enlace entre diferentes componentes.

Tampones

Mantienen el pH constante. Son una mezcla de una especie débil con su respectiva forma débil conjugada. La curva de valoración muestra una zona de tamponamiento que se encuentra a ± 1 unidad de diferencia del pKa. El catabolismo genera H⁺. Los tampones biológicos se encuentran en el citoplasma, la sangre y la orina. Existen tres sistemas principales para mantener el pH sanguíneo en 7,4:

• Ácido carbónico/bicarbonato (Extracelular): Regulado por la anhidrasa carbónica.
• Proteínas (Extracelular e Intracelular): Si se agrega un ácido, las proteínas se protonan (H⁺); si se agrega una base, se desprotonan.
• Fosfatos (Intracelular).

Proteínas: Estructura y Función

Las proteínas están formadas por 20 aminoácidos estándar (19 son α-aminoácidos y la prolina es un α-iminoácido). Poseen un grupo amino primario y un grupo carboxilo. El carbono central se denomina α. Tienen de 2 a 3 grupos ionizables. El grupo R define la solubilidad en agua.

Clasificación de Aminoácidos

No Polares

Poseen cadenas hidrocarbonadas (CH) y un grupo R neutro. En las proteínas globulares, se encuentran en el interior debido a su baja reactividad. Ejemplos:

• Glicina (única hidrofílica)
• Alanina
• Prolina
• Valina
• Leucina
• Isoleucina
• Metionina

Aromáticos

Absorben luz UV. Ejemplos:

• Fenilalanina
• Triptófano (su grupo OH se une al agua)
• Tirosina

Polares sin Carga

• Serina
• Treonina
• Cisteína
• Asparagina
• Glutamina

La serina y la treonina tienen grupos OH, lo que las hace susceptibles a la fosforilación. La cisteína posee un grupo tiol (-SH) que puede formar puentes disulfuro. La asparagina y la glutamina son intermediarios del metabolismo nitrogenado.

Polares con Carga Positiva

• Lisina (trabaja con enzimas)
• Arginina (intermediario del ciclo de la urea)
• Histidina (actúa como tampón)

Polares con Carga Negativa

• Aspartato (desprotonado, ácido aspártico cuando está protonado)
• Glutamato (desprotonado, ácido glutámico cuando está protonado)

Aminoácidos Esenciales y No Esenciales

Esenciales

Deben ser obtenidos a través de la dieta. Incluyen:

• Histidina
• Isoleucina
• Leucina
• Lisina
• Metionina
• Fenilalanina
• Treonina
• Triptófano
• Valina

No Esenciales

Pueden ser sintetizados por el organismo. Incluyen:

• Alanina
• Asparagina
• Prolina
• Ácido aspártico
• Ácido glutámico

Propiedades Ácido-Base de los Aminoácidos

Al agregar una base fuerte, primero se disocia el grupo -COOH por ser más ácido.

• pK1: -COOH protonado
• pK2: -NH3 protonado
• pKr: Grupo R protonado
• pI (punto isoeléctrico): Se calcula con los pKa vecinos al zwitterión. Representa el pH en el que el aminoácido no migra en un campo eléctrico.

Cuando los aminoácidos forman un enlace peptídico, se denominan residuos o restos de aminoácidos.

Formación del Enlace Peptídico

El primer aminoácido pierde el OH del grupo COOH y el segundo aminoácido pierde el H del grupo NH3. La reacción es: OH + H → H2O (reacción de condensación, donde el α-NH3 actúa como nucleófilo para desplazar al OH).

Características del Enlace Peptídico

Es rígido, plano, trans y polar sin carga. Presenta resonancia. En una cadena de 5 restos de aminoácidos, hay 4 enlaces peptídicos.

Estructura de las Proteínas

Estructura Secundaria

α-Hélice

Los grupos R se ubican hacia el exterior. Se estabiliza mediante puentes de hidrógeno intracatenarios. Una vuelta de hélice contiene 3,6 residuos y 7 puentes de hidrógeno. Factores desestabilizantes incluyen la repulsión, el tamaño y la cercanía de los grupos R. La prolina rompe los puentes de hidrógeno. Las α-hélices son ricas en alanina.

Lámina β

Los grupos R sobresalen por encima o por debajo de los pliegues. Se estabiliza por puentes de hidrógeno intracatenarios. Se unen lateralmente. La dirección puede ser antiparalela o paralela (todas van de N a C). Factores desestabilizantes: aminoácidos con igual carga, tamaño y cercanía de los grupos R.

Giros

Formados por un máximo de 4 aminoácidos. Cambian la dirección del polipéptido.

Estructura Terciaria

Es la estructura tridimensional de la proteína. Puede ser fibrilar (alargada, laminar) o globular (esférica, como una pelota). Puede contener las estructuras secundarias de los tres tipos mencionados. Mantiene su forma mediante uniones estabilizadoras entre los grupos R, como puentes de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas (entre grupos apolares y aromáticos), interacciones iónicas (entre cationes y aniones) y puentes disulfuro (entre cisteínas). Los puentes disulfuro pueden ser intracatenarios (dentro de la misma cadena) o intercatenarios (entre cadenas diferentes). La mioglobina une O2 a los miocitos.

Estructura Cuaternaria

Es la asociación tridimensional de varias subunidades proteicas. Pueden ser dímeros (2 subunidades), tetrámeros (4 subunidades) u oligómeros (más de 4 subunidades). Si las subunidades son iguales, se denominan homómeros. Se estabiliza de la misma manera que la estructura terciaria. La hemoglobina es tetramérica, con 2 subunidades de tipo alfa y 2 de tipo beta. Cada subunidad puede unir O2 en su grupo hemo.

Desnaturalización de Proteínas

Implica la pérdida de la estructura nativa de la proteína debido a la ruptura de las uniones entre los grupos R. Puede ser causada por:

• pH: Los cambios en el pH alteran la carga de los grupos R, provocando repulsión o atracción donde no debería haber (puede ser reversible o irreversible).
• Temperatura: El aumento de la temperatura puede romper las interacciones débiles.
• Sustancias químicas: El aumento de la concentración de urea rompe los puentes de hidrógeno. Los detergentes desestabilizan las interacciones hidrofóbicas.
• Agentes reductores: Rompen los puentes disulfuro.

Enzimas: Catalizadores Biológicos

Las enzimas son altamente específicas para sus sustratos, efectivas en pequeñas cantidades, no se modifican ni se consumen en la reacción y tienen una acción regulada. Actúan a una temperatura y pH óptimos. Disminuyen la energía de activación, aumentan la velocidad de reacción y no afectan la dirección ni el equilibrio de la reacción.

Etapas de la Acción Enzimática

1. Formación del complejo enzima-sustrato: Es muy específica, se da por complementariedad geométrica (encajan) y de cargas (se atraen). Se describen dos modelos: llave-cerradura y encaje inducido.
2. Modificación temporal de la enzima y el sustrato: Ambos sufren una alteración en su estructura al unirse.
3. Catálisis: Se produce la reacción química mediante interacciones intermoleculares específicas entre los aminoácidos del sitio activo y el sustrato. Los grupos R de los aminoácidos disponibles catalizan la reacción. Existen tres tipos principales de catálisis:
   • General ácido-base: Los intermediarios pueden ser estabilizados por transferencia de H⁺.
   • Covalente: Se forma una unión covalente entre la enzima y el sustrato. La enzima tiene un grupo nucleofílico.
   • Ion-metálica: Se forma una unión covalente momentánea entre la enzima y el sustrato. El grupo nucleofílico de la enzima es un ion metálico.
4. Liberación de los productos: Una vez que el sustrato se convierte en producto, se libera. La enzima queda lista para repetir el proceso (se recupera).

Clasificación de las Enzimas

• Oxidorreductasas: Transfieren electrones o H⁺.
• Transferasas: Transfieren grupos funcionales.
• Hidrolasas: Catalizan reacciones de hidrólisis.
• Liasas/Sintetasas: Catalizan la adición de grupos a dobles enlaces o la formación de dobles enlaces por eliminación de grupos.
• Isomerasas: Transfieren grupos dentro de la misma molécula.
• Ligasas: Catalizan la formación de enlaces.

Cofactores, Coenzimas y Grupos Prostéticos

• Cofactores: Moléculas metálicas (Fe, Mg, Zn), termoestables. Forman parte de la enzima y son necesarios para la actividad de aproximadamente un tercio de las enzimas.
• Coenzimas: Moléculas orgánicas o metalo-orgánicas. Se unen transitoriamente a la enzima. Muchas son vitaminas o precursores vitamínicos (complejo B).
• Apoenzima: Enzima que carece de cofactor o coenzima (no los requiere para su actividad).
• Grupo prostético: Cofactor o coenzima unido covalentemente a la enzima.
• Holoenzima: Enzima catalíticamente activa unida a su cofactor o coenzima.
• Isoenzimas: Enzimas con diferente estructura pero que catalizan la misma reacción.

Cinética Enzimática

Enzimas Isostéricas

Tienen un solo sitio de unión. Su cinética se describe mediante una hipérbola. A altas concentraciones de sustrato, la velocidad disminuye hasta alcanzar una velocidad máxima (Vmax). La Km es la concentración de sustrato a la cual la velocidad de reacción es la mitad de la Vmax (Vmax/2). Indica la afinidad entre la enzima y el sustrato. Una menor Km indica una mayor afinidad. La Kcat es la constante catalítica y se calcula como Vmax/[E]total. Representa la eficiencia de la enzima por su sustrato. Una mayor Kcat indica una mayor eficiencia. La relación Kcat/Km (constante de especificidad) se denomina Kobs y compara la especificidad de diferentes enzimas. Una mayor Kobs indica una mayor especificidad.

Enzimas Alostéricas

Tienen más de un sitio de unión. Su cinética se describe mediante una curva sigmoidea. Están reguladas por un sitio alostérico. La Vmax representa la eficiencia. La K0,5 es numéricamente igual a la Km.

Moduladores de la Actividad Enzimática

Disminuyen la actividad enzimática. Se clasifican en:

• Irreversibles: Se unen covalentemente a la enzima (ej. aspirina y penicilina).
• Reversibles: Se unen débilmente a la enzima. Existen tres tipos:
  • Competitiva: Aumenta la Km.
  • Acompetitiva: Disminuye la Km y la Vmax (mayor afinidad pero menor eficiencia).
  • Mixta: Aumenta la Km y disminuye la Vmax.

Regulación de la Actividad Enzimática

1. Control a nivel de sustrato: El mismo sustrato inhibe la enzima, impidiendo el uso innecesario de sustrato y la acumulación de producto.
2. Inhibición reversible por productos (retroalimentación negativa): El producto final de una ruta metabólica inhibe la primera reacción de la ruta. Impide el uso innecesario de sustrato y la acumulación de producto e intermediarios de la reacción.
3. Activación/inhibición alostérica: Puede disminuir o aumentar la actividad enzimática.
4. Modificación covalente: Las enzimas pueden estar inactivas hasta que se unen fuertemente a una molécula. Puede ser reversible (fosforilación, metilación, acetilación y ADP-ribosilación) o irreversible (cascada de la coagulación, del complemento y activación proteolítica).

Termodinámica de las Reacciones Bioquímicas

• ΔG < 0: Reacción espontánea, exergónica (hacia adelante).
• ΔG > 0: Reacción no espontánea, endergónica.
• ΔG = 0: Equilibrio.

Las reacciones acopladas deben compartir intermediarios. El catabolismo es convergente, oxidativo y produce energía.

Metabolismo Energético: Periodos Postprandial y Postabsortivo

Periodo Postprandial

Ocurre después de comer. El nutriente principal es la glucosa y la hormona principal es la insulina (la adrenalina actúa como hormona secundaria). Favorece el uso de glucosa e inhibe el uso de ácidos grasos. El exceso de glucosa se almacena como glucógeno en el hígado y el músculo.

Periodo Postabsortivo

Ocurre en situación de hambre, de 2 a 4 horas después de comer. La glicemia es baja. Se degrada el glucógeno hepático. Se movilizan los ácidos grasos del tejido adiposo. Se utilizan los ácidos grasos como fuente de energía. La glucosa se reserva para el sistema nervioso central y los glóbulos rojos.

El hígado, el músculo, el riñón y el corazón funcionan degradando ácidos grasos. La glucosa puede provenir de:

• Glucogenólisis hepática: Degradación del glucógeno.
• Gluconeogénesis: Síntesis de nueva glucosa.

Glucólisis: Degradación de la Glucosa

Es la única fuente de energía para los glóbulos rojos, la médula renal y el cerebro. Consiste en 10 reacciones enzimáticas citoplasmáticas. Produce 2 moléculas de piruvato y 2 equivalentes reducidos de NADH.

• Fase preparatoria: Se gastan 2 ATP en las reacciones 1 y 3.
• Reacción 1: Glucosa + hexoquinasa → glucosa-6-fosfato.
• Reacción 3: Fructosa-6-fosfato + fosfofructoquinasa-1 → fructosa-1,6-bifosfato.

Secuencia de Reacciones de la Glucólisis

Es la vía central del catabolismo de la glucosa. Puede ser la única fuente de energía de algunos tejidos y es la única fuente para microorganismos anaerobios. Ocurre en el citoplasma y produce 2 ATP netos en 10 reacciones.

• Fase preparatoria (reacciones 1 a 5): Se consumen 2 ATP.
• Reacción 1: La hexoquinasa fosforila la glucosa para formar glucosa-6-fosfato (consume 1 ATP).
• Reacción 3: La fosfofructoquinasa-1 fosforila la fructosa-6-fosfato en el carbono 1 para formar fructosa-1,6-bifosfato (consume 1 ATP).
• Reacción 5: Termina con 2 moléculas de gliceraldehído-3-fosfato.
• Fase de ganancia (reacciones 6 a 10): Se generan 4 ATP y 2 NADH.
• Reacción 6: La gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa convierte el gliceraldehído-3-fosfato en 1,3-bifosfoglicerato (reacción redox). 2 NAD⁺ se reducen a NADH (es una oxidación y una fosforilación).
• Reacción 7: La fosfoglicerato quinasa convierte el 1,3-bifosfoglicerato en 3-fosfoglicerato (produce 2 ATP). Es la primera fosforilación a nivel de sustrato.
• Reacción 10: La piruvato quinasa convierte el fosfoenolpiruvato en piruvato y produce 2 ATP (segunda fosforilación a nivel de sustrato).

Energética de la Glucólisis

Las reacciones 1 y 3 consumen 2 ATP. Las reacciones 7 y 10 producen 4 ATP. El rendimiento neto es de 2 ATP.

Puntos de Regulación Alostérica de la Glucólisis

Las tres enzimas que catalizan reacciones irreversibles (quinasas) son puntos de regulación:

• Hexoquinasa: Regulada por su producto (glucosa-6-fosfato) y activada por fosfato.
• Fosfofructoquinasa-1: Alostérica. Inhibida por ATP y citrato, activada por AMP, ADP y fructosa-2,6-bifosfato.
• Piruvato quinasa: Alostérica. Inhibida por ATP y NADH, activada por ADP.

Reacciones de la Glucólisis que Representan el Uso de Reacciones Acopladas

Las reacciones 1, 3 y 10 tienen un ΔG negativo.

Destino de la Glucosa en Condiciones de Hipoxia

• Fermentación láctica: Produce 2 lactatos. Ocurre en el músculo.
• Fermentación alcohólica: Produce 2 etanol y 2 CO2. Ocurre en bacterias y microorganismos.

Función y Productos de la Fermentación

• Láctica: El piruvato se convierte en lactato por la lactato deshidrogenasa (NADH + H⁺ se convierte en NAD⁺: oxidación y el C2=O se reduce a HO-C2-H). Es una reacción redox citosólica. Es un circuito cerrado.
• Alcohólica: El piruvato se convierte en acetaldehído por la piruvato descarboxilasa, liberando CO2. El acetaldehído se convierte en etanol por la alcohol deshidrogenasa (se reduce) y el NADH + H⁺ se oxida a NAD⁺.

Importancia del Complejo Piruvato Deshidrogenasa

El piruvato se encuentra en el citosol e ingresa a la membrana externa mitocondrial a través de una porina. Debe ingresar a la membrana interna a través de un transportador simporte protón-piruvato. La piruvato deshidrogenasa (PDH) se encuentra en la membrana mitocondrial interna, mirando hacia la matriz (interior). La reacción genera acetil-CoA, es irreversible en tejidos animales y no forma parte del ciclo de Krebs.

Sustratos, Coenzimas y Mecanismo de Regulación de la Oxidación del Piruvato

El piruvato (3C) se convierte en acetil-CoA (2C) por el complejo piruvato deshidrogenasa, que requiere 5 coenzimas: coenzima A, TPP, lipoato, FAD y NAD⁺. Este último se reduce a NADH. Finalmente, se forma acetil-CoA y se libera un CO2.

Regulación:

• Alostérica: Inhibida por NADH y acetil-CoA, activada por NAD⁺ y CoA.
• Inhibición por producto: Acetil-CoA.
• Activación por Ca²⁺.

Ciclo de Krebs: Características y Reacciones

Es la vía de oxidación de la mayor parte de los carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos. Consiste en una serie de 8 enzimas que degradan el grupo acetilo del acetil-CoA, formando 2 CO2, 3 NADH, 1 FADH2 y 1 ATP. Siete de estas enzimas son libres y una está unida a la membrana mitocondrial interna: la succinato deshidrogenasa.

• Carácter anfibólico: Es catabólico y anabólico al mismo tiempo (intermediario de otros procesos).
• Anabolismo: El citrato produce ácidos grasos y esteroles. El α-cetoglutarato produce glutamato, que a su vez genera glutamina, prolina, arginina y purinas. El succinil-CoA produce porfirinas y grupos hemo. El oxaloacetato produce fosfoenolpiruvato, que genera glucosa. También forma serina, glicina, cisteína, fenilalanina, tirosina y triptófano. El aspartato genera asparagina, que puede generar pirimidinas. Debido a sus múltiples destinos, el oxaloacetato se agota rápidamente y se regenera mediante reacciones anapleróticas. El piruvato y el fosfoenolpiruvato pueden convertirse en oxaloacetato por acción enzimática.

Mecanismos de Regulación del Ciclo de Krebs

• Citrato sintasa: Regulación alostérica. Inhibida por ATP y activada por ADP. Inhibición por producto: citrato.
• Isocitrato deshidrogenasa: Regulación alostérica. Inhibida por ATP y activada por ADP. Activación por calcio.
• α-cetoglutarato deshidrogenasa: Inhibición por producto: succinil-CoA. Activación por calcio.

Reacción de Fosforilación a Nivel de Sustrato en el Ciclo de Krebs

• Reacción 3: Libera un carbono y forma un NADH y un CO2: isocitrato.
• Reacción 4: Libera un carbono y forma un NADH y un CO2: α-cetoglutarato.
• Reacción 5: Forma un GTP: succinil-CoA sintetasa.
• Reacción 6: Forma un FADH2: succinato deshidrogenasa.
• Reacción 8: Forma un NADH: malato deshidrogenasa.

Transporte de Electrones Mitocondrial

, incluyendo sus sustratos y productos.
3 complejos proteicos que atraviesas la membrana mitocondrial interna (I, II, IV) y uno que esta en la cara interna de la membrana mitocondrial interna (II) reacciones redox con intercambio de electrones
I. NADH deshidrogenasa: NADH se convierte en NAD y libera 2 electrones y bombea 4 protones al exterior
II. Succinato deshidrogenasa: FAHD pierde electrones y se convierte en FAD y no bombea protones
Ubiquinona: recibe 2 electrones de complejo I y de complejo II
III. Ubiquinona, citocromo c oxidoreductasa: recibe 2 electrones de ubiquinona y bombea 4 protones al exterior
Citocromo C: esta unido a III y recibe los 2 electrones
IV. Citocromo oxidasa: recibe 2 electrones de citocromo c, 2 subunidades, I: 2 grupos hemos tipo a y unión de cobre. II: 2 iones de cobre con. 2 cisteinas formando un centro binuclear. III. Y bombea 2 protones al exterior.     •Último aceptor de electrones es el oxigeno: se reduce y se convierte en agua

LA 13. el efecto de la gradiente de protones con la síntesis del ATP. : Protones son bombeados al espacio Intermembrana produciéndose un gradiente electroquímico, lo que genera energía libre lo que permite la síntesis de ATP por la ATP sintetasa, proteína transmembrana: F0: 4 a 5 subunidades (a, b, d y c, siendo la última la que forma el canal ) que reingresa protones a favor del gradiente y libera energía formando ATP (sitio catalitico de síntesis de ATP: subunidad B de F1) F1: parte citosolica de la proteína (matriz).  •Cada NADH forma 2,5 ATP y cada FADH forma 1,5 ATP

LA 14. los efectos de los inhibidores del transporte de electrones y la síntesis de ATP.
Inhibición transferencia de electrones: provoca menos transporte e, menos bombeo H, menos consumo de O2, menos síntesis de ATP. Complejo I: rotenona, Amital, piericidina A. Complejo III: antimicina, mixotiazol. Complejo IV: CO y CN-
Inhibición ATP sintasa: menos síntesis de ATP, inhibidor de la subunidad F0: oligomocina y venturicidina.
Desacoplándoles de fosforilacion de transferencia de electrones: transporte e normal, consumo O2 normal, menos síntesis de ATP, forma poros por donde los protones pasan: DNP, FCCP, CCCP y termogenina.

A. 18. en qué consiste la gluconeogénesis, sus sustratos, localización celular y los tejidos con mayor actividad gluconeogénica.
Síntesis de nueva glucosa a partir de motabolitos distintos, se activa por hipoglicemia, ocurre el 90% en el hígado y un 10% en riñones, son 11 reacciones reversibles, comienza con piruvato.

1 y 2 son el bypass 1, la 9 es el bypass 2 y la 11 es el bypass 3 (rodeo de irreversibles de glicolisis)
Bypass 1 (evitar usar piruvato quinasa): piruvato se convierte en oxaloacetato por la piruvato carboxilasa (mitocondrial) y este se convierte en fosfoenolpiruvato por PEP carboxiquinasa (mitocondrial o sitosolica)
Bypass 2 (evitar usar fosfofructoquinasa-1): fructosa 1,6 bifosfato se convierte en fructosa 6 fosfato por la fructosa 1,6 bifosfatasa (citosolica)
Bypass 3 (Hexoquinasa): glucosa 6 fosfato se convierte en glucosa por glucosa 6 fosfatasa (RETICULO ENDOPLASMÁTICO y solo esta en hígado y riñón)

LA. 19. Relacionar las reacciones de la gluconeogénesis con las de la glucólisis desde el punto de vista energético Gasta mucha energía para conseguir 1 glucosa: 4 ATP, 2 GTP y 2 NADH

LA. 20. Reconocer el destino de la glucosa producida en la gluconeogénesis hepática A la sangre para llegar a los tejidos que se encuentran en hipoglicemia

LA. 21. Reconocer el ciclo de Cori, el ciclo de la glucosa- alanina.
Glucógeno en el músculo – glucosa – glicolisis anaerobia forma 2 ATP y piruvato – pasa a lactato viaja por sangre al hígado donde se convierte en piruvato – gluconeogenesis + 6 ATP – Glicogeno que viaja al músculo
Glucosa – Alanina: alanina es transportador de amoniaco y del esqueleto carbonatado del piruvato. Proteína muscular se degrada, convierte en aminoácidos que liberan amoniaco es tóxico, el que se une al piruvato y forma alanina, es soluble y viaja por la sangre, llega al hígado, se reconvierte en piruvato y excreta amoniaco como urea, piruvato realiza gluconeogenesis.

LA. 22. Determinar el balance energético y reconocer la regulación de la gluconeogénesis por fructosa 2,6- bisfosfato, glucagón e insulina
1. Piruvato carboxilasa: regulada y activada por AcetilcoA
9. Fructosa 1,6 bifosfatasa: inhibida por AMP y Fructosa 2,6 bifosfato (la forma la PFK2 y la FBPasa 2 la degrada, dependen de hormonas, aumento de glucosa activa insulina quien es activador de PFK2 fomra F2,6BP activa la PFK1 y hay glicolisis pero no hay gluconeogenesis, disminución de glucosa activa glucagon activa FBPasa 2 la que convierte F2,6BP en fructosa 6 fosfato y por ende se activa FBPasa1 generando gluconeogenesis y no glicolisis). Enzima alosterica solo en hígado y riñón,