BIOMOLECULAS Corregido Noviembre 2012

8/10/2019 BIOMOLECULAS Corregido Noviembre 2012

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Barquisimeto, Diciembre 2012

UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTALLISANDRO ALVARADO

SISTEMA DE EDUCACION A DISTANCIADECANATO DE CIENCIAS DE LA SALUD

CURSO PREUNIVERSITARIO

BIOMOLCULAS

CURSO PREUNIVERSITARIO MEDICINA

DECANATO DE CIENCIAS DE LA SALUD.


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UNIDAD II. BIOMOLECULAS

Curso Preuniversitario. Biologa Celular. Niveles de Organizacin, 2011. Chvez, A., Olivares, M. y Papale J.

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TABLA DE CONTENIDO

PginaIntroduccin.. 4Objetivo terminal... 4Objetivos especficos. 4

Biomolculas.. 5Lpidos..... 6

Funcin 7Clasificacin de los lpidos.. 7

Lpidossimples 7Lpidos compuestos 8

Actividad Control 1 20Carbohidratos. 21

Funciones biolgicas de los carbohidratos.. 22Clasificacin de los carbohidratos... 25

Osas o monosacridos 26Clasificacin de las osas o monosacridos... 26Enantiomeros y anmeros. 28

Osidos 30Oligosacridos.. 31Polisacridos 32Homopolisacridos.. 33Heteropolisacridos. 36

Actividad Control 2. 39Protenas. 40

Aminocidos. Estructura y Funcin 41Clasificacin de los aminocidos 43

Enlace Peptdico 45Estructuras de la protenas. 46

Actividad Control 3... 52Enzimas 53

Clasificacin de las enzimas 53Centro activo 57Modelos: Llave cerradura y Encaje Inducido. 60Factores que afectan la velocidad de una reaccin enzimtica 61

Actividad Control 4 67cidos Nucleicos 68

cido desoxirribonucleico (ADN) 68Estructura del cido Ribonucleico (ARN). 77Tipos de ARN. 82

Expresin de la informacin gentica. 83Actividad Control 5 86


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INTRODUCCION

La vida de una clula depende de mltiples interacciones y reacciones entre sus

componentes qumicos. De all, la importancia de conocer los principios y eventosqumicos esenciales que rigen los procesos celulares a nivel molecular. En la presente

unidad se abordan las bases estructurales y la funcin de las biomolculas: lpidos,carbohidratos, protenas y cidos nucleicos. Estas macromolculas representan entre80% y 90% del peso en seco de la mayora de las clulas. El resto de la masa celularse compone de una variedad de pequeas molculas que incluyen los precursores de

las macromolculas.

OBJETIVOSOBJETIVO GENERAL Analizar los componentes estructurales de lpidos, carbohidratos, protenas y cidosnucleicos

OBJETIVOS ESPECFICOS1. Comprender la funcin de lpidos, carbohidratos, protenas y cidos nucleicos. 2. Clasificar los lpidos de acuerdo a sus componentes estructurales.

3. Clasificar los carbohidratos de acuerdo a sus componentes estructurales.4. Analizar la naturaleza qumica de los componentes estructurales de lpidos,carbohidratos, protenas y cidos nucleicos.5. Caracterizar los niveles de organizacin de las protenas y los enlaces qumicos quelos estabilizan.6. Comprender las funciones de los lpidos, carbohidratos, protenas y cidosnucleicos


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(cloruros, fosfatos, carbonatos), cationes (sodio, potasio, amonaco, calcio, magnesio,entre otros.).

Las molculas de naturaleza orgnica son mucho ms complejas y variadas quelas de naturaleza inorgnica. Se caracterizan por estar constituidas principalmente porcarbono, hidrgeno, oxgenoy, frecuentemente, estn tambin presentes nitrgeno,fsforo y azufre; otros elementos son a veces incorporados pero en mucha menor proporcin. Las biomolculas orgnicas pueden agruparse en cuatro grandes tipos:lpidos, carbohidratos, protenas y cidos nucleicos. Las biomolculas cumplendiversas funciones; por ejemplo, formacin de estructuras, regulacin del transportecelular, fuente de combustible celular, accin enzimtica y sealizacin

Las propiedades de las biomolculas son reflejo de la composicin de suselementos y de su estructura molecular o forma tridimensional, que a su vez,determina la especificidad de sus funciones.

Muchos de estos compuestos orgnicos, poseen estructuras relativamentecomplicadas y pesos moleculares altos. Los monmeros de las biomolculas se polimerizan para dar origen a macromolculas complejas, como es el caso de los polisacridos, protenas, lpidos compuestos y cidos nuclecos.

Un ejemplo de la importancia de la forma tridimensional de las molculas, serefleja en la capacidad de los antibiticos para interaccionar con una protena presenteen la cubierta de organismos patgenos, que posea forma complementaria. De estaforma, el hombre puede superar muchas enfermedades infecciosas. As mismo, elsabor de una comida puede ser percibido debido a que la forma tridimensional dedeterminadas molculas les permite unirse a receptores especficos.

Lpi dos

Los lpidos agrupan un conjunto de molculas orgnicas pequeas y muyheterogneas, que se caracterizan por ser insolubles en agua y solubles en disolventesorgnicos no polares, tales como, ter, benceno y cloroformo. En medio acuoso
http://es.wikipedia.org/wiki/Carbonohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgenohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgenohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Carbono


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lpidos compuestos, son aquellos cuya molcula presenta dos o ms componentesclaramente diferenciados, donde al menos uno de ellos, manifiesta propiedades delpido cuando se considera por separado. Este grupo de lpidos incluye a losacilglicridos entre los que se encuentran los triacilglicridos. Adems, incluye losfosfoglicridos y los esfingolpidos. En el cuadro 1 se muestra la clasificacin de loslpidos compuestos.Lpidos simples:Entre los lpidos simples son de vital importancia los cidos grasos.Los cidos grasos son cidos monocarboxlicos, (R-COOH) con una cadenahidrocarbonada de estructura variada (R) que puede ser lineal, ramificada o alicclica(Fig. 4).

Figura 4. Estructura de un cido graso La cadena hidrocarbonada es hidrofbica, mientras que el grupo carboxilo

COOH-, que posee una carga negativa a pH fisiolgico, es hidroflico. Las molculasque tienen regiones hidrofbicas e hidroflicas se denominan anfipticas. Los cidosgrasos difieren entre s en la longitud de sus cadenas hidrocarbonadas y la presencia oausencia de dobles enlaces. Los que poseen dobles enlaces se describen comoinsaturados; los que no poseen, se conocen como saturados (Fig. 5).

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Figura 5. Esquema de los cidos grasos saturados e insaturados


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En los cidos grasos insaturados distinguimos la configuracin cis y la trans(Fig. 6).

Figura 6. Configuraciones de los cidos grasos insaturados

Cuadro 1. Clasificacin de los lpidos compuestos

LPIDOS TIPO ESTRUCTURA EJEMPLOS

COMPUESTOS

Acilglicridos glicerol y cidos grasosMonoglicrido,

Diglicrido,Triglicrido.

Fosfoglicridosacidos grasos, glicerol-3-fosfato y un radicalorgnico

fosfatidilcolina,fosfatidilserina,

fosfatidilinositol,fosfatidilglicerol

Esfingolpidos:compuestos por un alcohol aminado de cadena larga, laesfingosina, unida a un cido graso mediante enlaceamida, formando la estructura bsica llamada ceramida.

Esfingofosfolpidosceramida, un grupo fosfatoy un radical orgnicounido al fosfato.

esfingofosfatidilcolinaesfingofosfatidiletanoamina(esfingomielina)

Esfingoglicolpidos: formados por cermida unida a mono u oligosacridos

Cerebrsidoscermida y galactosa oglucosa o una combinacinde ambas unidas entreellas.

cerebrogalactsido,aglutingenos de los grupossanguneos.

Sulftidos steres sulfricos de loscerebrsidos

Ganglisidosceramida, glucosa,galactosa y cido N-acetilneuramnico

GM2, GM4, GD3


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La fluidez de la membrana est controlada por la composicin de sus cidosgrasos y su contenido de colesterol. El estado rgido viene favorecido por la presenciade cidos grasos saturados, porque sus cadenas hidrocarbonadas rectas interaccionanmuy favorablemente unas con otras. Por otra parte, los cidos grasos insaturados,aumentan la fluidez de la membrana, debido a que el doble enlace cis produce unacodamiento en la cadena hidrocarbonada, lo que interfiere con el empaquetamientomuy ordenado de los cidos grasos y en consecuencia disminuye la temperatura defusin.

Los organismos procariotes regulan la fluidez de la membrana variando elnmero de dobles enlaces y la longitud de la cadena. Por ejemplo, en la membrana de

E. coli, la relacin de los cidos grasos saturados a los insaturados disminuye cuandola temperatura del cultivo pasa de 40 C a 27 C. Esta disminucin de la proporcinde cidos grasos saturados, evita que la membrana se vuelva demasiado rgida a latemperatura de 27 C.

Las propiedades de los cidos grasos y sus lpidos derivados dependen de la

longitud de la cadena y del grado de insaturacin. A menor longitud de la cadena ymayor nmero de insaturaciones, menor punto de fusin, es decir, mayor fluidez delos cidos grasos. Por el contrario, a mayor longitud de la cadena y menor nmero deinsaturaciones, mayor punto de fusin y, por ende, menor fluidez del cido graso.

De aqu que los cidos grasos de cadena larga se encuentran en estado slido atemperatura ambiente y los de cadena corta en estado lquido. Este hecho se explica porque las cadenas hidrocarbonadas intensifican las interacciones van der Waals amedida que se agranda el tamao de la molcula, razn por la cual sus puntos defusin aumentan con el largo de la cadena.

Entre los lpidos simples es necesario mencionar el Colesterol que pertenece algrupo de los esteroides. El colesterol o 3-hidroxi-5,6-colesteno es un esterol de 27


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tomos de carbono que se encuentra principalmente en las clulas animales. Elcolesterol, consta de un voluminoso ncleo esteroideo con un grupo hidroxilo en unextremo y una cadena hidrocarbonada en el otro extremo(Ciclopentanoperhidrofenantreno o esterano) (Fig. 7).

Figura 7. Estructura de la molcula de Colesterol

En los eucariotas el colesterol es el principal regulador de la fluidez de lamembrana. En las membranas biolgicas el colesterol se orienta paralelamente a lascadenas de los cidos grasos de los lpidos de membrana y el grupo hidroxilointeracciona con los grupos polares de los lpidos vecinos (Fig. 8).

Figura 8. Distribucin del colesterol en la bicapa lipdica.

Los procariotas carecen de colesterol, pero ste, se encuentra en distintascantidades en todas las membranas animales. Constituye casi el 25% de los lpidos dela membrana de ciertas clulas nerviosas pero est ausente en muchos


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compartimientos intracelulares. En el plasma es componente de las lipoprotenas (Fig.9).

Figura 9. Estructura de una Lipoprotena de baja densidad o LDL.

Lpidos compuestos:Acilglicridos:Este tipo de lpidos esta constituido por una molcula de glicerol, al cual seencuentran unidos cidos grasos mediante enlaces steres. Cuando el glicerol se

encuentra unido a un solo cido graso, el lpido resultante se denominamonoacilglicrido, cuando tiene unido dos cidos grasos, diacilglicrido y cuandotiene unido tres cidos grasos triacilglicrido, comnmente llamados triglicridos.

Los triglicridos, son los lpidos ms abundantes de la naturaleza, estncompuestos por glicerol y cidos grasos. Tienen como funcin almacenar energadebido a la presencia de cidos grasos en su estructura. (Fig 10).


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Figura 12. Estructura de los fosfoglicridos.

Figura 13. Lpidos de membrana

En la Figura 13 se puede observar el esquema general de los lpidos demembrana, la regin polar y la regin apolar de los lpidos de membrana anfipticos.

Los esfingolpidos contienen un alcohol aminado de cadena larga, laesfingosina y un cido graso unido mediante enlace amida. Esta estructura bsica sellama ceramida (Fig. 14 y 15).


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Los esfingoglicolpidos, son derivados de las ceramidas, que incorporan monou oligosacridos, unidos mediante enlace glicosdico, a la esfingosina (Fig. 11).Dependiendo de la naturaleza del carbohidrato, se distinguen diversosenfingoglicolpidos:los cerebrsidos, sulftidos y ganglisidos.

Los cerebrsidos son abundantes en las membranas plasmticas de las clulasnerviosas, pero tambin se encuentran en el resto de las clulas. En el cerebro selocalizan exclusivamente los cerebrogalactsidos, el cual presenta una molcula delmonosacrido galactosa unida a la esfingosina (Fig. 16). A nivel cerebral tambinencontramoslos sulftidos, que son steres sulfricos de los cerebrsidos (Fig. 17).

Los ms frecuentes son derivados de los cerebrogalactsidos

Figura 16. Estructura de un cerebrsido

.

Figura 17. Estructura de un sulftido Losganglisidosse localizan en las clulas ganglionares y en la mayora de los

tejidos. Estas biomolculas se diferencian del resto de esfingoglicolpidos en que


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contienen una o varias molculas de cido-acetilneuramnico (cido silico). Puedencontener entre uno u cuatro hexosas. Su nomenclatura hace referencia al nmero decidos silicos que contienen (M: monosializados; D: dializados y, as sucesivamente(Fig. 18).

Figura 18. Estructura de los ganglisidos.

Una biomembrana tpica contiene fosfoglicridos, esfingolpidos y colesterol.Estas molculas son anfipticas, tienen un grupo polar (hidroflico) y una reginhidrfoba. El efecto hidrfobo y las interacciones de van der Waals, hacen que losgrupos no polares se asocien entre s para formar una bicapa donde los grupos polaresse orientan hacia el medio acuoso. Aunque los lpidos tpicos de la membrana tieneneste carcter anfiptico en comn, difieren en sus estructuras qumicas y funciones enla membrana (Fig. 19 y 20).


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Figura 19. Disposicin de los lpidos en la bicapa.

Figura 20. Orientacin de los fosfolpidos en las membranas biolgicas.


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Las distintas membranas celulares varan en la composicin lipdica. Losfosfolpidos y los esfingolpidos se distribuyen asimtricamente en las dos hojuelasde la bicapa, mientras que el colesterol se distribuye en forma medianamenteequitativa en ambas hojuelas.

Actividad Control 1:

Una vez leda comprensivamente la informacin suministrada, realiza lasactividades siguientes:

1. Describa la estructura de un lpido simple y un lpido compuesto.

2. Elabore un cuadro sinptico donde establezca las diferencias estructuralesentre los lpidos compuestos.

3. Elabore un cuadro donde especifique los componentes estructuraleshidrfobos e hidrfilos de los lpidos de membrana.

4. Elabore un dibujo esquemtico, donde especifique los lpidos componentesde la membrana celular e indique su orientacin.

5. Describa las funciones de los lpidos.


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Carbohidratos

Los carbohidratos son el grupo de molculas ms abundantes en la naturalezaadems de ser muy verstiles. La energa solar es almacenada por las plantas verdes,las algas y algunas bacterias a travs del proceso fotosinttico en forma de glcidosmediante la fijacin del CO2 atmosfrico. A travs de las cadenas trficas, losglcidos de las plantas son la fuente de energa de los herbvoros, que a su vez, lo sonde los carnvoros. Por tanto, los glcidos sintetizados por las plantas son la principalfuente de carbono de los tejidos animales.

Los carbohidratos presentes en el organismo, son tanto de origen exgeno como

endgeno. Los primeros proceden de la dieta que contiene cereales (arroz, maz,trigo), hortalizas (bulbos, races, verduras), legumbres (alubias, garbanzos, guisantes,habas, lentejas), tubrculos (patatas), frutas, dulces, leche y productos lcteos (Fig. 21y 22).

Figura 21. Carbohidratos de la dieta diaria.


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sodio, la excesiva degradacin de protenas tisulares y la deshidratacin. Entre lasfunciones de los glcidos se encuentran:

1. Fuente de energa. Los glcidos constituyen la energa primaria delorganismo.

2. Biosntesis de cidos grasos y de algunos aminocidos.3. Componentes de molculas complejas, como las glicoprotenas,

glicolpidos y glicoesfingolpidos de la membrana plasmtica (Figuras 24 y 25).

Figura 24. Glicoprotenas de membranas.

Figura 25. Glicoprotenas y glicolpidos de membranas.

Tambin, son componentes de nucletidos (por ejemplo, la desoxirribosa en elADN y la ribosa en el ARN) (Fig. 26).


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Figura 26. Nucletido.

4. Aporte de fibras que facilitan el trnsito intestinal. Los carbohidratos queno pueden ser digeridos entre los que se encuentran la celulosa, las gomas, el agar yla lignina constituyen las fibras alimenticias y le dan volumen a las heces. Las fibrasalimenticias participan en prevenir la apendicitis, obesidad, hemorroides adems desu efecto hipocolesterolmico.

5. Componentes estructurales de los peptidoglicanos quienes forman parte delas paredes celulares de las bacterias.Los carbohidratos, pueden unirse a lpidos o a protenas de la superficie de la clula, y

representan seales de reconocimiento en la superficie celular. Tanto lasglicoprotenas como los glicolpidos de la superficie externa celular sirven comoseales de reconocimiento para hormonas, anticuerpos, bacterias, virus u otras clulas(Fig. 27).

Los carbohidratos son tambin los responsables antignicos de los grupossanguneos (Fig. 28).

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Figura 27. Carbohidratos en el reconocimiento celular

Figura 28. Grupos sanguneos

Desde el punto de vista estructural, los glcidos, azcares, carbohidratos osacridos son aldehdos o cetonas polihidroxilados (osas). Tambin pueden ser productos derivados de ellos por polimerizacin, (sidos), oxidacin, sustitucin,esterificacin o polimerizacin.Clasificacin de los carbohidratos. Atendiendo al nmero de molculas, puedenclasificarse en (a) monosacridos (osas) y (b) sidos, asociacin de varias molculasde osas, a veces con sustancias no glucdicas. Dentro de los primeros se encuentranlos monosacridos simples (comunes) y monosacridos derivados. Los sidos sedividen enholsidos (holosacridos) compuestos exclusivamente por molculas de


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osas y heterosidos (heterosacridos), que resultan de la combinacin de variasmolculas de osas con una fraccin no glucdica.

Dentro de los holosacridos estn los oligosacridos y polisacridos(homopolisacridos y heteropolisacridos). Dentro de losheterosacridos figuran los peptidoglicanos, glicoprotenas y proteoglicanos (Fig. 29).

Figura 29. Clasificacin de los carbohidratos

Osas o monosacridos.Los monosacridos (osas) son los carbohidratos ms simples puesto que no pueden desdoblarse en sustancias ms sencillas mediante hidrlisiscida.

Clasificacin de las osas o monosacridos.Las osas se clasifican:a) segn el nmero de tomos de carbono que poseen en: triosas (3C), tetrosas (4C), pentosas (5C), hexosas (6C) y heptosas (7C). b) segn la naturaleza del carbono carbonilo en: aldosas, si tienen una funcinaldehdo y cetosas si tienen una funcin cetona. Si el grupo carbonilo se localiza enun extremo es un grupo aldehdo y la molcula se conoce como aldosa, como la

glucosa. Si el grupo carbonilo se localiza en una posicin interna (forma un grupocetona), el azcar es una cetosa, como la fructosa (Fig. 30).


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Figura 30. Aldosa y cetosa.

Las osas en su frmula lineal se numeran en forma creciente de arriba haciaabajo. Osa es el sufijo caracterstico de los monosacridos y la parte del nombreque precede al sufijo no obedece a una nomenclatura sistemtica sino que es unreflejo de la historia y el origen del compuesto (Fig. 31).

Figura 31. Ejemplos de hexosas.

Las cetosas se denominan utilizando el nombre de la aldosa correspondienteinsertando la partcula ul antes del sufijo osa (ribosa y ribulosa). Los derivados

de los monosacridos, se producen por reacciones qumicas o enzimticas quemodifican los azcares simples. Entre stos, se encuentras desoxiazcares,aminoazcares, azcares cidos (Fig. 32).


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Figura 32. Derivados de monosacridos

Enantiomeros y anmeros.La mayora de los carbohidratos tienen la frmulaemprica (CH2O)n 3. La frmula molecular representa a una molcula indicando laclase y el nmero de tomos de cada clase que la componen. Debido a la complejidadde las molculas, es fcil encontrar compuestos con propiedades qumicas y fsicasdistintas que responden a la misma frmula molecular. Por ejemplo, compuestoscomo el cido lctico, gliceraldehdo y dihidroxiacetona, tienen frmula molecularC3H6O3. La razn de que sustancias con el mismo nmero y clase de tomos tengan propiedades diferentes, se debe a que sus tomos tienen distinta ordenacin espacial.


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Los compuestos con la misma frmula molecular que muestran distintas propiedades,reciben el nombre de ismeros (Fig. 33).

Figura 33. Formacin de ismeros.

Algunas molculas (como la mayora de los azcares) tienen varios carbonosasimtricos, lo que multiplica la posibilidad de isomera. En este caso, se distinguenlos ismeros especulares, enantimeros o antpodas pticos (imgenes especulares)de los diasteroismeros o ismeros pticos no especulares.

La existencia de uno o varios carbonos asimtricos en todos los monosacridossimples, excepto en la cetotriosa dihidroxiacetona, implica numerosas posibilidades

de configuracin espacial de la cadena carbonada. En el caso ms sencillo, el de laaldotriosa gliceraldehido, existe un centro de asimetra, lo que da lugar a dosconfiguraciones posibles, conocidas como ismeros D y L que son enantimeros(Revisar material de isomera del mdulo III de Qumica Orgnica).

La estructura habitual de los azcares no es la forma aldehdica o cetnicaabierta que se ha considerado anteriormente, sino que en la mayor parte de lasmolculas, se establece reversiblemente un enlace hemiacetlico interno entre el

carbonilo y uno de los hidroxilos, dando lugar a molculas en anillo o cclicas,adquiriendo una forma pentagonal (similar al furano) o hexagonal (similar al pirano),denominndose los monosacridos furanosas o piranosas respectivamente.

Por otra parte, cuando los monosacridos se ciclan, elcarbono carbonlico delos grupos aldehdo y cetona recibe el nombre de carbono anmerico, formndose un


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nuevo centro quiral y, por ende, un nuevo tipo de estereoismeros conocidos comoanmeros.Se distinguen los anmeros y , segn la configuracin delalcohol delcarbono anmerico. El anmero, presenta el -OH del carbono anomerico por debajodel plano y el anmero lo presenta por encima del plano.(Fig. 34).

Figura 34. Representacin esquemtica de los anmeros y de la glucosa.

Osidos.

Holosidos (Oligosacridos)Los oligosacridos y los polisacridos son compuestos qumicos que se forman

debido a la asociacin de varias molculas de osas unidas entre s por enlacesglicosdicos o glucosdicos. El enlace glicosdico se forma entre el OH del carbonoanomrico y el hidrgeno de uno de los grupos que se sealan abajo, con la liberacinde una molcula de agua (Fig. 35):

Un grupo OH: denominndose enlace O-glicosdico. Enlace formado entredos monosacridos para formar oligosacridos y polisacridos.

Un grupo -NH2: denominndose enlace N-glicosdico. Enlace encontrado enlos nucletidos.

Un grupo SH: denominndose S- glicosdico.


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Los enlaces glicosdicos se denotan de la siguiente manera: se coloca primero ladenominacin o , segn la orientacin del grupo OH del carbono anmerico queinterviene en el enlace y luego entre parntesis el nmero de los carbonos queintervienen enel enlace, separados por un guin: Ejemplo (1-4), (1-4), (1-6).

Figura 35. Enlace glucosdico.

OligosacridosLos oligosacridos contienen entre dos y diez molculas de osas. En tal sentido

se clasifican como disacridos, trisacridos y as sucesivamente de acuerdo al nmerode osas que se encuentren unidas. Los ms abundantes son los disacridos, formados por dos monosacridos iguales o diferentes. Los disacridos, se forman porcondensacin de dos osas con prdida de agua. Entre estos, se encuentran la sacarosa


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(enlace glicosdico (1-2)), la maltosa (enlace glicosdico (1-4)) y la lactosa(enlace glicosdico(1-4)) (Fig. 36, 37 y 38).

Figura 36. Sacarosa.

Figura 37. Disacrido Maltosa.

Figura 38. Lactosa.

Polisacridos.Los polisacridos se forman de la condensacin de ms de 10molculas de osas. Los polisacridos se clasifican en homopolisacridos y

heteropolisacridos. Los primeros, resultan de la condensacin de molculas de unamisma osa y los heteropolisacridos resultan de la condensacin de un gran nmerode molculas de diversos tipos de osas.


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Homopolisacridos. Desde el punto de vista funcional, se distinguenhomopolisacridos de reserva como el glucgeno y el almidn y homopolisacridosestructurales como la celulosa, lignina y quitina.

El glucgeno y el almidn, representan las formas de depsito de glucosa en lasclulas animales y plantas respectivamente. Ambos polisacridos, estn compuestos por molculas de glucosa , unidas entre s mediante enlaces (14) y puntos deramificacin, donde el carbono 1 de una glucosa, se une al carbono 6 de otramolcula, mediante enlaces (1 6) (Fig. 39 y 40).

Figura 39. Estructura del glucgeno.

Figura 40. Estructura del Almidn.

El glucgeno, principal polisacrido de reserva del organismo humano, sealmacena principalmente en el hgado y msculo esqueltico; constituye el reservorionutricional de glucosa que permite su rpida movilizacin. El glucgeno se almacena


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en forma muy concentrada como grnulos citoplasmticos. Las molculas deglucgeno pueden polimerizarse hasta alcanzar en promedio, un peso molecular, de 5millones o ms Daltons.

La mayora de las plantas almacenan su excedente de energa qumica en formade almidn, un polmero de la glucosa igual que el glucgeno. Las patatas y loscereales, contienen almidn. El almidn es una mezcla de dos polmeros diferentes,amilosa y amilopectina. La amilosa es una molcula helicoidal no ramificada cuyosazcares estn unidos por enlaces (14) (Figura41). La amilopeptina esramificada (Fig. 42), y posee sus ramificaciones cada 25-30 unidades de glucosalineal. En ese sentido difiere del glucgeno quien tiene los puntos de ramificacin

cada 8-12 monmeros de glucosa. La amilopeptina puede tener un peso moleculartotal de unos 500 000 daltons.

Figura 41. Estructura de la amilosa.

Figura 42. Estructura de la amilopectina.


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Heteropolisacridos.Los heteropolisacridos, segn la presencia de nitrgeno o no en su molcula,

se dividen en heteropolisacridos no nitrogenados como la pectina y enheteropolisacridos nitrogenados como los glicosaminoglucanos oglucosaminoglucanos o tambien llamados mucopolisacridos. Las pectinas sedistribuyen en la pared celular de las plantas, frutos ctricos, manzanas, remolachas yzanahorias.

Los glucosaminoglucanos resultan de la polimerizacin de unidades dedisacridos elementales, constituidas generalmente por una molcula de N-acetilglucosamina o N-acetilgalactosamina, portadora o no de grupos sulfatos y una

molcula de cido hexurnico. A su vez, se pueden clasificar en estructurales (cidohialurnico, la condroitina y la condroitina sulfato) y de secrecin (heparina, mucoitnsulfatos). Los glucosaminoglicanos estructurales forman parte de la sustanciafundamental del tejido conjuntivo y se presentan unidos a protenas, constituyendolos proteoglicanos. La heparina tiene propiedades anticoagulantes; y los mucoitnsulfatos, presentes en el mucus segregado por las glndulas del tracto digestivo yrespiratorio, intervienen en la proteccin de los tejidos.

Los heterosidos o heterosacridosque resultan de la combinacin de una ovarias molculas de osas con una fraccin no glucdica, se pueden clasificar enpeptidoglicanos, glicoprotenas y proteoglicanos.

Los peptidoglicanos, constituidos por cadenas de polisacridos paralelas entresi y unidas transversalmente mediante cadenas laterales peptdicas (Fig. 45),confieren a la pared bacteriana una forma caracterstica y un soporte mecnico que protege a las bacterias de la lisis osmtica


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Figura 45. Peptidoglicanos, componentes de la pared celular.

Las glicoprotenas resultan de la unin de una fraccin glucdica con unafraccin proteica a travs de enlaces covalentes. La fraccin hidrocarbonada est

representada por una o varias cadenas glucdicas, generalmente ramificadas y de pequeo tamao, unidas a la secuencia polipeptdica. Se encuentran ampliamentedistribuidas, a nivel de secreciones (ejemplo: saliva, jugo gstrico, mucus cervical,leche), plasma (protenas plasmticas), hormonas, enzimas, membrana celular) Fig.46).

En la figura 47 se muestra la estructura de unProteoglicano. La molculacentral de esta macromolcula es el cido hialurnico (Fig. 48).


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Figura 46. Figura.46. Glicoprotena: carbohidratos unidos a la asparagina de un polipptido.

A partir de esta cadena central se proyectan las largas protenas del proteoglicano, con pesos moleculares de entre 250.000 y 350.000. Estas protenasenlazadas al cido hialurnico, sirven a su vez, de punto de anclaje de numerosascadenas de polisacridos (glucosaminoglicanos), razn por la cual se le denominan protenas centrales del peptidoglicano.

Figura 47. Proteoglicano.


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Figura 48. Peptidoglicano componente de la matriz extracelular.

Actividad Control 2: Una vez comprendida la informacin, realiza lasactividades siguientes:

1. Describa estructuralmente el monosacrido D-Galactosa.2. Escriba la frmula estructural de la D-Glucosa y la D-Fructosa.3. Escriba los nombre de los disacridos comunes y establezca sus

diferencias estructurales.4. Elabore un cuadro donde establezca las diferencias estructurales entre

los polisacridos.5. Elabore un cuadro donde especifique las diferencias estructurales entre

los heterosacridos.6. Represente de manera esquemtica la formacin de un enlace

glicosdico entre glucosa y galactosa.7. Describa las funciones de los carbohidratos.


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PROTEINAS

Las protenas son macromolculas cuyas unidades fundamentales o monmerosson los aminocidos, los cuales se encuentran unidos formando una cadena lineal. Elnombre pr otena proviene de la palabra griega ("prota"), que significa "lo primero".

Las protenas desempean una gran variedad de funciones en los seres vivos,siendo las biomolculas ms verstiles y ms diversas. Entre las funciones querealizan las protenas se destacan:

Funcin estructural, llevada a cabo por protenas fibrosas como: colgeno y

queratina. Las queratinas son protenas insolubles en agua presentes en losanimales: el pelo, la piel, la lana, las escamas, las plumas, las pezuas, loscuernos y la seda.El colgeno es la principal protena fibrosa de los tejidos conectivos de losanimales, constituyendo alrededor de un tercio o ms de la protena total delcuerpo. Las fibras de colgeno forman los tendones, el pellejo de los animales,la crnea, huesos y otros tejidos conjuntivos. Las fibrillas de colgeno presentan siempre un estriamiento transversal caracterstico cuando sonobservadas por medio de microscopio electrnico. La distancia que se repitees de unos 60 a 70 nm, segn el tipo de colgeno y la especie estudiada. Alhervir el colgeno con agua ste se convierte en gelatina.

Funcin reguladora, desempeada por ciertas protenas como por ejemplo lainsulina y hormona del crecimiento.

Funcin transportadora, en ste caso se puede citar la hemoglobina quien

puede unir al oxgeno de forma reversible en la sangre, una diversidad de protenas motoras responsable del transporte de molculas y organelas en laclula, entre muchas otras.

Funcin de defensa, llevada a cabo por los anticuerpos (inmunoglobulinas).


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Funcin enzimtica, realizada por una gran variedad de protenas, necesarias para la realizacin eficiente de las funciones biolgicas.

Funcin contrctil, desempeada por protenas componentes del citoesqueletocelular tales como actina, miosina, troponina y tropomiosina.

Como las protenas estn constituidas por aminocidos, es necesario analizar laestructura de los aminocidos.

AminocidosEstructura de los aminocidos

Un aminocido es una molcula orgnica que posee en su estructura molecularun grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH; cido), ambos unidos a uncarbono central denominado car bono . Adems, al carbono se encuentra unido ungrupo R o cadena lateral que permite diferenciar un aminocido de otro. Como losgrupos amino y carboxilo se encuentran unidos al carbono , a estos aminocidos seles denomina -aminocidos (Fig. 49).

Figura 49. Estructura de los-aminocidos

Los aminocidos, presentan un carbono quiral(carbono ), por lo que los -aminocidos presentan isomera ptica, tal y como se estudi en el mdulo III deQumica Orgnica, presentando dos formas enantiomricas la D y la L.


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Cuando el grupo amino, del aminocido, est orientado a la izquierda elenantiomero es del tipo L y cuando est orientado a la derecha, el enantiomero es deltipo D. En el ser humano, encontramos aminocidos del tipo L. Sin que estosignifique que no existen aminocidos del tipo D (Fig. 50).

Figura 50. Ismeros L y D de los aminocidos

Las protenas estn conformadas por 20 tipos de -aminocidos, los cuales sediferencian uno de otro por su cadena lateral R. A continuacin se muestran losdiferentes aminocidos que conforman las protenas (Fig. 51).


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Figura 51. Aminocidos proteicos

Clasificacin de los aminocidos

De acuerdo a las propiedades de su cadena lateral, los aminocidos puedenclasificarse en cuatro categoras.1. Aminocidos no polares (Apolares) que no interaccionan con el agua. En ste

grupo se encuentra la glicina que es el aminocido ms pequeo puesto que sucadena lateral est compuesta por un tomo de hidrgeno. Alanina, valina, leucinae isoleucina tienen cadenas laterales hidrocarbonadas compuestas por hasta cuatrotomos de carbono. Las cadenas laterales de estos aminocidos son hidrofbicasrazn por la que se localizan en el interior de las protenas, fuera de contacto con


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el agua. La prolina tiene una cadena lateral hidrocarbonada, siendo el nicoaminocido cuya cadena lateral se encuentra ligada al nitrgeno del grupo aminoas como al carbono alfa, formando una estructura cclica. Cisteina y metioninacontienen en sus cadenas laterales tomos de azufre. La metionina es unaminocido bastante hidrofbico, mientras que el grupo sulfhidrilo (SH) presenteen la cisteina hace que disminuya su hidrofobicidad. El grupo sulfhidrilo de lacisteina cumple un papel muy importante en la estructura proteica puesto que atravs de ese grupo qumico se forman los enlaces disulfuro, entre los residuos decisteina. Los aminocidos fenilalanina y triptfano tienen en sus cadenas lateralesanillos aromticos que los hacen muy hidrofbicos.

2. Los aminocidos polares sin carga (Polares neutros) son serina, treonina, y tirosinaque tienen en sus cadenas laterales grupos hidroxilos, y los aminocidosasparagina y glutamina tienen grupos polares amida (O=C-NH2). Estosaminocidos tienen la capacidad de formar enlaces de hidrgeno con el agua.Estos aminocidos son hidroflicos, tienden a localizarse en la parte externa de las protenas.

3. Los aminocidos bsicos (Polares con carga positiva): lisina, arginina e histidina

tienen cadenas laterales cargadas positivamente. Por tanto, son muy hidroflicos yse encuentran en contacto con el agua en la superficie de las protenas. La histidinatiene la particularidad de encontrarse sin carga o cargada positivamente a pHfisiolgico, hecho que le permite cumplir una funcin activa en reaccionesenzimticas que implican el intercambio de iones de hidrgeno.

4. El cido asprtico y el cido glutmico poseen cadenas laterales cidas queterminan en grupos carboxilos. Estos aminocidos tienen cargas negativas (Polarescon carga negativa) dentro de la clula, por lo que generalmente se denominanaspartato y glutamato. Al igual que los aminocidos bsicos, los aminocidos concarga negativa por lo general se localizan en la superficie de las protenas.


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Enlace peptdicoEl enlace peptdico es un enlace covalente que se forma entre el grupo amino (

NH2) de un aminocido y el grupo carboxilo ( COOH) de otro aminocido. Tal y

como se observa en la Figura 52, la reaccin ocurre entre el OH del grupo carboxlicode un aminocido y un tomo de hidrgeno del grupo amino del otro aminocido,liberndose una molcula de agua y se forma el enlace peptdico que no es ms queun enlace amida sustituido.

Figura 52. Formacin del enlace peptdico

Los pptidos y las protenas estn formados por la unin de aminocidosmediante enlaces peptdicos. Cuando las cadenas pptidicas presentan menos de 10aminocidos se denominanoligopptidos, si presentan ms de 10 aminocidos sellamanpolipptidos y si poseen ms de 100 aminocidos se denominanprotenas.:Tambien se acepta la clasificacin: Oligopptidos: 2-20 residuos de aminocidos, polipptidos >20 a 50 residuos de aminocidos y protenas > 50 residuos deaminocidos.


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Segn las unidades polipeptdicas que la componen, las protenas se clasificanen: monomrica si una protena est constituida por una sola cadena polipeptdica y siest formada por varias cadenas polipeptdicas se denomina multimrica (uoligomrica).

Estructura de las protenas

Las protenas presentan 4 niveles de organizacin estructural:

Estructura primaria: La estructura primaria de las protenas viene determinada porla secuencia de aminocidos en la cadena proteica, es decir, el nmero deaminocidos presentes y el orden en que estn enlazados. El orden y la composicin

de los aminocidos presentes en las protenas vienen definidos por el cdigo genticoo ADN de los individuos (Figura 53).

Figura 53. Estructura primaria de las protenas


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Estructura secundaria: La estructura secundaria de las protenas es el ordenamientoregular que la cadena polipeptdica adopta en determinadas regiones de la molcula,gracias a la formacin de enlaces o puentes de hidrgeno entre los grupos CO y NHdel enlace peptdico. Entre los plegamientos que adoptan estas cadenas polipeptdicasse encuentran las hlices alfa (Fig. 54), lmina plegada u hoja plegada (Fig. 55 y 56)y hlice del colgeno que est formada por hlices ms abiertas y rgidas que en la

estructura de -hlice.

Figura 54. Estructura secundaria de las protenas en alfa hlice.


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Figura 55. Estructura secundaria de las protenas en lmina plegada

Figura 56. Estructura secundaria en lmina plegada observada en las fibrillas beta amiloides caractersticasde la enfermedad de Alzheimer.


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Estructura terciaria: La estructura terciaria de las protenas es el modo en el que lascadenas polipeptdicas se pliegan, como resultado de las interacciones entre lascadenas laterales de los aminocidos que conforman la protena. Esta estructura seencuentra estabilizada por enlaces covalentes entre los residuos de cistena,interacciones inicas, puentes de hidrgeno, interacciones de Van der Waals y elefecto hidrofbico (Fig. 57).

Figura 57. Modelo de la Estructura terciaria de la Piruvato Kinasa

Estructura cuaternaria: La estructura cuaternaria se refiere a la ordenacin espacialde las subunidades polipeptdicas que componen a las protenas que poseen ms deuna cadena; son llamadas protenas multimricas u oligomricas. Los monmeros pueden ser iguales o diferentes (homopolmeros o heteropolmeros). Las subunidadesse asocian entre s mediante interacciones no covalentes, tales como puentes dehidrgeno, interacciones hidrofbicas o puentes salinos (Fig. 58).


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Figura 58. Modelo de la estructura cuaternaria de la hemoglobina. Las subunidades constituyentes de laprotena estn representadas en diferentes colores.

La hemoglobina es una protena tetramrica (posee cuatro subunidades polipeptdicas), que suele emplearse como ejemplo de protena con estructuracuaternaria. La hemoglobina se encuentra entre las protenas oligomricas mssencillas.

Las protenas oligomricas poseen pesos moleculares relativamente elevados.Por el hecho de contener mltiples cadenas, donde cada una puede presentar unaconformacin caracterstica, su conformacin tridimensional es ms difcil deanalizar a travs de mtodos de rayos X.

Configuracin y conformacin Es importante aclarar el significado de dos trminos que son confundidos con

frecuencia, dada la importancia de su utilizacin correcta puesto que son utilizadosregularmente. El trminoconfiguracin significa la ordenacin en el espacio de los


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grupos sustituyentes en los estereoismeros, estas estructuras no puedeninterconvertirse sin que se produzca la ruptura de uno o ms enlaces covalentes. Eltrmino conformacin hace referencia a la ordenacin espacial de los grupossustituyentes que son libres de adoptar muchas posiciones diferentes sin que se produzca ruptura de enlaces, debido a que existe la posibilidad de rotacin alrededorde los enlaces simples de la molcula.

En el caso particular de las cadenas polipeptdicas, el esqueleto covalente poseeal menos formalmente enlaces simples. En consecuencia cabra esperar que lascadenas polipeptdicas tuvieran un nmero infinito de conformaciones posibles y, quela conformacin de cualquier polipptido experimentara un cambio constante debido

a los movimientos trmicos.En la realidad ocurre que, en condiciones normales de temperatura y pH, las

cadenas polipeptdicas de una protena poseen una sola conformacin. Estaconformacin es lo que se conoce comoconformacin nativa, confirindoleactividad biolgica suficientemente estable a la protena, de forma tal que la molcula puede ser aislada fcilmente y retenida en su estado nativo. Esto implica que losenlaces simples en el esqueleto de la protena no pueden girar libremente.

Actividad Control 3

1. Describa estructura general de un aminocido.2. Elabore un cuadro donde especifique el nombre de los aminocidos y sus

partes estructurales que los caracterizan como polar o no polar.3. Defina los niveles de organizacin de las protenas y especifique los tipos de

enlace que estabiliza a cada uno de ellos.4. Explique brevemente la relacin entre la naturaleza qumica de los

aminocidos, conformacin y funcin de las protenas.5. Describa la funcin de las protenas.


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ENZIMASLasenzimasson biocatalizadores, que aceleran diversas reacciones qumicas en

los sistemas biolgicos, debido a su capacidad para unirse especficamente a un grannmero de molculas. Las clulas contienen miles de enzimas diferentes y susactividades determinan los tipos de reacciones qumicas. Tambin, ocurren reaccionesenzimticas a nivel extracelular, como es el caso de las catalizadas por enzimasdigestivas.

Las enzimas aceleran las reacciones qumicas en el organismo, bajocondiciones compatibles con la vida, que de lo contrario, requeriran condicionesextremas de temperatura y pH. Por ejemplo, la hidratacin del dixido de carbono escatalizada por una enzima muy rpida denominada anhidrasa carbnica. En ausenciade esta enzima, la transferencia de CO2 desde los tejidos a la sangre y desde sta alaire alveolar sera incompleta.

Clasificacin de las enzimasDebido al gran nmero de enzimas que se conocen, la International Union of

Biochemistry ha establecido un sistema segn el cual las enzimas se clasifican en seisgrupos, de acuerdo con el tipo de reaccin que catalicen:1. Oxido-reductasas: catalizan reacciones de oxido reduccin o transferencia de

tomos de hidrgeno o electrones de un sustrato a otro. Ejemplo: deshidrogenasasy oxidasas.

2. Transferasas: transferencia de grupos funcionales entre dadores y aceptores. Losgrupos que con ms frecuencia son transferidos son grupos amino, acilo, fosfato,glucosilo y monocarbonados.

3. Hidrolasas: catalizan reacciones que implican la ruptura hidroltica de enlaces C-

O, C-N, O-P y C-S. Los fragmentos resultantes son transferidos a loscomponentes del agua (OH y H). Ejemplo: esterasas, carbohidrasas, amilasas y peptidasas.

4. Liasas: catalizan reacciones en las que se rompen enlaces C=C, C=N y C=O, sinintervencin de agua o adicin a los dobles enlaces.


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5. Isomerasas: catalizan reacciones de isomeracin.6. Ligasas: formacin de enlaces con escisin de molculas de ATP.

Cuadro 2. Clasificacin de las enzimas

1. xido-reductasas(Reacciones de oxido-reduccin).

Si una molcula se reduce, tieneque haber otra que se oxide

2. Transferasas(Transferencia de grupos funcionales)

grupos aldehidos gupos acilos grupos glucosilos grupos fosfatos (kinasas)

3. Hidrolasas(Reacciones de hidrlisis)

Transforman polmeros enmonmerosActan sobre: enlace ster enlace glucosdico enlace peptdico enlace C-N

4. Liasas(Adicin a los dobles enlaces)

Entre C y C Entre C y O

Entre C y N

5. Isomerasas(Reacciones de isomerizacin)

6. Ligasas(Formacin de enlaces, con gasto deATP)

Entre C y O Entre C y S Entre C y N Entre C y C

La actividad cataltica de las enzimas implica su unin a los sustratos (S) paraformar un complejo (ES). El sustrato se une a una regin especfica de la enzima (E),que se denomina sitio activo y se convierte en producto (P) que se separa de laenzima. La enzima, no se altera por la reaccin y el equilibrio qumico entre sustratos


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y productos se mantiene inalterado. As, la enzima puede nuevamente reanudar otrociclo cataltico. (Fig. 59).

Figura 59. Ciclo cataltico de la enzima.

El efecto de la enzima en una reaccin se puede representar siguiendo loscambios energticos que ocurren durante la conversin de S a P (Figura 60).

Figura 60. Diagrama energtico


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Para que los sustratos se conviertan en productos, deben alcanzar una estructuramolecular temporal de mxima energa, llamada estado de transicin, que tiene mayorenerga que S o P.

Tal como se observa en la Figura 60, las enzimas aceleran reacciones porquereducen la energa de activacin, necesaria para alcanzar elestado de transicin.Como este estado de mayor energa se alcanza ms rpidamente que en las reaccionesno catalizadas, la velocidad de la reaccin se incrementa. El reconocimiento de lossustratos por las enzimas, va acompaado de cambios conformacionales en loscentros activos, que facilitan la formacin del estado de transicin. Slo cuando elsustrato se encuentra en el estado de transicin, se genera la complementariedad total

en las interacciones con la enzima.En el estado de transicin los enlaces qumicos del sustrato se encuentran en

proceso de formacin o ruptura. Para ello se requiere que (a) la enzima acte uniendolos reactantes (sustratos) a su centro activo, de modo que queden en la orientacinptima para que la reaccin tenga lugar y (b) modificando las propiedades qumicasdel sustrato, mediante la interaccin de este con el centro activo, con lo que sedebilitan los enlaces existentes y se facilita la formacin de los enlaces nuevos.

Por ejemplo, la sacarosa (azcar de mesa) no puede ser absorbida por elintestino humano. Existe una enzima, la sacarasa intestinal, sobre cuyo centro activose fija la sacarosa de modo que el enlace glicosdico se debilita y se adiciona unamolcula de agua. Como consecuencia, se originan dos monosacridos glucosa yfructosa que se absorben con facilidad.

Muchas enzimas, adems de facilitar los cambios conformacionales de lossustratos que llevan al estado de transicin, participan en el proceso cataltico delestado de transicin.

Tal como se ha expuesto, el centro activo de una enzima es la regin que se uneal sustrato (y al cofactor, si existe) y contiene residuos que participan directamente enla produccin y ruptura de enlaces. Estos residuos se denominangrupos catalticos.Los sustratos se unen a las enzimas por numerosas fuerzas no covalentes, tales como


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interacciones electrostticas, puentes de hidrgeno, fuerzas de Van der Waals einteracciones hidrofbicas.

El centro activo es una hendidura tridimensional formada por grupos que provienen de diferentes partes de la secuencia de aminocidos; incluso, residuos muyalejados en la secuencia, pueden interaccionar ms frecuentemente que losadyacentes. Muchos de los residuos de aminocidos de una enzima no establecencontacto con el sustrato, pero adoptan relaciones estructurales necesarias para laorientacin tridimensional de la enzima y por consiguiente la formacin del centroactivo.

Los sitios activos se componen de dos regiones, una que fija el sustrato (o

sustratos) y otra que cataliza las reacciones luego que el sustrato se ha fijado. Enalgunas enzimas, la regin cataltica es parte de la regin de unin al sustrato; enotras, las dos regiones son de manera estructural y funcional diferentes.

En la Figura 61, se muestra el centro activo de una enzima con actividad proteasa que cataliza la hidrlisis de enlaces peptdicos.

Figura 61. Serina Proteasa.


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Cuando el sustrato se une al sitio activo se crea una tensin en ese enlace, quese rompe parcialmente en el estado de transicin. La energa necesaria surge de laenerga liberada por la unin con el sustrato. El estado de transicin se estabiliza porlas interacciones no-covalentes que se forman.

Los grupos funcionales presentes en las cadenas laterales de los aminocidos oen los RNA, pueden no ser suficientes para desarrollar todas las funciones qumicasllevadas a cabo por las enzimas. As, en muchos casos la actividad enzimticadepende de la presencia de uncofactor que aade grupos qumicos con reactividadesadicionales.

A menudo, los grupos funcionales de las enzimas son complementados con

cofactores, que contribuyen a ampliar el espectro de mecanismos posibles. Loscofactores pueden seriones inorgnicos (Fig. 62) o molculas orgnicas complejasque reciben el nombre decoenzimas.

Figura 62. Cofactores enzimticos.


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Muchos iones metlicos son componentes del sitio activo que se unen a lossustratos, aceptan electrones, estabilizan las estructuras terciaria y cuaternaria y,regulan el ritmo de las rutas metablicas

En ciertos casos las coenzimas estn unidas fuertemente a la molcula de laenzima y reciben el nombre de grupos prosttico.

Como ejemplo de molculas orgnicas se encuentran las vitaminas, sustanciasque en pequeas cantidades se requieren en la dieta para un adecuado crecimiento,desarrollo y reproduccin.

La enzima completa, con el cofactor, recibe el nombre deholoenzima. Lacadena polipeptdica inactiva, resultante de la separacin del cofactor de una

holoenzima, se designa comoapoenzima (Fig. 63 y 64). Adems de participar en elmecanismo cataltico, los cofactores pueden intervenir en el mantenimiento de lasestructuras tridimensionales catalticamente activas.

Figura 63. Esquema de una Holoenzima.


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Figura 64. Modelo de una Holoenzima.

Modelos: Llave-cerradura y Encaje inducido.Se han propuesto varios modelos para explicar la especificidad de la enzima por

el sustrato. La primera propuesta fue la metfora de la llave y la cerradura (Figura65), donde el sustrato encaja en su centro de fijacin, de la misma manera que unallave entra en la cerradura adecuada. Este modelo presupone que el centro activo de laenzima por s mismo, es complementario a la forma del sustrato.

Los enlaces inicos y los puentes de hidrgeno, as como las interaccioneshidrfbicas, contribuyen a la unin del sustrato al centro de fijacin. Este modelo dauna visin rgida y no puede explicar el efecto de ligandos alostricos. Un modeloms flexible es el encaje inducido, en el que la aproximacin del sustrato a la enzima,induce un cambio conformacional en la enzima que tiene como resultado lareorientacin de los aminocidos adecuados para formar el centro activo.

En el modelo encaje inducido, el centro activo tiene una forma complementaria

a la del sustrato, solamente despus que el mismo se une ella. A su vez, la tensinsobre el sustrato y su distorsin conformacional por su unin al centro activo de laenzima, facilita que el sustrato, alcance el estado de transicin (Fig. 65).


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Figura 65. Modelos enzimticos.

Factores que afectan la Velocidad de una reaccin enzimtica.La velocidad de la reaccin enzimtica, se puede ver afectada por la

temperatura, el pH, la concentracin del sustrato y la concentracin de la enzima.Toda enzima tiene un pH ptimo, puesto que en las reacciones catalticas,

participan aminocidos ionizables (tales como histidina, glutamato y cistena). Loscambios de pH modifican la carga inica de las cadenas laterales de los aminocidosde las enzimas y pueden tener un efecto significativo sobre la actividad enzimtica.

Como en nuestro organismo los pH extremos son 6.9 y 7.7, muchas enzimasfuncionan ptimamente dentro de ste intervalo. Sin embargo, existen importantesexcepciones. La pepsina, que es secretada por las clulas gstricas y acta en el jugogstrico, tiene un pH ptimo de 1.5 2.0 y las fosfatasas alcalinas que tienen un pH


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ptimo alcalino (Fig. 66). Por otra parte, el pH ptimo de las enzimas lisosomales escido.

La temperatura es otro aspecto que afecta la velocidad de las reaccionesenzimticas

Figura 66. pH ptimo de algunas enzimas.


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Figura 67. Efecto de la temperatura sobre la velocidad de una reaccin catalizada por enzimas.

Experimentalmente ha sido demostrado que la velocidad de las reacciones

catalizadas por enzimas vara en funcin de diferentes temperaturas. En la Figura seobserva que al incrementar la temperatura se produce un aumento de la actividadenzimtica, existiendo una temperatura (o un rango de temperatura) en la que laenzima presenta una actividad mxima (Enzima A aproximadamente entre 38 y 45C). Tambin puede observarse que al incrementar la temperatura de la enzima porarriba de la temperatura ptima, la actividad enzimtica disminuye o inclusodesaparece (Enzima A entre 45 y 70 C). En la Figura 67 tambin se observa que enlas condiciones de temperatura utilizadas para la enzima B, no es posible determinarla temperatura ptima.

Este comportamiento de las enzimas se explica tomando en cuenta que lasenzimas proteicas tienen una estructura terciaria de la cual depende su actividad biolgica. Esa estructura se forma por medio de interacciones hidrofbicas y se


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mantiene por medio de puentes de hidrgeno. El incremento de la temperaturafavorece las interacciones hidrofbicas, como consecuencia de ello se estabiliza laestructura terciaria y disminuye la energa de activacin para obtener el complejo detransicin, lo que proporciona como resultado un aumento de la actividad enzimtica.Adems de esto, las interacciones del tipo enlaces de hidrgeno son desfavorecidas alaumentar la temperatura, en consecuencia cuando se incrementa la temperatura sehace difcil mantener la estructura terciaria de las enzimas. En tal sentido, la lgicahace pensar que existen temperaturas en las que el efecto desestabilizante sobre los puentes de hidrgeno predominar sobre el efecto estabilizante de las interaccioneshidrofbicas. A la temperatura en que se produce el efecto anteriormente descrito se

pierde la estructura terciaria de la enzima y su actividad enzimtica.Es necesario mencionar que el rango de temperatura en el cual las enzimas se

desnaturalizan (prdida de la estructura terciaria) es variable de una enzima a otra.Por ejemplo, existen bacterias que crecen a temperaturas elevadas de hasta 90 C. Las protenas de estos organismos deben poseer una elevada cantidad de aminocidos concadenas laterales hidrofbicas, lo que le permitira contrarrestar los efectosdesnaturalizantes.

La velocidad (V) de una reaccin enzimtca, tambin vara en funcin de laconcentracin de sustrato. V se define como nmero de moles de producto que seforma por segundo.

A una concentracin constante de enzima, la velocidad de la reaccin aumentacon la concentracin de sustrato, hasta alcanzar una velocidad mxima. Aconcentraciones mayores de sustrato, los centros activos de la enzima estn ocupados por ste y la velocidad es independiente de la concentracin de sustrato,mantenindose constante (Fig. 68).


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Figura 68. Efecto de la concentracin de sustrato sobre la velocidad de una reaccin catalizadaenzimticamente.

La concentracin de la enzima es otro aspecto importante de la velocidad de lasreacciones catalizadas por enzimas. Cuanto mayor es la concentracin de la enzima,ms rpida es la reaccin. Esto es consecuencia de que a medida que es mayor larelacin entre molculas de enzimas y molculas de sustrato, ms probable se vuelveel contacto entre una molcula de enzima y una de sustrato. En la Figura 69 seobserva que la velocidad de la reaccin aumenta proporcionalmente a laconcentracin de la enzima.


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Figura 69. Efecto de la concentracin de la enzima sobre la velocidad de la reaccin.

Actividad Control 4

1. Elabore un esquema de llave sobre la clasificacin de las enzimas2. Establezca las diferencias y semejanzas, de acuerdo a los cambios

energticos, entre una reaccin catalizada por una enzima y una que noes catalizada por una enzima.

3. Defina sitio activo de una enzima e indique su conformacin.

4. Defina cofactor y clasifquelos de acuerdo a su naturaleza qumica.

5. Explique el efecto de la concentracin del sustrato,la concentracin dela enzima, el pH y la temperatura en el curso de una reaccinenzimtica


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Figura 70 Estructura qumica del ADN: dos cadenas de nucletidos conectadas mediantepuentes dehidrgeno, que aparecen como lneas punteadas.

Lo que distingue a un nucletido de otro es la base nitrogenada, por ello lasecuencia del ADN se especifica nombrando slo la secuencia de sus bases. La

disposicin secuencial de las cuatro bases a lo largo de la cadena es la que codifica lainformacin gentica. En los organismos vivos, el ADN se presenta como una doblecadena de nucletidos (ordenamiento duplohelicoidal), en la que las dos hebras estnunidas entre s por puentes de hidrgeno.

Los nucletidos cuya forma abreviada es A, T, C y G (que corresponde al nombrede las bases nitrogenadas) se proyectan hacia fuera de la columna helicoidal de la hebrade ADN. La construccin de la doble hlice de ADN es muy sencilla: al encontrarse una

A en una hebra, hay una T en la otra y cada C se aparea con una G (esto es lo que se
http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_hidr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_hidr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_hidr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_hidr%C3%B3geno


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conoce como apareamiento tipo Watson y Crick). Este apareamiento complementario delas dos hebras de ADN es muy fuerte al punto que si las hebras complementarias se

separan ellas se reaparean espontneamente en condiciones adecuadas de sales ytemperatura (Fig. 70 y 71).

Las bases nitrogenadas tienen caractersticas que les confieren propiedadesespecficas. Un aspecto importante es su carcter aromtico, consecuencia de la presencia en el anillo de dobles enlaces en posicin conjugada. Ello les proporciona lacapacidad de absorber luz en la zona ultravioleta del espectro en torno a los 260 nm, locual puede aprovecharse para determinar el coeficiente de extincin del ADN y hallar laconcentracin existente de los cidos nucleicos.

Por otro lado, y aunque se trate de molculas apolares, las bases nitrogenadas presentan suficiente carcter polar como para establecer puentes de hidrgeno, ya quetienen tomos muy electronegativos (nitrgeno y oxgeno) que presentan carga parcialnegativa, y tomos de hidrgeno con carga parcial positiva, de manera que se formandipolos que permiten que se formen estos enlaces dbiles.

Se ha estimado que el genoma humano haploide tiene alrededor de 3.000 millonesde pares de bases. Para indicar el tamao de las molculas de ADN se indica el nmerode pares de bases, y como derivados hay dos unidades de medida muy utilizadas, lakilobase (kb), que equivale a 1.000 pares de bases, y la megabase (Mb), que equivale aun milln de pares de bases. En los organismos vivos, el ADN es una molcula de doblecadena; estas cadenas se enroscan sobre s mismas formando una especie de escalera decaracol, denominada doble hlice.

El modelo de estructura en doble hlice fue propuesto en 1953 por James Watsony Francis Crick, en el artculo Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for

Deoxyribose Nucleic Acid publicado el 25 de abril de 1953 en Nature. El xito de estemodelo radicaba en su consistencia con las propiedades fsicas y qumicas del ADN. Enese estudio se demostr adems que la complementariedad de bases poda ser relevanteen su replicacin, y tambin la importancia de la secuencia de bases como portadora deinformacin gentica. Cada unidad que se repite, el nucletido, contiene un segmento dela estructura de soporte (azcar + fosfato), que mantiene la cadena unida, y una base,que interacciona con la otra cadena de ADN en la hlice. En forma general, una base

ligada a un azcar se denomina nuclesido y una base ligada a un azcar y a uno o ms


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grupos fosfatos reciben el nombre de nucletido. Muchos nucletidos unidos, comoocurre en el ADN, forman el polmero resultante denominado polinucletido

Figura 71. Estructura del ADN.

En la mayora de las clulas las molculas de ADN son muy grandes, razn por laque es difcil aislar molculas intactas de ADN. En clulas procariotas, que contienenun solo cromosoma, todo el ADN se encuentra en una sola molcula cuyo pesomolecular es superior a 2 x 109. En las bacterias el ADN no se encuentra asociado a protenas; pudiendo encontrarse en ellas pequeas molculas de ADNextracromosmico que portan unos pocos genes, estas molculas reciben el nombre de plsmidos o episomas segn sea su relacin gentica con el ADN cromosmico.

En las clulas eucariotas, que contienen varios o muchos cromosomas, encorrespondencia tienen varias o muchas molculas de ADN. Casi todas esas molculasde ADN se encuentran en el ncleo de las clulas eucariotas diploides, combinadas atravs de enlaces inicos con protenas bsicas llamadas histonas. Tambin, en lasmitocondrias de las clulas eucariotas se encuentran pequeas cantidades de ADN(llamado ADN mitocondrial, ADNmt), que se diferencia del ADN nuclear en la

composicin de bases y en el peso molecular. El mtADN tiene un peso molecular


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aproximado de 10 millones, lo que representa el 0.1 a 0.2 % del ADN celular total (Fig.72).

Figura 72. Clula eucariota ADN nuclear .

Segn su estructura tridimensional, en el ADN se distinguen distintos niveles.1. Estructura primaria :

La estructura primaria es la secuencia de nucletidos encadenados. En esascadenas se encuentra la informacin gentica, y dado que el esqueleto es el mismo paratodos, la variacin en la informacin se encuentra en la diferencia en la secuencia de bases nitrogenadas. Esta secuencia presenta un cdigo, que determina una informacin

especfica segn el orden de las bases.


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2. Estructura secundaria:La estructura secundaria se refiere a la estructura en doble hlice. La presencia de

estructura secundaria permite explicar el almacenamiento de la informacin gentica yel mecanismo de duplicacin del ADN. Fue postulada por Watson y Crick, basndoseen la difraccin de rayos X que haban realizado Franklin y Wilkins, y en laequivalencia de bases de Chargaff, segn la cual la suma de adeninas ms guaninas esigual a la suma de timinas ms citosinas.

La cadena doble de ADN puede ser dextrgira o levgira, segn el tipo de ADN.Ambas cadenas son complementarias, pues la adenina y la guanina de una cadena seunen, respectivamente, a la timina y la citosina de la otra. Ambas cadenas sonantiparalelas, pues el extremo 3 de una se enfrenta al extremo 5 de la homloga.Existen tres modelos de ADN. El ADN de tipo B es el ms abundante y es el que tienela estructura descrita por Watson y Crick (Fig.73).

3. Estructura terciaria :La estructura terciaria se refiere a la forma de almacenamiento del ADN en un

espacio reducido, para formar los cromosomas. La forma de almacenamiento del ADNes variable segn se trate de organismos procariotaso eucariotas:1. En procariotasel ADN se pliega como una sper-hlice, en forma circular yasociada a una pequea cantidad de protenas. Lo mismo ocurre en orgnulos celularescomo las mitocondriasy en los cloroplastos. 2. En eucariotas, puesto que la cantidad de ADN de cada cromosoma es muygrande, el empaquetamiento es ms complejo y compacto; razn por la que es necesariala presencia de protenas, como las histonas y otras protenas de naturaleza no histnica.
http://es.wikipedia.org/wiki/Procariotahttp://es.wikipedia.org/wiki/Procariotahttp://es.wikipedia.org/wiki/Mitocondriashttp://es.wikipedia.org/wiki/Cloroplastoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Cloroplastoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Mitocondriashttp://es.wikipedia.org/wiki/Procariotahttp://es.wikipedia.org/wiki/Procariota


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Figura 73. Estructuras del ADN en doble hlice.De izquierda a derecha, las estructuras de ADN A, B y Z.

Para que la informacin que contiene el ADN pueda ser utilizada por lamaquinaria celular, debe copiarse en primer lugar en ARN. Las molculas de ARN secopian exactamente a partir del ADN mediante un proceso denominado transcripcin.Una vez procesadas en el ncleo celular las molculas de ARN pueden salir al

citoplasma para su utilizacin posterior (en clulas eucariotas). La informacincontenida en el ARN se interpreta usando el cdigo gentico, que especifica lasecuencia de los aminocidos de las protenas, segn una correspondencia de un tripletede nucletidos (codn) para cada aminocido. Esto es, la informacin gentica(esencialmente: qu protenas se van a producir en cada momento del ciclo de vida deuna clula) se halla codificada en las secuencias de nucletidos del ADN y debetraducirse en protenas para poder funcionar. Ms adelante en sta misma unidad serampliado ste aspecto de la biologa, conocido como flujo de la informacin gentica oexpresin de la informacin gentica (Fig. 74).

La traduccin se realiza usando el cdigo gentico a modo de diccionario. La"secuencia de nucletido-secuencia de aminocidos" permite el ensamblado de largascadenas de aminocidos (las protenas) en el citoplasma de la clula (traduccin)(Figura 103).74


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Figura 74. Flujo de la informacin gentica.

Las secuencias de ADN que constituyen la unidad fundamental, fsica y funcional

de la herencia se denominan genes. Cada gen contiene una parte que se transcribe aARN y otra que se encarga de definir cundo y dnde deben expresarse dichos genes.La informacin contenida en los genes (gentica) se emplea para generar ARN y protenas, que son los componentes bsicos de las clulas (Fig. 75).


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Figura 75. Representacin tridimensional de un gen.

Dentro de las clulas, el ADN est organizado en estructuras llamadas

cromosomas que, durante el ciclo celular, se duplican antes de que la clula se divida.Los organismos eucariotas (por ejemplo, animales, plantas, y hongos) contienen lamayor parte de su ADN dentro del ncleo celular y una mnima parte en lasmitocondrias, y en los plastos; los organismos procariotas (Bacterias y Arqueas)almacenan el ADN en el citoplasma de la clula, y, por ltimo, los virus de ADN lohacen en el interior de la cpside proteica. Existen mltiples protenas, como porejemplo las histonas y los factores de transcripcin, que se unen al ADN

proporcionndole una estructura tridimensional determinada y regulando la expresin


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gnica. Los factores de transcripcin reconocen secuencias reguladoras del ADN yespecifican la pauta de transcripcin de los genes. El material gentico completo de una

dotacin cromosmica se denomina genoma, siendo caracterstico de cada especie (Fig.76).

Figura 76. Cariotipo humano: representacin en papel segn un orden preestablecido de los cromosomas

ESTRUCTURA DEL ARNEl cido ribonucleico (ARN o RNA, de RiboNucleic Acid , su nombre en ingls) es uncido nucleico formado por una cadena de ribonucletidos. Est presente tanto en lasclulas procariotas como en las eucariotas, y es el nico material gentico de ciertosvirus (virus ARN). El ARN celular es lineal y de hebra sencilla, pero en el genoma dealgunos virus es de doble hebra. En la Figura 77 se ilustra la estructura lineal del ARNmensajero (ARNm), molcula que participa en la transmisin de la informacinhereditaria durante la sntesis de protenas.


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Figura 77. Esquema del ARN mensajero.

La estructura del ARN es similar a la del ADN, sin embargo existen ciertasdiferencias entre ambas macromolculas. El azcar que compone el ARN es la ribosa,que tieneun grupo hidroxilo en la posicin 2 y la timina del ADN es sustituida poruracilo en el ARN. El hecho que existe un grupo hidroxilo en el C2 de la ribosa haceque el ARN sea qumicamente ms lbil que el ADN, adems de proveer un grupoqumicamente reactivo que participa en las reacciones catalticas mediadas por el ARN(Fig. 78).


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Figura 78 Comparacin entre la estructura del ADN y el ARN

Como resultado de su labilidad el ARN se escinde y forma mononucletidos ensolucin salina, fenmeno que no se observa en el ADN. El ARN es un polinucletidoque puede encontrarse en forma bicatenaria, monocatenaria, lineal o circular. Adems,el ARN puede hallarse formando dobles hlices ARN-ARN y ARN-ADN (Fig. 79). Ensu mayora el ARN celular se encuentra en forma de hebra simple y en diferentes

conformaciones.


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Figura 79. Modelo de ADN-ARN. El ARN monocatenario est representado en color crema y el ADN en verde.

El hecho que el ARN se encuentre en diferentes tamaos y conformaciones dentrode la clula le permite efectuar funciones especficas.

Las estructuras secundarias ms sencillas en los ARN monocatenarios estnformadas por apareamiento de bases complementarias.a) Las horquillas se forman cuando se aparean bases separadas por unos 5-10

nucletidos entre una y otra hebra. b) los tallos y bucles se forman por apareamiento de bases por ms de 10 a cientos de

nucletidos. Estos plegamientos simples pueden cooperar para formar estructurasterciarias de mayor complejidad, una de las cuales se denomina seudonudo(Fig.80).


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Figura 80. Representacin esquemtica de la estructura secundaria del ARN ribosomal 16S de clulasprocariotas.

La estructura terciaria del ARN es el resultado del apilamiento de bases y de losenlaces por puentes de hidrgeno entre diferentes partes de la molcula. Los ARNt sonun buen ejemplo; en disolucin, estn plegados en forma de "L" compacta estabilizada

por apareamientos tipo Watson y Crick convencionales (A=U, C=G) y por interacciones


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de bases entre dos o ms nucletidos, como tripletes de bases; las bases pueden donartomos de hidrgeno para unirse al esqueleto fosfodister; el OH del carbono 2' de la

ribosa es tambin un importante dador y aceptor de hidrgenos (Fig. 81).

Figura 81. Modelo de la estructura terciaria del ARN de transferencia (ARNt).

Tipos de ARNLas clulas contienen varios tipos de ARN.El ARN mensajero (ARNm) es el molde para la sntesis de protenas. Existe una

molcula de ARNm que corresponde a cada gen que vaya a expresarse. Enconsecuencia las molculas de ARNm son muy heterogneas.


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El ARN de transferencia (ARNt) transporta los aminocidos en forma activadaal ribosoma para la formacin del enlace peptdico, en una secuencia que viene

determinada por el ARNm molde. Existe al menos un tipo de ARNt para cada uno delos veinte aminocidos. El ARN de transferencia consta de alrededor de 75 nucletidos(con una masa de unos 25 kD) lo que le hace ser la ms pequea de las molculas deARN.

El ARN ribosmico (RNAr), es el principal componente de los ribosomas, juegaun papel cataltico y estructural en la sntesis de protenas. En E. coli existen tres tiposde ARNr: 23S, 16S y 5S, Cada ribosoma contiene una molcula de cada una de estasespecies de ARNr. De todos los ARN los ARNr son los ms abundantes, luego vienenlos ARN de transferencia y por ltimo los ARN mensajeros. Las clulas eucariotascontienen adems otras pequeas molculas de ARN.

Los ARN pequeos nucleares (ARNsn) que participan en el corte y empalme delARNm entre otras funciones y los ARN pequeos nucleolares (ARNsno) que sehibridan transitoriamente a los pre-ARNr.

Expresin de la informacin genticaLos genes determinan la estructura de las protenas, stas a su vez dirigen el

metabolismo celular mediante su funcin de enzimas. La identificacin del ADN comoresponsable de contener el material gentico y el descubrimiento de su estructuraevidenciaron que la informacin gentica se encuentra codificada segn la frecuencia delas cuatro bases nitrogenadas A, T, C y G; quienes conforman la molcula de ADN.Como ya se mencion las protenas son polmeros formados por 20 aminocidos proticos, siendo la secuencia especfica de esos aminocidos lo que determina laestructura y funcin de las protenas.

En 1957 se estableci la primera relacin directa entre una mutacin gnica y unamodificacin de la secuencia de aminocidos en una protena; en ese ao se establecique los pacientes que presentaban anemia de clulas falciformes poseen molculas dehemoglobina que se diferencian de la hemoglobina normal en el cambio de un soloaminocido. La anemia de clulas falciformes es una enfermedad autosmica recesiva producida por la sustitucin de adenina por timina en el gen de la globina beta, ubicadoen el cromosoma 11; sta mutacin conduce a la sustitucin de cido glutmico por

valina en la posicin 6 de la cadena polipeptdica de la globina beta y a la produccin de


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triptfano. El anlisis de las enzimas obtenidas a partir de los genes que contenanmutaciones revel que las posiciones de los aminocidos alterados se correspondan con

las mutaciones sucedidas en el gen. De esa manera se demostr que el orden de losnucletidos en el ADN especifica el orden de los aminocidos en las protenas.

A pesar que la secuencia de nucletidos en el ADN aparentemente determinaba lasecuencia de aminocidos en la protena, todava faltaba demostrar que el ADN por smismo es responsable de la sntesis

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