¿Qué es y qué significa el pKa de un ácido? Ecuación de Henderson-Hasselbalch

Un ácido fuerte en disolución acuosa se disocia totalmente:

AH → A^– + H⁺

Un ácido débil en disolución acuosa se disocia parcialmente:

AH ↔ A^– + H⁺

La constante de disociación se define como:

K_a = [A^–] [H⁺] / [AH]

Los ácidos fuertes tienen una K_a elevada, mientras que los ácidos débiles tienen una K_a baja.

El pK_a se define como:

pK_a = – log K_a

Desarrollando la ecuación:

K_a = [A^–] [H⁺] / [AH] → [H⁺] = K_a. [AH]/[A^–] → log [H⁺] = log K_a + log [AH]/[A^–]

Si K_a = [AH] → -log [H⁺] = -log K_a – log [A^–]/[AH] → pH = pK_a + log [A^–]/[AH]

Esta es la ecuación de Henderson-Hasselbalch.

Si [AH] = [A^–] → pH = pK_a

El pK_a de un ácido es el pH al cual el ácido está disociado al 50% (la concentración de la forma ácida es igual a la concentración de la forma básica). Es una medida de la fuerza del ácido: ácidos fuertes tienen un pK_a bajo y una K_a elevada, mientras que ácidos débiles tienen un pK_a elevado y una K_a baja.

Tampones Biológicos: Importancia y Funcionamiento

¿Qué es un tampón?

Los tampones, también llamados soluciones amortiguadoras, son sistemas que mantienen el pH relativamente constante ante la adición de pequeñas cantidades de ácido o base.

Los ácidos polipróticos pueden liberar varios protones, cada uno con un pK_a determinado. En el H₃PO₄ hay tres zonas tampón correspondientes a la disociación de cada uno de los tres protones. El tampón fosfato (formas diprótica y monoprótica, pK_a 6,9) es de gran importancia biológica. Los principales tampones biológicos suelen funcionar a valores de pH próximos a la neutralidad.

Los iones fosfato y bicarbonato, algunos ácidos orgánicos, aminoácidos (como la histidina), proteínas, lípidos y otras moléculas con grupos funcionales ácido-base, son los principales tampones o amortiguadores de pH en las células.

La capacidad tampón es máxima si pH = pK_a, es decir, cuando [AH] = [A^–]. El tampón funciona en un intervalo de una unidad de pH por encima o por debajo del pK_a. La fuerza del tampón aumenta con su concentración. Los equilibrios se rigen por la K_a y la K_w.

El bicarbonato es el compuesto amortiguador de la sangre (pH 7,4). Los H⁺ desplazan los equilibrios a la izquierda (se elimina CO₂ por los pulmones) y los OH^– desplazan los equilibrios a la derecha (más CO₂ disuelto). A baja pCO₂ (mucho HCO₃^–) se produce alcalosis respiratoria (por hiperventilación) o metabólica (por alteración renal). A elevada pCO₂ (poco HCO₃^–) se produce acidosis respiratoria (hipoventilación, enfisema, EPOC) o metabólica (acidosis láctica, cetoacidosis diabética).

Como el pK_a es 4,76, el tampón acetato funciona a valores de pH próximos a 4,8.

K_w = [H⁺] [OH^–] = 10^-14→ K_a = [CH₃COO^–] [H⁺] / [CH₃COOH] = 1,7 x 10^-5

Lectinas: Funciones en Procesos Biológicos

¿Qué son y para qué sirven las lectinas?

Las lectinas son proteínas ubicuas que se unen con alta afinidad y especificidad a carbohidratos en muchos procesos intercelulares (reconocimiento, adhesión) e intracelulares (señalización, tráfico de proteínas), algunos de ellos de gran importancia en el desarrollo de patologías. Las interacciones son específicas, mediadas por puentes de hidrógeno en áreas polares y fuerzas de van der Waals e interacciones hidrofóbicas en zonas apolares.

El transporte de proteínas desde el Golgi a los lisosomas requiere oligosacáridos con manosa-6-fosfato, reconocidos por una lectina que determina que las vesículas del Golgi se fusionen a los lisosomas liberando las glicoproteínas. Este sistema es necesario para la terapia enzimática de patologías lisosomales, como la enfermedad de Pompe.

Algunos procesos en los que participan las lectinas:

• Lectinas de plantas: actúan como disuasorios de insectos y herbívoros. La ricina es una lectina muy tóxica que inactiva a los ribosomas.
• Virus y bacterias: participan en procesos de adhesión e infección. La lectina HA del virus de la gripe se une a oligosacáridos de la superficie celular para la infección. La neuraminidasa, una sialidasa viral, corta el ácido siálico terminal para liberar las partículas virales. Las lectinas de Helicobacter pylori, bacteria que causa úlceras gástricas, median la adhesión a las glicoproteínas de las membranas. Algunas toxinas, como la del cólera (Vibrio cholerae) y la de la tos ferina (Bordella pertussis), se unen a los oligosacáridos de las membranas.
• Parásitos eucarióticos: los parásitos que causan malaria, enfermedad de Chagas, enfermedad del sueño o disentería amebiana tienen oligosacáridos especiales protectores.
• Células eucarióticas: las lectinas participan en interacciones intercelulares, inflamación y en procesos intracelulares como el tráfico de proteínas al lisosoma.

Aminoácidos no Proteicos y sus Funciones Biológicas

Existen aminoácidos no proteicos y derivados de gran importancia biológica, que incluyen:

• Neurotransmisores: GABA, serotonina, DOPA, dopamina.
• Hormonas animales: tiroxina, adrenalina, melatonina.
• Hormonas vegetales: ácido indolacético (IAA).
• Mediadores de respuestas celulares: histamina.
• Intermediarios metabólicos: homocisteína, citrulina, ornitina.
• Antibióticos: azaserina.

Algunos son β-aminoácidos (β-Ala, constituyente del coenzima A) o γ-aminoácidos (GABA). En ciertos antibióticos y en la pared celular de bacterias hay D-aminoácidos.

Ejemplos específicos:

• Hormonas animales: la adrenalina incrementa la frecuencia cardíaca, contrae los vasos sanguíneos, dilata los conductos de aire y participa en la reacción de lucha o huida del sistema nervioso simpático.
• Mediadores de respuestas celulares: la histamina interviene en respuestas locales del sistema inmune, como la alergia.
• Antibióticos: la azaserina actúa como inmunosupresor en las enfermedades autoinmunes y en algunos tipos de cáncer.
• Neurotransmisores: la dopamina inhibe la liberación de prolactina del lóbulo anterior de la hipófisis.

Niveles de Organización Estructural de las Proteínas

Las proteínas presentan diferentes niveles de organización estructural:

Estructura Primaria

La estructura primaria se refiere a la composición y orden de los aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Está especificada por la información genética. Los polipéptidos suelen tener de 100 a 1000 residuos. Las cisteínas (Cys) pueden unirse covalentemente por puentes disulfuro, considerados parte de la estructura primaria. Estos puentes suelen aparecer en péptidos y proteínas de secreción, como la insulina, ya que el interior celular es reductor y no se forman puentes disulfuro.

Estructura Secundaria

La estructura secundaria es la disposición de la cadena polipeptídica en segmentos de estructura regular como consecuencia de la formación de puentes de hidrógeno entre los grupos C=O y N-H de los enlaces peptídicos, sin considerar las conformaciones de las cadenas laterales. Se forman varias estructuras: hélice alfa, lámina beta, giros beta, giros gamma y bucles omega.

Estructura Terciaria

La estructura terciaria es la disposición tridimensional de la cadena polipeptídica íntegra debido a enlaces débiles entre grupos laterales R de residuos distantes en la secuencia, pero próximos en el espacio. Origina la conformación nativa (activa) de las proteínas monoméricas y describe el plegamiento de las estructuras secundarias regulares, que pueden resultar distorsionadas, incluyendo estructuras no repetitivas o irregulares relativamente ordenadas.

Interacciones responsables:

• Puentes de hidrógeno: entre grupos polares próximos internos y con el agua en el exterior.
• Interacciones electrostáticas o iónicas: puentes salinos entre grupos cargados en la superficie.
• Fuerzas de van der Waals: interacciones dipolo-dipolo en el interior “empaquetado”.
• Interacciones hidrofóbicas: restos apolares hacia el interior y polares hacia el exterior.
• Interacciones catión-π: entre la carga positiva de lisina (K) o arginina (R) y la nube electrónica de grupos aromáticos como fenilalanina (F), tirosina (Y) o triptófano (W).

La estructura terciaria de las proteínas también se estabiliza mediante los puentes disulfuro, enlaces covalentes entre cisteínas que aparecen principalmente en proteínas extracelulares y de secreción.

Estructura Cuaternaria

La estructura cuaternaria es la disposición tridimensional de las proteínas oligoméricas con varias cadenas polipeptídicas (subunidades o monómeros) unidas por interacciones débiles. Generalmente presentan estructuras simétricas. Se llama protómero a la unidad de repetición estructural, y puede contener una cadena polipeptídica o varias. Por ejemplo, la hemoglobina es una proteína oligomérica formada por dos protómeros αβ o cuatro subunidades, dos α y dos β. Las proteínas multiméricas se organizan según patrones de simetría helicoidal (espiral) o rotacional cíclica (C_n), diédrica (D_n) o poliédrica (tetraédrica, octaédrica o cúbica, icosaédrica).

Medidas de la Actividad Enzimática

• Unidad de actividad (U): cantidad de enzima que transforma un µmol de sustrato en producto en un minuto (µmol/min).
• Katal (kat): cantidad de enzima que transforma un mol de sustrato en producto en un segundo (mol/s).

Equivalencias:

1 U (1 µmol/min) = 1,667 x 10^-8 mol/s = 16,67 nkat

1 kat (1 mol/s) = 6 x 10⁷ µmol/min = 6 x 10⁷ U

La actividad suele referirse al volumen de la preparación enzimática (U/ml o kat/ml) y a la cantidad de proteína (actividad específica, U/mg o kat/mg). El número de recambio (actividad molar o molecular) es el número de moles de sustrato transformados por mol de enzima en la unidad de tiempo. Una molécula de enzima puede transformar hasta 600.000 moléculas de sustrato en producto en un segundo.

Ecuación de Michaelis-Menten y Parámetros de Cinética Enzimática

La ecuación de Michaelis-Menten describe la relación entre la velocidad de una reacción enzimática y la concentración de sustrato:

v = V_max [S] / (K_M + [S])

Significado de los parámetros:

• K_M (constante de Michaelis): concentración de sustrato a la cual la velocidad es la mitad de la máxima. Una K_M baja indica una elevada afinidad de la enzima por el sustrato, mientras que una K_M alta indica una baja afinidad.
• V_max (velocidad máxima): velocidad de la reacción cuando la enzima está saturada ([E]_t = [ES]). A mayor concentración de enzima ([E]_t), mayor V_max.
• k_cat (constante catalítica): también conocida como número de recambio o actividad molar, se calcula como k_cat = V_max / [E]_t. Representa el número de moléculas de sustrato convertidas en producto por una molécula de enzima por unidad de tiempo cuando la enzima está saturada.
• k_cat/K_M (eficiencia catalítica): es una medida de la eficiencia catalítica de la enzima. La máxima eficacia se alcanza cuando k₂ >> k_-1, en cuyo caso k₂/K_M = k₁. Sin embargo, k₁ nunca puede ser mayor que la frecuencia de las colisiones entre la enzima y el sustrato.

Si [S] >> K_M → v = V_max [S] / [S] = V_max (saturación, orden cero).