Agua y tampones fisiológicos, Study Guides, Projects, Research of Biochemistry

Download Agua y tampones fisiológicos and more Study Guides, Projects, Research Biochemistry in PDF only on Docsity! BIOOUIMICN Len ESTRUGTURNIAM Conceptos y lests Mg Tt ee see Hee Jose Maria Teijon Rivera é: reo conte enors © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Bioquímica estructural Conceptos y Tests © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Prólogo Adaptado en 2009 a los nuevos estudios, licenciaturas y grados de los nue- vos planes univesritarios, el presente libro recoge de forma actualizada los aspectos más destacados de la Bioquímica en relación con la estructura, pro- piedades físico-químicas y funcionales de las moléculas biológicas. Con la debida concisión y la ayuda de figuras y esquemas imprescindibles se aborda el estudio de todo el espectro de la Bioquímica Estructural. El libro consta de ocho bloques temáticos y 545 preguntas-tests con sus correspondientes res- puestas razonadas. Se han incorporado por tanto más de 100 nuevas pre- guntas tests respecto a ediciones anteriores, actualizando el espectro de los temas tratados. Este libro no pretende ser un tratado o compendio amplio de Bioquímica Estructural, es decir, una obra extensa de Bioquímica con gran acumulación de datos; su fin es familiarizar al estudiante universitario de esta disciplina, y alentarle a que se ejercite para la adecuada realización de exámenes en los que se plantean preguntas tipo tests. Para ello cada bloque temático, que consta de una media de 70 preguntas-tests seguidas de las contestaciones razonadas, va precedido de la parte teórica necesaria e imprescindible, a modo de introducción en el tema, y de la forma más concisa posible. Es por tanto esta obra un libro de ejercicios o de prácticas para acostumbrar al es- tudiante a preparar los exámenes. Con esta concepción este libro aspira también a cumplir el objetivo de convertirse en un medio didáctico para aquellos licenciados en Biología, Farmacia, Medicina y Química, que desean preparar oposiciones a plazas de Interno-Residentes de Hospitales de la Se- guridad Social. De manera paralela a estos libros de Conceptos y Tests, Editorial Tébar ha desarrollados los tomos de Fundamentos de Bioquímica, tanto Metabólica como Estructural, que desarrolla de manera pormenorizada los conceptos teó- ricos de la Bioquímica. Al final de esta obra se recomienda también un conjun- to de libros a consultar por aquellos alumnos o licenciados interesados en am- pliar conocimientos. Igualmente se incluyen en el libro unas tablas de constan- tes químicas, físico-químicas y bioquímicas, que pudieran ser útiles en algún momento para la resolución de algún problema práctico. © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Los autores y colaboradores, así como los directores científicos de esta obra agradecerán los comentarios, críticas y sugerencias de profesores, licenciados y estudiantes que hagan uso de este libro, y desean que el manejo, consulta y estudio del mismo sea del máximo provecho para los fines previstos. © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Índice Bloque 1. Agua y tampones fisiológicos ................................................... 11 Agua .............................................................................................. 11 Tampones fisiológicos ..................................................................... 17 Preguntas test ................................................................................. 34 Respuestas razonadas ..................................................................... 47 Bloque 2. Proteínas ...................................................................................... 57 Definición, concepto y significación biológica .................................. 57 Características generales ................................................................. 57 Aminoácidos: sus clases y propiedades generales ............................ 58 Niveles de organización estructuralde la molécula proteica .............. 73 Propiedades químicas de las soluciones proteicas. Solubilidad. Precipitación ............................................................................. 88 Clasificación de proteínas ............................................................... 92 Preguntas test ................................................................................. 96 Respuestas razonadas ..................................................................... 111 Bloque 3. Proteínas funcionales ................................................................. 123 Proteínas plasmáticas ..................................................................... 123 Hemoglobina y mioglobina ............................................................. 134 Proteínas musculares ...................................................................... 137 Escleroproteínas ............................................................................. 141 Proteínas nucleares ......................................................................... 144 Preguntas test ................................................................................. 147 Respuestas razonadas ..................................................................... 161 Bloque 4. Ácidos nucleicos ......................................................................... 171 Ácidos nucleicos. Composición. Bases nitrogenadas. Nucleósidos. Nucleótidos. DNA: Estructura y propiedades. RNA: Estructura y propiedades. Nucleasas ............................................................. 171 Bases nitrogenadas ......................................................................... 172 Osas ............................................................................................... 174 Nucleósidos .................................................................................... 174 Nucleótidos .................................................................................... 176 Ácido Desoxirribonucleico (DNA) .................................................... 178 Ácido Ribonucleico (RNA) .............................................................. 182 Nucleasas ....................................................................................... 186 Preguntas test ................................................................................. 189 Respuestas razonadas ..................................................................... 201 12 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial El oxígeno se une con el hidrógeno mediante enlaces covalentes formados por dos pares de electrones. Cada enlace está formado por un electrón p del oxí- geno y el electrón 1s del hidrógeno. El oxígeno emplea orbitales híbridos sp3, dos de los cuales están ocupados por un electrón y en otro queda el otro par de electrones sin compartir. La molécula de agua tiene forma angular, con ángulos de enlace de 104,5º, siendo este ángulo próximo al de un tetraedro. La carga neta de una molécula de agua es cero, pero la distribución de electrones en la molécula presenta cierto desequilibrio, debido a la diferente electronegatividad del hidrógeno y del oxígeno, esto hace que la molécula sea eléctricamente asimétrica y se cree un dipolo eléctrico. Los átomos de hidrógeno tienen menor electronegativi- dad, generándose una carga positiva parcial sobre cada hidrógeno cuyo valor de +0,41 y una carga negativa parcial sobre el oxígeno de ‑0,82. Enlace de hidrógeno La polaridad del enlace O H tiene una consecuencia importante: los dipolos permanentes de este enlace se atraen entre ellos y la interacción entre el áto- mo de hidrógeno ligeramente positivo de una molécula de agua y el átomo de oxígeno ligeramente negativo de otra molécula de agua produce una atracción dipolo-dipolo denominada enlace de hidrógeno o puente de hidrógeno. Este tipo de enlace está englobado dentro de las interacciones llamadas intermole- culares. Un enlace de hidrógeno es tanto más estable cuanto más lineal sea la orientación del átomo de hidrógeno y los dos átomos electronegativos impli- cados, si bien incluso desviaciones de cerca de 45º producen algún puente de hidrógeno. FIguRA 1.2. Una molécula de agua se encuentra orde- nada en el espacio según un tetraedro y rodeada de otras cuatro moléculas. Como ya se ha comentado anteriormente, los puentes de hidrógeno son enlaces relativamente débiles en comparación con un enlace covalen- te, pero la estabilidad del agua se debe al gran número de enlaces que hay entre las moléculas de agua líquida. Cada molécula de agua puede participar en la formación de cuatro enlaces de hidrógeno, en los que los dos átomos de hidró- geno interaccionan con dos dadores y cada par de electrones sin compartir actúan de aceptores en los enlaces de hidrógeno. El agua tiene una estructura definida debido a que dichos enlaces de hidrógeno se encuentran en un estado diná- mico de forma que éstos se rompen y se vuelven a formar, a esta estructura se la denomina de tipo mosaico. Puede por tanto considerarse al agua líquida como un agrupamiento oscilante de AgUA y TAMPONES FISIOLógICOS 13 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial moléculas de agua unidas mediante enlaces de hidrógeno que se encuentran en continua reorganización. En general un enlace de hidrógeno puede formarse cuando un átomo de hi- drógeno unido covalentemente a un átomo de oxígeno, nitrógeno o flúor se encuentra a 0,27-0,3 nm de otro átomo de oxígeno o nitrógeno que posea un par de electrones sin compartir. En otro tipo de enlaces, como el enlace C H, éste no es lo suficientemente polar para atraer y retener a un átomo de oxíge- no o nitrógeno en un puente de hidrógeno. En el caso del enlace S H aun- que el azufre posee una electronegatividad semejante al carbono, el enlace es más polarizable y por tanto un átomo de hidrógeno unido covalentemente al azufre puede formar enlaces de hidrógeno débiles. Las moléculas de agua también se unen por puentes de hidrógeno a diferentes estructuras químicas. En macromoléculas tales como proteínas o ácidos nuclei- cos, se forman gran cantidad de puentes de hidrógeno, y ello es la base de su estabilidad estructural. En dichas moléculas biológicas existen tanto enlaces de hidrógeno intermoleculares como intramoleculares, entendiendo por enlace de hidrógeno intermolecular aquel que se produce entre moléculas distintas y en- lace intramolecular cuando este tipo de interacción ocurre entre grupos de la propia molécula. Propiedades gran parte de las propiedades del agua se deben a su gran polaridad y a los enlaces de hidrógeno. Así el enlace por puentes de hidrógeno hace que el agua sea el único hidruro que es líquido a temperatura ambiente. También explica que el agua sólida (hielo) posea una estructura en forma de malla tetraédrica, es decir que se produzca la formación de un cristal mantenido por enlaces de hidrógeno en el que cada molécula de agua se encuentra unida a otras cuatro. Como resultado, el hielo es un entramado abierto de tipo hexagonal cuya densidad es menor que la que presenta el agua líquida. El elevado calor de fusión del hielo también se explica por los enlaces por puentes de hidrógeno. Algunos de estos enlaces se rompen a medida que el hielo se transforma en agua líquida, de forma que el calor necesario para esta ruptura se extrae del entorno. Por el contrario el agua líquida al solidificar li- bera calor. El punto de ebullición anormalmente elevado del agua, puede ser explicado porque se requiere un gran aporte calorífico, ya que es necesario que se pro- duzca la ruptura de tres enlaces de hidrógeno para que una molécula de agua escape del estado líquido y pase al estado vapor. 14 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial El agua es un buen disolvente, de manera que las moléculas polares se solvatan muy fácilmente en la misma. Las sales en las que la red cristalina se mantiene entera por atracción de los grupos positi- vos y negativos se disuelven en el agua debido a que las fuerzas electrostáticas existentes en el cris- tal pueden ser superadas por la atracción de las cargas hacia el dipolo del agua. También muchas moléculas orgánicas que contienen grupos no ióni- cos pero débilmente polares son solubles en el agua a causa de la atracción de los grupos hacia dicha molécula. Las moléculas muy apolares, tales como compo- nentes que contienen cadenas hidrocarbonadas largas, no se dispersan en agua, sino que interac- cionan entre sí para excluir a las moléculas polares de agua. Esto es debido a que las interacciones agua-agua son más fuertes, y por tanto las molécu- las de agua rodean a las moléculas de hidrocarbu- ro, obligándolas a agruparse. Este fenómeno se denomina efecto hidrofóbico y a esas moléculas apolares se las llama moléculas hidrofóbicas, mien- tras que, al contrario, las moléculas que se disuel- ven rápidamente en agua se conocen como hidro- fílicas. TABlA 1.1. Calores de vaporiza- ción de algunos líquidos en sus puntos de ebullición (1 atm.). Líquido DHvap cal / grado Agua 540 Metanol 263 Etanol 204 Acetona 125 Benceno 94 Cloroformo 59 Las moléculas anfipáticas, compuestos que contie- nen al mismo tiempo grupos polares y no polares, también se dispersan en el agua si la atracción del FIguRA 1.3. (A) Una molécula anfipática, el oleato sódico, que tiene u n e x t r e m o p o l a r ( COO‑) y otro extremo no polar ( CH3). (B) Una micela formada por va- rias moléculas anfipáticas que permanecen unidas en medio acuoso porque se atraen las colas hidro- fóbicas. AgUA y TAMPONES FISIOLógICOS 17 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial reagrupando: log Ka = log [A‑] [AH] + log [H3O +] reordenando la ecuación: ‑log [H3O +] = ‑log Ka + log [A‑] [AH] como sabemos que: ‑log [H3O +] = pH y ‑log Ka = pKa la ecuación puede ex- presarse como: pH = pKa + log [A‑] [AH] Esta expresión se conoce con el nombre de ecuación de Henderson-Has sel- bach, y relaciona el pH de una disolución con el pKa de un ácido débil. La concentración de la base conjugada ([A‑]) es también considerada como el aceptor de H+, y el ácido ([HA]) es el dador de protones. La relación entre el pH de una disolución y el pKa de un ácido débil permite que el pKa sea fácilmente determinable por un experimento de valoración (ti- tulación). A una temperatura dada se añaden alícuotas conocidas de una base fuerte de concentración fija determinándose de manera constante el pH de la disolución hasta el punto de equivalencia donde todo el ácido está en forma de base conjugada y por tanto: log [A‑] [AH] = log 1 = 0; pH = pKa Por ejemplo para el ácido fosfórico que está presente en los fluidos celulares de todos los organismos, tenemos: H3PO4 H2PO4 ‑ HPO4 2‑ PO4 3‑ La curva de titulación o valoración será la que aparece en la figura 1.4. TAmPonEs FIsIológICos Fisiología del equilibrio ácido-base. Alteraciones metabólicas del equilibrio ácido-base La sangre es un sistema abierto en equilibrio con una fase gaseosa (aire alveo- lar) con cierta presión parcial de anhídrido carbónico. El pH del plasma es, alrededor de 7,4 y la ppCO2 de aproximadamente 40 mmHg a la temperatura corporal de 37 ºC. El pH de tal sistema abierto puede alterarse por dos me- dios diferentes: aumentando o disminuyendo la ppCO2 de la fase gaseosa, o agregando ácido o base no carbónicos. Si se agrega ácido no carbónico el CO2 será naturalmente liberado de acuerdo con el equilibrio 18 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial HCO3 ‑ + H+ H2CO3 H2O + CO2↑ (7) En un sistema cerrado esto causará una elevación en la ppCO2, pero en un sistema abierto, como es la sangre, el CO2 formado desaparecerá en la fase gaseosa, y la ppCO2 se mantendrá invariable. En el organismo, el ácido “no carbónico” puede ser “agregado” o “removido” de la sangre de varios modos diferentes: 1) por una ganancia real o una pérdida de iones hidrógeno; 2) por una redistribución de iones hidrógeno entre la sangre y la fase ex- tracelular extravascular; 3) por cambios en el estado de oxigenación de la hemoglobina, y 4) por redistribución de iones hidrógeno entre el espacio intracelular y el extracelular (por ejemplo, depleción de potasio, efecto del cloruro sódi- co hipertónico). Los términos clínicos utilizados para denominar los cambios en el estado áci- do-base de la sangre son: acidemia y alcalemia para un pH plasmático dismi- nuido y aumentado respectivamente, hipercapnia, normocapnia e hipocapnia para una ppCO2 en sangre aumentada, normal o disminuida. Los términos acidosis y alcalosis se refieren a procesos fisiopatológicos que influyen sobre el FIguRA 1.4. Curva de valoración del ácido fosfórico a 25 ºC con KOH. Están representados los valores de pK de cada uno de los equilibrios. AgUA y TAMPONES FISIOLógICOS 19 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial equilibrio ácido-base del organismo, aunque suele ser frecuente asociar los términos acidosis y alcalosis con el estado ácido-base de la sangre. El mantenimiento de la concentración de iones hidrógeno (H+) en sangre es esencial para el normal funcionamiento celular debido a la elevada reactividad química del ion H+, en particular con las proteínas. Estas, al ganar o perder H+ cambian su configuración molecular y, por tanto, su función, lo que tiene es- pecial importancia en lo que se refiere a la actividad enzimática. Por esta causa existen unos límites bastante estrechos entre los cuales la con- centración de H+ es compatible con la vida a pesar del constante aporte al lí- quido extracelular (LEC) de sustancias que podrían alterar su concentración. Esto se debe a la existencia de una serie de mecanismos reguladores que se ponen en funcionamiento de una forma secuencial cuando estas sustancias penetran en el LEC (amortiguadores químicos, regulación respiratoria y regu- lación renal). Amortiguadores químicos o tampones fisiológicos Amortiguadores químicos o tampones fisiológicos (o bufferes) son aquellas di- soluciones formadas por un ácido débil y una sal de este ácido con una base fuerte (base conjugada), cuya concentración de hidrogeniones apenas varía al añadir ácidos ó bases fuertes. La utilidad de los tampones ó mezclas amortiguadores, está precisamente en la posibilidad de mantener la concentración de iones hidrógeno dentro de lí- mites tan estrechos, que con razón puede considerarse como invariable. El alcance de este tamponamiento en una solución dada es función de la con- centración de H+ inicial y de las constantes de disociación y concentración de los tampones presentes. Cuanto mas próxima sea su constante de disociación (kα) a la concentración de H+ en la cual el tampón tiene que actuar, más efi- cazmente será el tamponamiento, puesto que en esta circunstancia hay la mis- ma concentración de la forma ácida del tampón que de la forma básica y, por tanto existe la máxima capacidad para amortiguar cambios de acidez en cual- quiera de los dos sentidos. A la ecuación de disociación de cualquier tampón, se puede aplicar la ley de acción de masas: Ácido v1 v2 Base‑ + H+ siendo v1 = K1 [Ácido] y v2 = K2 [Base‑] [H+] de donde: K = K1 K2 = [Base‑] [H+] [Ácido] 22 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial los iones sodio del filtrado glomerular se pueden intercambiar con iones hi- drógeno de las células tubulares. Así se reabsorbe sodio y se conserva para preservar la presión sanguínea y el volumen y se excreta el exceso de iones hidrógeno. Los iones K+ compiten con los H+ y con el intercambio Na+ - H+. Si el K+ intra- celular a nivel de las células de los túbulos renales es alto, más K+ y sólo algu- nos iones H+ se intercambian por Na+, ahora bien en la orina entra menos ácido y la acidez de los fluidos corporales aumenta. Si hay deplección de K+, más H+ es intercambiado por Na+ y la orina se hace más ácida con lo que los fluidos corporales son más alcalinos. El bicarbonato es el único anión amortiguador que se regenera en el riñón y vuelve a los líquidos del organismo para reponer la deficiencia de bases, como se observa en casos de acidosis metabólica. La concentración de bicarbonato en el filtrado glomerular es aproximadamente igual a la del plasma y cada anión bicarbonato está neutralizado con un ion sodio. Cuando las sales sódi- cas llegan a los túbulos proximales, se intercambia sodio por hidrógeno y éstos penetran a la orina tubular, así se eleva en la orina la concentración de iones hidrógeno y disminuye su pH. Algunos iones hidrógeno se combina con fosfa- to y otros con bicarbonato formando ácido carbónico, que se deshidrata a dióxido de carbono y agua. El agua así formada se excreta por la orina y el dióxido de carbono produce un aumento de la ppCO2 en el filtrado glomerular respecto a las células de los túbulos renales lo que trae como consecuencia que el CO2 se difunda y pase hacia las células. Por lo tanto el bicarbonato que penetró en el filtrado glomerular vuelve a entrar a las células en forma de CO2. Este último reacciona con agua en presencia de anhidrasa carbónica para formar H2CO3, el cual se ioniza a H+ y HCO3 ‑ que pasa a la circulación. De todo ello se establece que el riñón mantiene la concentración de bicarbo- nato adecuada para reaccionar ante cambios de acidez del plasma sanguíneo. El resto de los iones hidrógeno se excretan como ion amonio (NH4 +), un ácido débil que se forma a partir del NH3, una base fuerte e iones hidrógeno. La importancia de este par conjugado NH3 / NH4 + en el equilibrio ácido-base radica en que puede transportar iones a la orina. El NH3 se forma en las células tubulares a partir de la oxidación de la glutami- na por la glutaminasa y por la oxidación de otro aminoácidos. El ion NH4 + también experimenta conversión hepática a urea y se excreta a través de los riñones hacia la orina. Ácidos fuertes tales como el ácido sulfúrico, el ácido clorhídrico y el ácido fosfórico están totalmente ionizados al pH de la orina y son excretados sólo después de que los iones H+ derivados de estos ácidos reaccionen con un tampón. AgUA y TAMPONES FISIOLógICOS 23 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial La excreción de los aniones de estos ácidos se acompaña simultáneamente de la eliminación de igual número de cationes tales como Na+, K+ o NH4 + que da como resultado un balance electroquímico. Algunos ácidos tales como el ácido acetoacético (pK = 3,58) y el ácido β hidroxibutírico (pK = 4,7) están presen- tes en la sangre completamente ionizados, pero sólo están parcialmente diso- ciados al pH ácido de la orina. Las formas no disociadas de estos ácidos pue- den excretarse como tales. Alteraciones metabólicas del equilibrio ácido base: Compensación Alcalosis metabólica Se considera que la alcalosis metabólica se produce por un exceso de bicar- bonato; esto hace que en la expresión de Henderson-Hasselbach la relación de bicarbonato con respecto al ácido carbónico aumente y por tanto que el pH sea más alto. Se requieren dos condiciones para que se produzca esta alte- ración metabólica, un aumento en la concentración de bicarbonato y que los riñones sean incapaces de excretar el exceso de bicarbonato. La alcalosis me- tabólica es ocasionada por suministración de exceso de álcalis, pérdida de io- nes hidrógeno o agotamiento de potasio tras la administración de diuréticos. Una causa frecuente de alcalosis metabólica es la pérdida de ácido clorhídrico es tomacal por vómito prolongado, lo que aumenta el pH porque se pierden iones hidrógeno y los riñones equilibran la pérdida reabsorbiendo sodio en los túbulos proximales. Compensación En la alcalosis metabólica el riñón compensa el exceso de bicarbonato aumen- tando su excreción y los pulmones retienen el dióxido de carbono, enlente- ciendo la respiración alveolar. Cualquiera de estos dos mecanismos restablece el pH sanguíneo alrededor del valor fisiológico de 7,4. En la compensación respiratoria, el aumento del pH que se produce en la al- calosis deprime el centro respiratorio y ocasiona hipoventilación lo que incre- menta la pCO2 y por tanto, el H2CO3 y el HCO3 ‑. La pCO2 de la sangre au- menta con mas rapidez que el HCO3 ‑ y por ello la relación de la ecuación de Henderson-Hasselbach disminuye y el pH desciende. La hipoventilación tam- bién reduce la pO2. La respuesta renal a la alcalosis metabólica es una pérdida de bicarbonato y retención de iones hidrógeno, aumenta así la formación de amoniaco y reduce la reabsorción de bicarbonato. 24 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Acidosis metabólica La acidosis metabólica se considera una deficiencia primaria de bicarbonato, que ocasiona una disminución en la relación [Base‑] / [Ácido] de la ecuación de Henderson-Hasselbach y por tanto que el pH descienda. La acidosis meta- bólica puede deberse a incremento de ácidos endógenos como el ácido β-hidroxibutírico y acetoacético (cetoacidosis diabética, inanición), ácido lácti- co (ejercicio muscular anaeróbico, shock) o exógenos como el ácido fórmico por intoxicación por metanol que liberan hidrógeno para combinarse con bi- carbonato, o a un aumento en las pérdidas de bicarbonato. Compensación Consecuentemente a las alteraciones arriba expuestas el pH desciende y los quimiorreceptores de la médula son estimulados para aumentar la ventilación. La adaptación respiratoria para eliminar ácido carbónico es lenta y con fre- cuencia se establece al cabo de 12-24 horas, lo que parece deberse a la lenti- tud de la entrada de iones H+ a través de la barrera hematoencefálica, al líqui- do intersticial que baña a los quimiorreceptores. La segunda característica del sistema de compensación respiratorio de las aci- dosis metabólicas es que la respuesta ventilatoria es proporcional a la intensi- dad de la acidosis metabólica. En las situaciones en las que se produce una acidosis metabólica por ácidos que se eliminen por el riñón, otro mecanismo de compensación consiste en un incremento de la excreción renal de hidrogeniones. La eliminación urinaria del ácido provoca contracción del volumen extracelular, activación del sistema renina-angiotensina-aldosterona y aumento de la excreción renal de H+. Alteraciones respiratorias del equilibrio ácido-base: Compensación Alcalosis respiratoria Se considera que la alcalosis respiratoria es una deficiencia primaria de dióxido de carbono, lo que ocasiona en la ecuación de Henderson-Hasselbach un incremento de la relación entre el numerador y el denominador y por tanto un aumento del pH. En la alcalosis respiratoria, la ppCO2 arterial es inferior a los 40 mm de Hg, el pH es superior a 7,42 y el contenido total de CO2 (HCO3 ‑ + H2CO3 + CO2 disuelto) disminuye. La alcalosis respiratoria casi siem- pre se debe a estimulación de los quimiorreceptores respiratorios que provoca hiperventilación. La estimulación puede ser psicógena, como en casos de an- siedad, nerviosismo, histeria o tensión, o deberse a hipoxia o afecciones del AgUA y TAMPONES FISIOLógICOS 27 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Excreción del ion H3 + intercambio Na+ H+ y producto de ion amonio en los túbulos renales Plasma y fluido Células tubulares Filtado glomerular intersticial CO2 + H2O H2CO3 HCO3 ‑ + H+ Na+ glutamina glutamato α cetoglutarato HCO3 ‑ Na H+ Na+ + HPO4 2‑ Na+H2PO4 ‑ 6 A.C. 7 4 1 5 H2O NH4 + 5 Transaminación NH4 + H+A HA sin disociar ORINA 2 NH4 + 3 1 Conversión de HPO4 2‑ a H2PO4 ‑ 2 Reacción de iones H+ con NH3 3 Excreción de ácidos no disociados 4 Cambios Na+ - H+ 5 Producción de NH3 6 y 7 Síntesis de ácido carbónico desde CO2 Amortiguadores, tampones o buffer: Clases Sistemas aminoácidos y proteínas Son amortiguadores de unas características muy especiales por su carácter an- fótero, tanto que inmediatamente se podría pensar que su acción depende sólo de que en medio ácido se comportan como bases y en medio básico como ácidos, equilibrando así la reacción del medio. Destacamos aquí la im- portancia como amortiguadores a las “proteínas del plasma sanguíneo”. 28 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Al pH del plasma sanguíneo (7,4), las proteínas se disocian predominante- mente como aniones, y se comportan como ácidos débiles. Sabemos que el pI de todas las proteínas de la sangres está a un pH más ácido que el pH compa- tible con la vida. Por eso, su acción amortiguadora depende casi exclusiva- mente del sistema amortiguador que se forma por la mezcla de proteína ácida y proteína que forma sal con una base fuerte. Esto es, se comporta como cual- quier otro amortiguador. La acción amortiguadora de las proteínas fisiológicas, dada su composición en aminoácidos, puede explicarse demostrativamente a expensas del comporta- miento como tampones de sus aminoácidos constituyentes, puesto que aun- que “el enlace peptídico” entre el grupo COOH de una aa. y el grupo NH2 de otro, bloquea las propiedades acidobásicas y amortiguadoras que tendrían estos grupos, sin embargo todas las proteínas tienen algunos grupos disocia- bles. Así los aminoácidos poliácidos, glutámico, aspártico, aportan los segun- dos grupos ácidos que forman cadenas laterales y arginina, lisina e histidina aportan grupos básicos a las moléculas proteicas. Sistema amortiguador de fosfatos La importancia del sistema amortiguador de fosfatos radica en que los fosfatos se excretan en orina en altas cantidades, lo que permite que los riñones regu- len los iones positivos incluyendo iones hidrógeno y iones sodio. El ácido fosfórico (H3PO4) tiene tres iones hidrógeno disociables y como suce- de para los iones polivalentes, cada uno se libera reversiblemente cuando se titula con una base con diferente constante de disociación. El átomo de hidró- geno que en el ácido fosfórico tiene importancia fisiológica es el que transfor- ma el (H2PO4 ‑) monobásico en fosfato dibásico (HPO4 2‑) con una pK = 7,2, la más próximo al pH del medio interno. La ecuación de Henderson-Hasselbach para este sistema amortiguador es: H2PO4 ‑ HPO4 2‑ + H+ pH = pK + log [HPO4 2‑] [H2PO4 ‑] En el riñón, estas cargas negativas se neutralizan con cargas positivas, princi- palmente del sodio. A medida que se añaden iones hidrógeno al filtrado du- rante la formación de orina, el fosfato dibásico recoge un ion hidrógeno y se convierte en fosfato monobásico neutralizándose con un ion Na+. Los niveles de fosfato en plasma son de sólo 1 mmol / l, de manera que el fos- fato proporciona poca amortiguación extracelular en comparación con el bi- carbonato cuya concentración plasmática normal es de aproximadamente 25 mmol / l. Sin embargo aunque la eficacia de un amortiguador depende de AgUA y TAMPONES FISIOLógICOS 29 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial su concentración en el medio, y de la proximidad de su pK al pH que se trata de regular, el sistema de los fosfatos, aunque está bastante diluido en el plas- ma, cumple bien el segundo requisito, y por ello contribuye eficazmente a amortiguar las variaciones de pH. Sistema bicarbonato / ácido carbónico El amortiguador más importante del plasma sanguíneo, es el amortiguador bi- carbonato / ácido carbónico, también presente en los eritrocitos pero a menor concentración. Puede este tampón amortiguar variaciones de la concentración de iones [H+] tanto en casos de “acidosis” como de “alcalosis”. Su eficacia se basa en su elevada concentración en el plasma y en el hecho de que tanto el bicarbonato como el ácido carbónico pueden ser eliminados como CO2 ó pueden aumentar por retención de CO2 cuando así se requiera para contrarrestar variaciones del pH del medio. El CO2 (gas) producido en procesos metabólicos tisulares, es transportado por la sangre a los pulmones para su intercambio por O2. Debido a la continua producción de CO2 por las células de los tejidos (durante la combustión de los hidratos de carbono y de las grasas), hay una importante diferencia de concentración de CO2 entre las células tisulares, el plasma san- guíneo y los eritrocitos, lo que conlleva a un desplazamiento a través de las membranas celulares al plasma y a los eritrocitos. En el plasma sanguíneo, el CO2 gas se haya en equilibrio con el CO2 disuelto. El equilibrio entre el CO2 (gas) y el CO2 (d) viene dado por la Ley de Henry (la so- lubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión parcial del gas): [CO2]d = α (ppCO2) α = 3,01 × 10‑2 a la pp normal alveolar de 40 mm de Hg Una pequeña porción del CO2 disuelto presente en el plasma se mantiene como tal [CO2]d, y otra pequeña parte reacciona con agua para formar H2CO3 CO2 (d) + H2O k1 H2CO3 (8) pero la mayor parte del CO2 disuelto en el plasma penetra en los eritrocitos sanguíneos donde también sufre el proceso de hidratación para formar H2CO3 a expensas de un enzima, la “anhidrasa carbónica”, un enzima que acelera extraordinariamente la velocidad en ambos sentidos de la reacción (8). La importancia de la acción enzimática es fácil de comprender, así en ausen- cia del enzima, durante el tiempo que tarda en pasar la sangre por los capila- 32 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Hb HHb (ácido) pKa = 7,9 Hb‑ (sal) HbO2 HHbO2 (ácido) pKa = 6,7 Hb2 ‑ (sal) La diferencia que existe entre las pKa de ambas formas de hemoglobina en función de la oxigenación o desoxigenación es debido a que la hemoglobina contiene muchos grupos ionizados, en particular influye en este cambio de pKa el grupo imidazólico del aa. Hys 146 que tiene la especial propiedad de modificarse según el grado de oxigenación de la molécula de hemoglobina. Así la pKa de esta Hys tiene el valor de 6,7 en la oxihemoglobina y cuando la hemoglobina pierde O2 aumenta hasta 7,9, lo que se debe a que en la desoxi- Hb la carga local del entorno de este aa. se vuelve más negativa y la Hys ad- quiere entonces mayor afinidad por los H+. Por ello de los dos ácidos [HHb, pKa = 7,9 y HHbO2, pKa = 6,7], el más fuer- te es el correspondiente a la oxihemoglobina. Vamos a estudiar los equilibrios que se producen para las cuatro formas de la hemoglobina, según la sangre es transportada de los pulmones a los tejidos ó viceversa. La hemoglobina de los eritrocitos llega a los pulmones principal- mente como mezcla de las formas desoxigenadas HHb + Hb‑ (figura 1.6). HHb + O2 KO2 = 1 1 HHbO2 7 pKa = 7,9 2 pKa = 6,7 Hb‑ + O2 K′O2 = 0,032 4 HbO2 ‑ + + + H+ alimento H+ + HCO3 3 H2O + CO2↑ 6 CO2 + H2O Renueva el HCO3 ‑ 0 FIguRA 1.6. En los pulmones, la hemoglobina se une al oxígeno; el equilibrio se desplaza así a la derecha (reacción 1). ya hemos dicho que la HHbO2 es un ácido más fuerte que la HHb. Como resultado, el equilibrio se desplaza hacia abajo (re- acción 2) y se desprenden H+ (efecto Haldane). AgUA y TAMPONES FISIOLógICOS 33 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial El incremento de [H+] es neutralizado por el CO3H ‑ plasmático (reacción 3), lo que provoca al mismo tiempo que la eliminación de H+, el desprendimiento del CO2 a la atmósfera. La hemoglobina oxigenada HbO2 ‑ así formada en los pulmones, (base conjuga- da a pH 7,4), se transporta a los tejidos, donde la baja presión parcial de O2 provoca que se desplace el equilibrio horizontal hacia la izquierda (reacción 4). En los tejidos, se libera el O2, y como la Hb‑ es una base más fuerte que la HbO2 ‑ (como es lógico, si la HHbO2 es un ácido más fuerte que la HHb); el equilibrio vertical se desplaza hacia arriba (reacción 7) captando los iones H+ de los que se producen a partir de la oxidación de los alimentos (reacción 6), con lo que éstos H+ son eliminados en forma de HHgb (efecto Bohr). Por su- puesto ambos desplazamientos ocurren simultáneamente. Pero además hay que destacar que también la HbO2 ‑ puede captar los H+ que en la sangre se producen desde el CO2 gaseoso que pasa a ella procedente del metabolismo de los tejidos. Éste, en los eritrocitos y a expensas de un enzima, la anhidrasa carbónica, rinde H2CO3, el cual se disocia, como ya sabemos, en iones bicarbonato e hidrógeno, que harían descender el pH, de no ser rápi- damente captado por la HbO2 ‑ que así se reduce. Conforme el bicarbonato de los eritrocitos se eleva más que el plasmático, sale bicarbonato de la célula y se intercambia por cloruros (desplazamiento de cloruros). Este efecto compensador del pH puede expresarse globalmente como un equi- librio conjunto, en el cual intervienen los gases: O2 y CO2. HbO2 ‑ + CO2 + H2O HbH + HCO3 ‑ + O2 esto es, la HbO2 ‑ ha captado los H+ cedidos por la disociación del H2CO3 y ha desprendido el O2 que transportaba convirtiéndose en HbH (Hb reducida). 34 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial PREgunTAs TEsT 1 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la estructura del agua es correcta? a El oxígeno presenta orbitales híbridos sp2. b El oxígeno se une a los hidrógenos mediante enlaces iónicos (debido a la gran diferencia en las afinidades electrónicas). c La molécula de agua tiene forma lineal. d El oxígeno se une a los hidrógenos mediante enlaces covalentes for- mados por pares de electrones. e La molécula de agua tiene enlaces resonantes. 2 El ángulo de la molécula de agua es: a 120º. b 110º. c 109,4º. d 104,5º. e 180º. 3 La molécula de agua... a Presenta momento dipolar. b Tiene diferente distribución de cargas. c Sus átomos presentan diferentes electronegatividades. d Todas las anteriores son correctas. e Todas las anteriores son falsas. 4 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el agua permite ex- plicar la polaridad del agua? a Es un compuesto iónico, por lo tanto es polar. b El valor del ángulo del enlace. c La existencia en el agua de puentes de hidrógeno. d La unión a otras sustancias mediante puentes de hidrógeno. e La diferencia en la fuerza de enlace entre los puentes de hidrógeno y los enlaces covalentes. 5 Con respecto a los puentes de hidrógeno... a Se forman entre átomos electronegativos e hidrógeno unido a ni- trógeno. b Se forman entre átomos electronegativos e hidrógeno unido a oxí- geno. c Se forman entre átomos electronegativos e hidrógeno unido a flúor. AgUA y TAMPONES FISIOLógICOS 37 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial c El agua se congela direccionalmente desde el fondo hasta la super- ficie. d Las sales marinas ayudan a que la temperatura de congelación sea menor. e La b y la d son correctas. 15 Una disolución básica es aquella que: a [H+] = [OH‑] y [H+] = 10‑7 M. b [H+] > [OH‑] y pH < 7. c [H+] < [ OH‑] y pH = 7. d [H+] < [OH‑] y pH > 7. e [H+] > [OH‑] y pH > 7. 16 El calor puesto en juego en el cambio de estado del agua de só- lido a líquido... a Es bajo para facilitar los procesos de intercambio rápido de energía. b Se denomina calor latente de solidificación. c Es muy alto y evita cambios bruscos de estado. d Es muy superior al calor de cambio de estado de líquido a sólido. e Todas son ciertas. 17 Reciben el nombre de ácidos y bases débiles aquellos que: a Están totalmente disociados en disoluciones diluidas. b Tienen gran energía de hidratación. c Poca afinidad protónica. d Los que tienen numerosas moléculas sin disociar en disoluciones di- luidas. e Los que tienen constantes de disociación elevadas. 18 En relación a las propiedades del agua por su interés biológico, ¿qué afirmación es falsa? a Posee elevado calor específico. b Elevado calor de vaporización. c Elevada conductividad térmica. d Mínima densidad a 4 ºC. e Elevada tensión superficial. 19 La magnitud que mide el calor empleado en elevar la tempera- tura de una masa de agua en 1 ºC... a Se denomina calor latente del aumen to de temperatura. 38 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial b Varía mucho según las temperaturas a que se encuentre el agua. c Estabiliza las temperaturas moderadas en las zonas costeras. d Posibilita la existencia de los cambios de estado. e No existe dicha magnitud. 20 El agua es un disolvente de: a Sustancias polares. b Sustancias anfipáticas. c Electrólitos fuertes. d Electrólitos débiles. e Todas son correctas. 21 El agua al disolver a una sal iónica... a La disocia. b La solvata. c Orienta cada polo hacia la carga de signo contrario. d Se une mediante interacciones electrostáticas débiles a los iones de la sal. e Todas son correctas. 22 ¿Cuál de los siguientes compuestos es más probable que forme micelas en solución acuosa? a Lactato sódico. b Fluoruro cálcico. c Ácidos grasos. d Ácido clorhídrico. e Hidróxido potásico. 23 El agua destilada... a Presenta moléculas diferentes al agua sin destilar. b Conduce peor la electricidad que el agua mineral. c Posee mucho menor número de puentes de hidrógeno que el agua sin destilar. d Cuando congela tiene mayor densidad e Ninguna es cierta. 24 Sobre el agua líquida se puede afirmar: a Es una sustancia anfótera. b Aunque su pH es 7 no exhibe carácter ácido-base. c En las sales no produce hidrólisis. d Cada molécula desprende dos protones. e El agua en absoluto se puede considerar como un electró lito. AgUA y TAMPONES FISIOLógICOS 39 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial 25 En el agua pura: a Su concentración es constante y vale 55,5 M a 25 ºC. b La concentración de protones a 25 ºC es igual a 10‑7. c Las concentraciones de iones hidroxilo e hidroxonio son iguales. d Todo es cierto. e Sólo b y c son ciertas. 26 En relación al producto iónico del agua, cabe decir... a Implica desigualdad entre las formas positivas y negativas. b Implica que existen cantidades iguales de protones, hidroxilos y mo- léculas sin disociar. c Es la constante de equilibrio para la disociación del agua. d Es igual a 10‑14 a 25 ºC. e Depende de la concentración del agua sin disociar. 27 Sí se conoce el pH de una disolución se puede calcular el pOH de la misma: a Siempre que se conozca la sustancia que está disuelta en la disolu- ción acuosa. b Siempre que se conozca la constante de equilibrio de la disociación. c Siempre que se conozca el producto iónico del agua y de las especies disueltas. d No se puede calcular en ningún caso. e Se puede calcular a partir de la relación: [OH‑] [H+] = 10‑14. 28 Una disolución ácida es aquella que: a pH = 7. b [H+] < 10‑7 M. c pH < 7. d pOH < 7. e [H+] = [OH‑] = 10‑7 M. 29 Una disolución de agua a 25 ºC, a pH 6,5: a Es una disolución neutra. b Contiene casi el mismo número de protones que una de pH 7. c Contiene casi el mismo número de protones que una de pH 6. d Contiene más del doble de protones que una de pH 7. e La b y la c son correctas. 42 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial 41 Con relación al pH de la orina para un adulto sano: a Está comprendido entre los valores de 2-5. b Está comprendido entre los valores de 5-8. c Está siempre por debajo de 5. d Está siempre por debajo de 4. e Está comprendido entre los valores de 3-6. 42 A pH fisiológico (7,4) y teniendo en cuenta los valores de pKa para el ácido fosfórico (pKa1 = 2,12; pKa2 = 7,21; pKa3 = 12,67) que especies disociadas del ácido predominan: a H3PO4 y H2PO4 ‑. b H2PO4 ‑ y HPO4 2‑. c HPO4 2‑ y PO4 3‑. d No predomina ninguna. e Menos el ácido H3PO4 puede existir cualquiera. 43 En los adultos el valor normal del pH sanguíneo es 7,4: a Si el pH desciende por debajo de 7,35 se denomina acidosis. b Si el pH desciende por debajo de 7,35 se considera normal hasta pH = 7. c Si el pH desciende por debajo de 7 produce acidosis hasta pH de 6,5. d Si el pH desciende por debajo de 7,35 se considera normal depen- diendo del adulto. e Ninguna es cierta. 44 El pH sanguíneo depende de las concentraciones de: a Fosfato dipotásico y de fosfato potásico. b CO2 y de bicarbonato. c CO2 y de ácido carbónico. d Bicarbonato y carbonato. e Ninguna es cierta. 45 Se mide en el laboratorio los parámetros ácido-básico de una muestra de sangre con los siguientes resultados: reserva alcali- na 17 meq / l, [CO2](d) = 1,2 meq / l. Indicar el pH sanguíneo: a 7,50. b 7,40. c 7,22. d 7,10. e 6,22. 46 Los resultados obtenidos cuando se mide en el plasma sanguí- neo de un individuo la ppCO2, [HCO3 –], CO2 total y pH son: ppCO2 = 40 mmHg, [HCO3 –] = 26 meq / l, CO2 total = 27,3 meq / l y pH = 7,1. Indicar en que situación ácido-básica se encuentra: AgUA y TAMPONES FISIOLógICOS 43 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial a Acidosis respiratoria. b Alcalosis respiratoria. c Acidosis metabólica. d Alcalosis metabólica. e Situación normal. 47 En un plasma sanguíneo se mide la ppCO2 = 21 mmHg, la [HCO3 –] es de 16,7 meq / l y el pH es igual a 7,52. Indicar en qué situación ácido-básica se encuentra: a Acidosis respiratoria. b Alcalosis respiratoria. c Acidosis metabólica. d Alcalosis metabólica. e Situación normal. 48 Las concentraciones de [HCO3 –], CO2 disuelto y pH en un plas- ma sanguíneo son respectivamente de 35 meq / l; 1,35 meq / l y 7,58. Indicar cuál es su situación fisiopatológica respecto al equilibrio ácido-base. a Acidosis respiratoria. b Alcalosis respiratoria. c Acidosis metabólica. d Alcalosis metabólica. e Situación normal. 49 Las concentraciones de [HCO3 –] y de CO2 disuelto en un plasma sanguíneo, son respectivamente de 26 meq / l y 2 meq / l. Estable- cer su situación fisiopatológica. a Acidosis respiratoria. b Alcalosis respiratoria. c Acidosis metabólica. d Alcalosis metabólica. e Situación normal. 50 Un individuo en situación de “acidemia metabólica”, puede re- cuperar el pH fisiológico de 7,4 a expensas de: a Conservación de [HCO3 ‑] por los mecanismos renales adecuados. b Aumentar la eliminación de CO2 a través de los alvéolos pulmonares. c Aumentar el intercambio Na+ - H+. d Aumentar la eliminación por la orina de amoniaco. e Todo lo anterior es cierto. 51 La eliminación de una orina ácida (pH alrededor de 4,5 a 5,5) responde a una situación fisiopatológica de: a Acidosis respiratoria. b Alcalosis respiratoria. 44 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial c Acidosis metabólica. d Alcalosis metabólica. e Situación normal. 52 En una situación clínica de “alcalosis metabólica”, el orga- nismo pone en marcha los siguientes mecanismos de compen- sación: a Aumenta el intercambio Na+ - H+. b Aumenta la formación de amoniaco. c Aumenta la reabsorción de [HCO3 ‑] por los mecanismos renales ade- cuados. d Aumenta la retención de CO2 (hipercapnia) a través de los alvéolos pulmonares. e Disminuye la ppCO2. 53 La hiperventilación pulmonar supone: a Aumento de la ppCO2. b Disminución de la [CO2](d). c Disminución de la [HCO3 ‑]. d Una situación de alcalosis metabólica. e Una situación de alcalosis respiratoria. 54 Un aumento del pH sanguíneo pone en marcha mecanismos compensatorios de: a Depresión del centro respiratorio. b Una retención de CO2 (hipercapnia). c Disminuye el intercambio Na+ - H+. d Disminución de la formación de iones NH4 + en el riñón. e Todo lo anterior es cierto. 55 Una disminución del pH sanguíneo pone en marcha mecanismos compensatorios de: a Hiperventilación. b Disminución de la ppCO2. c Disminución de la [CO2](d) (hipocapnia). d Incrementar la formación de iones NH4 + en el riñón. e Todo lo anterior es cierto. AgUA y TAMPONES FISIOLógICOS 47 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial 64 Estudiando la curva de disociación de la hemoglobina a diferen- tes valores de pH, establecer para 100 mmoles de sangre arte- rial (pH 7,3) qué concentración de hemoglobina reducida (Hb–) existe. a 1 mol. b 1 mmol. c 0,8 moles. d 0,6 mmoles. e 0,5 mmoles. REsPuEsTAs RAzonADAs 1 d El enlace se forma entre un electrón del oxígeno y el electrón 1s del hidrógeno. El oxígeno emplea orbitales híbridos sp3, dos de los cuales están ocupados por un electrón y en otro queda el otro par de electrones sin com- partir. 2 d El ángulo de enlace es de 104,5 o próximo al de un tetraedro, ligera- mente cerrado por la repulsión electrostática de los electrones implicados en los enlaces y el par sin compartir del oxígeno, lo que le confiere a la molécula de agua características especiales. 3 d El agua es un dipolo y por tanto presenta momento dipolar, como consecuencia de ello existe una densidad de carga negativa sobre el oxígeno y una positiva sobre el hidrógeno. El oxígeno atrae con mayor fuerza a los elec- trones del enlace que el hidrógeno, por tanto es más electronegativo que el hidrógeno. 4 b El ángulo de enlace es el responsable de la asimetría en las cargas eléctricas de la molécula, si el agua fuera lineal no presentaría polaridad. 5 e Para poder formar un enlace de hidrógeno se requiere que el átomo de hidrógeno que está covalentemente unido a un átomo de oxígeno, nitróge- no o flúor, y por tanto se halla muy polarizado, se encuentre a 0,27-0,3 nm de otro átomo electronegativo. 6 c La desoxihemoglobina es una mezcla de H desoxihemoglobina (HHb) ácido conjugado y desoxihemoglobina (Hb‑) base conjugada o sal. Se produ- cen los siguientes equilibrios en función de los pKa. 48 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Hb HHb (ácido) pKa = 7,9 Hb‑ (sal) HbO2 HHbO2 (ácido) pKa = 6,7 Hb2 ‑ (sal) 7 d El enlace de hidrógeno tiene lugar entre elementos muy electronega- tivos (O, N, F, ...) y el hidrógeno. El hidrógeno al perder prácticamente su electrón presenta una densidad de carga positiva y atrae al elemento electro- negativo de una molécula vecina. Las moléculas, a través de enlaces de hidró- geno, se asocian en agrupaciones mayores. Ejemplo: la molécula de fluoruro de hidrógeno se puede representar de la si- guiente forma: F d‑ H d+ F H F H F 8 b Los enlaces de hidrógeno junto con el carácter polar de la molécula de agua permiten que se produzcan las interacciones necesarias para solubili- zar alcoholes, aminas y aminoácidos. 9 d El ácido fosfórico H3PO4 puede sufrir tres disociaciones: a) H3PO4 H2PO4 ‑ + H+ pK1 = 2,1 b) H2PO4 ‑ HPO4 2‑ + H+ pK2 = 7,2 c) HPO4 2‑ PO4 3‑ + H+ pK2 = 12,7 En condiciones fisiológicas solo interesa el segundo equilibrio (b), que es el que tiene el valor del pK más próximo al pH fisiológico. 10 b El hielo es una estructura en forma de malla tetraédrica. Se produce la formación de un cristal mantenido por enlaces de hidrógeno en la que cada molécula de agua se encuentra unida a otras cuatro. 11 a La definición de ácido y base de Brönsted y Lowry es protónica. Un ácido es toda sustancia capaz de ceder protones y una base es aquella sustan- cia capaz de aceptar protones. Es una teoría conjugada, no tiene sentido ha- blar de ácido o base considerados independientemente, pues para ceder el ácido un protón debe estar presente una base y viceversa. 12 c El agua en estado líquido presenta agrupaciones más o menos com- pactas variables en el tiempo y denominadas mosaicos. El agua sólida tiene una estructura tetraédrica formada por agrupaciones hexagonales con gran AgUA y TAMPONES FISIOLógICOS 49 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial cantidad de huecos entre cada hexágono, por lo que la densidad de las molé- culas es menor. 13 b La acción amortiguadora de las proteínas fisiológicas, se debe a su composición en aminoácidos. Las proteínas son polielectrólitos anfóteros debi- do a que contienen los grupos amino y carboxilo. Sin embargo, varios de los aminoácidos contienen grupos ionizables que no intervienen en la formación del enlace peptídico. Tal es el caso de la lisina, arginina, histidina, ácido glutá- mico, aspártico, aportan grupos ácidos y básicos a las moléculas proteicas distintos a los que forman el enlace peptídico. Las proteínas actúan como amortiguadores a uno y otro lado del pH isoeléctrico. 14 e La respuesta b es correcta, por la respuesta de la pregunta 8 y la d es correcta ya que al existir iones en el medio la temperatura necesaria disminu- ye por debajo de 0 ºC. 15 d Una disolución básica es aquella que: [H+] < [OH‑] ; [H+] < 10‑7 M En función del concepto de pH una disolución básica es aquella que: pH > 7 o pOH < 7 16 c El calor latente de fusión del agua es muy elevado de forma que se evita la congelación y descongelación brusca que podría impedir la vida. 17 d Ácidos y bases débiles son los que tienen moléculas sin disociar en disolución acuosa. Existe un equilibrio químico entre las moléculas no disocia- das y sus iones. Este equilibrio viene dado por dos magnitudes: grado de diso- ciación y constante de ionización. Ejemplo: ácido acético CH3COOH + H2O CH3COO‑ + H3O + 18 d El agua alcanza su máxima densidad a 4 ºC. Este hecho basado en la diferencia existente entre las estructuras del hielo y del agua líquida, permite que el hielo flote en el agua. gracias a esta propiedad existe vida marina en los casquetes polares del planeta, ya que el hielo flotante actúa como un ais- lante impidiendo que el resto de la masa líquida se congele. 19 c El calor específico del agua informa sobre la cantidad de energía ne- cesaria para variar la temperatura de una determinada masa de agua. Al ser muy elevado se necesitará mucho calor del medio para cambiar la temperatu- 52 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial 36 e Como [base] [ácido] = 1 3 ; log 1 2 = ‑0,48 y como el pKa = 4,10, el pH es de 3,62. 37 b Las soluciones reguladoras o tampones, contienen siempre un ácido o base débil y un exceso de una de sus sales de base fuerte o ácido fuerte res- pectivamente. El ácido clorhídrico y el hidróxido sódico son fuertes, por ello no forman una solución reguladora, la reacción entre ambas es una neutraliza- ción, produciendo una sal más agua. 38 d pH ‑ pKa = log [base] [ácido] ; ‑1 = log [base] [ácido] ; [base] [ácido] = 10‑1 = 0,1 por tanto 0,1 [ácido] = [base] y [ácido] = 10 [base] 39 e Si un ácido está neutralizado en 91% será porque la [base] = 91 y la [ácido] = 9 y por tanto si el pH es 4,86 a partir de la ecuación de Henderson- Hasselbach el pKa = 3,86. 40 e El jugo gástrico ya que tiene un pH comprendido entre 1,5-3 debido a que es una secreción muy rica en ácido clorhídrico. 41 b El pH de la orina está comprendido entre 5-8, es decir, presenta tanto protones como hidroxilos. 42 b Si el pH = 7,4 y como a este pH el pK más cercano del ácido fosfóri- co es 7,21 el equilibrio predominante será el que constituyen las especies H2PO4 ‑ y HPO4 2‑. 43 a A partir de valores de pH de 7,35 el individuo tiene desequilibrios ácido-base y el estado que se alcanza se denomina acidosis. 44 b Esto es debido a que el pH sanguíneo se mantiene gracias al equili- brio existente entre la concentración de dióxido de carbono de la respiración y del bicarbonato en sangre. 45 c Conociendo que la reserva alcalina corresponde al CO2 total esto es a la suma de [CO2]d + [HCO3 ‑] y aplicando la ecuación de Henderson-Hasselba- ch para un pH fisiológico de 7,4, se obtiene un pH de 7,22. AgUA y TAMPONES FISIOLógICOS 53 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial 46 c El pH obtenido después de aplicar la ecuación de Henderson-Hassel- bach corresponde a un pH de 7,4 lo que está de acuerdo con los datos medi- dos que corresponden a un equilibrio ácido-básico normal. 47 b Toda situación ácido-base en la que disminuye la concentración de [CO2]d, como consecuencia de la baja presión parcial de CO2, conduce a una alcalosis respiratoria. 48 d Un exceso primario de bicarbonato, como corresponde a la concen- tración de 35 meq / l conduce a una alcalosis metabólica, ya que el bicarbona- to plasmático procede de la hidratación del CO2 producido en el metabolismo celular. 49 a Concentraciones aumentadas de [CO2]d como es la de 2 meq / l, con- llevan a una acidosis respiratoria, ya que este aumento se debe a ventilación inadecuada y puede ser aguda o crónica. En cualquier caso, la hipoventilación conduce a retención de CO2, incremento ppCO2 de sanguínea y de H2CO3 y por tanto reducción del pH. 50 e La acidosis metabólica se considera una deficiencia primaria de bicar- bonato, que ocasiona una disminución en la relación [Base‑] / [Ácido] de la ecuación de Henderson-Hasselbach y por tanto que el pH descienda. Conse- cuentemente los quimiorreceptores de la médula son estimulados para aumen- tar la ventilación. La segunda característica del sistema de compensación respiratorio de las aci- dosis metabólicas es que la respuesta ventilatoria es proporcional a la intensi- dad de la acidosis metabólica. En las situaciones en las que se produce una acidosis metabólica por ácidos que se eliminen por el riñón, otro mecanismo de compensación consiste en un incremento de la excreción renal de hidrogeniones. Los riñones tienen tres mecanismos para regular el equilibrio ácido-básico: 1) excretan el exceso de ácido intercambiando sodio por hidrógeno, 2) reabsorben el bicarbonato y 3) producción de amoniaco y excreción de iones NH4 +. 51 c La presencia de acidosis metabólica con descenso de la concentra- ción plasmática de HCO3 ‑ determina que cuando el riñón está indemne se re- absorba todo el HCO3 ‑ en la porción proximal de la nefrona, y que el túbulo distal funcione al máximo regenerando todo el HCO3 ‑ gastado en los procesos metabólicos y excretando una gran cantidad de hidrogeniones. Esto se mani- fiesta por una orina muy ácida con un pH que oscila entre 4,5 y 5,5. 54 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial 52 d Se considera que la alcalosis metabólica se produce por un exceso de bicarbonato; esto hace que en la expresión de Henderson-Hasselbach la rela- ción de bicarbonato con respecto al ácido carbónico aumente y por tanto que el pH sea más alto. En la alcalosis metabólica el riñón compensa el exceso de bicarbonato aumen- tando su excreción y los pulmones retienen el dióxido de carbono, enlente- ciendo la respiración alveolar. 53 b La hiperventilación, que conduce a alcalosis respiratoria, trae como consecuencia una disminución de la ppCO2 en los alvéolos pulmona- res, lo que según la ley de Ley de Henry (la solubilidad de un gas en un lí- quido es proporcional a la presión parcial del gas), conduce a una disminu- ción de la [CO2]d [CO2]d = α (ppCO2) 54 e El aumento en el pH sanguíneo puede deberse tanto al aumento en la [HCO3 ‑] como a una disminución de la [CO2]d ó de la ppCO2 lo que inicia una serie de mecanismos compensatorios que incluye la depresión del centro respiratorio para así aumentar la ppCO2, una retención de CO2 (hipercapnia), la disminución del intercambio Na+ - H+ con lo que los H+ no eliminados gasta- rán HCO3 ‑, que hará descender su concentración y por último la disminución de la formación de iones NH4 + en el riñón con esta misma finalidad. 55 e La disminución del pH sanguíneo que puede tener su origen tanto en la disminución de la HCO3 ‑, como en el aumento del [CO2](d) se compensa me- diante hiperventilación que aumenta el CO2 expirado y como consecuencia disminuye la ppCO2 y la [CO2](d) y con un aumento en la formación de iones NH4 + en el riñón que así permite eliminar por esta vía el exceso de H+. 56 a La adición de un ácido a la sangre es siempre neutralizado por los iones HCO3 ‑ que de esta forma y tras combinarse con los hidrogeniones del ácido rinde ácido carbónico, el cual se deshidrata a CO2 más agua. Según esto, se produce un aumento en la concentración de CO2 en sangre que esti- mula el centro respiratorio produciéndose la hiperventilación necesaria para disminuir la ppCO2 también aumentada. 57 e La hemoglobina juega un importante papel como tampón de la san- gre. Es el amortiguador de la sangre que mayor importancia fisiológica tiene por su capacidad cuantitativa en el transporte y neutralización de los hidroge- niones, lo que consigue principalmente por el equilibrio entre las cuatro for- mas que existen en la sangre: la “oxihemoglobina” que corresponde a una mezcla de oxihemoglobina reducida, (HHbO2) (ácido conjugado) y oxihemog- © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Bloque temático 2 Proteínas DEFInICIón, ConCEPTo y sIgnIFICACIón BIológICA Las proteínas son sustancias orgánicas nitrogenadas complejas que se hallan en las células animales y vegetales. Son polímeros lineales en los que las uni- dades monoméricas son los aminoácidos, que se pliegan en una notable diver- sidad de formas tridimensionales, que les proporcionan una correspondiente variedad de funciones. Actúan como componentes estructurales de mensajeros y de receptores de mensajeros. Algunas proteínas se unen al DNA y regulan la expresión de los genes; otras participan en la replicación, la transcripción y la traducción de la información genética; otras están relacionadas con el sistema inmunitario (inmunoglobulinas); con la contracción muscular (actina y miosi- na); con el transporte de oxígeno y la respiración celular (hemoglobina y cito- cromos). Quizás las proteínas más importantes sean los enzimas, catalizadores que de- terminan el ritmo y el rumbo de toda la bioquímica. Las proteínas son componentes esenciales de todas las células vivas. Su mi- sión en el organismo es de dos tipos: Una de tipo estructural, formando parte del propio organismo y otra de tipo funcional. CARACTERÍsTICAs gEnERAlEs • El peso molecular de las proteínas varía entre 5.000 y varios millones. • Constan de 20 aminoácidos, unidos por enlaces peptídicos. • En las proteínas globulares solubles, las cadenas peptídicas están plega- das formando estructuras complejas. • Como su conformación se mantiene por fuerzas débiles, es fácilmente al- terada por un ligero cambio de pH, temperatura o disolventes. • Son muy reactivas porque tienen muchas cadenas laterales con restos de aminoácidos con grupos aniónicos o catiónicos. 58 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial • La hidrólisis parcial de una proteína, realizada por medio de ácidos, bases o enzimas conduce a la obtención de moléculas más pequeñas. Si se efectúa la hidrólisis total se obtienen los aminoácidos que la com- ponen. AmInoáCIDos: sus ClAsEs y PRoPIEDADEs gEnERAlEs Las proteínas están constituidas por la concatenación de unas sustancias químicas denominadas aminoácidos. Son éstos la unidad estructural de las proteínas. Por hidrólisis de proteínas se han identificado 20 aminoácidos dis- tintos. Un aminoácido, de ahí su nombre, posee dos grupos funcionales característi- cos: un grupo amino NH2 y un grupo carboxílico COOH. Hay aminoáci- dos con un solo grupo amino y un solo grupo carboxílico, denominándose entonces monoamino-monocarboxílicos. Hay otros, sin embargo, que poseen más de un grupo amino o más de un grupo carboxílico. Un aminoácido con un grupo amino y dos grupos carboxílicos, por ejemplo, recibiría el nombre de monoamino-dicarboxílico. En general, todos los aminoácidos de un hidrolizado de proteína son del tipo alfa, que corresponde a la siguiente fórmula general: NH2 R C COOH H donde R representa el esqueleto carbonado característico del aminoácido en cuestión y que es el que le distingue de los demás. Al carbono poseedor de los grupos amino y carboxilo se le denota como car- bono alfa (Cα) y a los siguientes carbonos de R se les nombra con las letras sucesivas del alfabeto griego, es decir: Cβ, Cγ, Cd, Cκ, etc. Dentro del conjunto de todos los aminoácidos naturales, existen unos que pueden ser sintetizados por las células del organismo humano a partir de ma- teriales sencillo que contengan C, O, H y N, pero otros tienen que adquirirse necesariamente con la dieta. Estos últimos se denominan “aminoácidos esenciales” para la especie humana, y son: valina, leucina, isoleucina, treoni- na, metionina, fenilalinina, triptófano, lisina e histidina. La histidina para el ser humano se clasifica como aminoácido esencial aunque sólo para los lactantes. PROTEíNAS 59 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Clasificación de aminoácidos Se pueden clasificar atendiendo a su carácter ácido o básico. Así podrían ser: • Neutros: Alifáticos, aromáticos, azufrados, secundarios. • Ácidos. • Básicos. No obstante, tiene más interés y significación el método de clasificación basa- do en la polaridad de sus grupos R, cuando se hallan en disolución acuosa, a pH próximo a 7,0: Aminoácidos con grupos R no polares Estos grupos R son de naturaleza hidrocarbonatada y poseen carácter hidrófobo. Alanina (ALA) (A) CH3 CH COOH NH2 Ácido amino propiónico Valina (VAL) (V) CH3 CH3 CH CH COOH NH2 Ácido α-amino isovaleriánico Leucina (LEU) (L) CH3 CH3 CH CH2 CH COOH NH2 Ácido α-amino isocaproico Isoleucina (ILEU) (I) NH2 CH3 CH2 CH CH COOH CH3 Ácido α-amino, β-metil valeriánico Prolina (PRO) (P) H2C H2C CH2 NH H C COOH Ácido pirrolidín 2-carboxílico Fenilalanina (PHE) (F) CH2 CH COOH NH2 Ácido α-amino, β-fenil propiónico 62 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Lisina (LyS) (K) H2N CH2 CH2 CH2 CH2 CH COOH NH2 Ácido α-amino e-amino caproico Arginina (ARg) (R) H2N C NH CH2 CH2 CH2 CH COOH NH NH2 Ácido α-amino d-guanidín n-valeriánico Histidina (HIS) (H) N HC C CH2 CH COOH NH2NH C H Ácido α-amino, β-imidazol propiónico Todos los aminoácidos, a pH 7,0, tienen sus grupos amino y carboxilo de las cadenas laterales ionizados, exceptuando la histidina en la que el grupo imida- zol se ioniza a partir de pH 6,0. Los grupos α-amino y α-carboxílico también resultan ionizados a pH 7. Propiedades generales de los aminoácidos Isomería de los aminoácidos Todos los aminoácidos, a excepción de a glicocola o glicina, poseen átomos de carbono asimétricos. Por lo tanto, presentan actividad óptica. Algunos aminoácidos aislados a partir de las proteínas son dextrorrotatorios (Ala, Ileu, glu, etc.), mientras que otros son levorrotatorios (Trp, Leu, Phe). También los aminoácidos presentan el fenómeno de la esteroisomería. Para su estudio, hay que basarse en la estructura de los dos isómeros posibles del gli- ceraldehído, designados convencionalmente por L y D. H C O H C OH CH2OH OH C O H C H CH2OH D-gliceraldehído L-gliceraldehído PROTEíNAS 63 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial En virtud a esta referencia, los dos isómeros posibles de la alanina se nom- brarían: H COOH C NH2 CH3 H2N COOH C H CH3 D-alanina L-alanina Así, el grupo carboxilo del átomo de carbono asimétrico de la alanina, o de cualquier otro aminoácido, puede relacionarse estéricamente con el grupo al- dehído del átomo de carbono asimétrico del gliceraldehído; el grupo amino sustituyente del aminoácido, con el grupo hidroxilo del gliceraldehído, y el grupo R del aminoácido con el grupo CH2OH del gliceraldehído. De esta manera los estereoisómeros de todos los aminoácidos que aparecen en la naturaleza pueden relacionarse estructuralmente con los dos estereoisó- meros del gliceraldehído, designándose por L o por D, según se relacionen con el L-gliceraldehído o con el D-gliceraldehído, respectivamente. Esta no- menclatura es independiente de la dirección de rotación del plano de la luz polarizada que muestren los isómeros. Los símbolos L y D se refieren así a la configuración absoluta y no a la dirección de rotación. Todos los aminoácidos que se han hallado en las proteínas pertenecen a la serie L. Excepcionalmente se han encontrado algunos de la serie D en deter- minadas estructuras celulares, hormonas, etc. Cuando una aminoácido se obtiene en el laboratorio mediante simples reac- ciones químicas, se consigue generalmente una forma ópticamente inactiva, denominada “mezcla racémica” o “racémico”, que esta constituida por una mezcla equimolecular de isómeros D y L, simbolizada por DL. Aquellos aminoácidos que posean dos átomos de carbono asimétricos presen- tan cuatro estereoisómeros. En el caso de la treonina se conocen los cuatro. La forma aislada de los hidrolizados de proteínas se designa como L y su ima- gen especular como D. Aparte, existen otras dos formas llamadas diasteroisó- meros o formas alo. Los diasteroisómeros no son entre sí imágenes especula- res uno de los otros, por ejemplo la L-treonina con la L-alo-treonina o con la D-alo-treonina. H2N H COOH C H C OH CH3 H2N OH COOH C H C H CH3 H OH COOH C NH3 C H CH3 H H COOH C NH2 C OH CH3 L-treonina L-alo-treonina D-treonina D-alo-treonina 64 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Siempre que un aminoácido tenga más de un átomo de carbono asimétri- co, se toma la posición del carbono alfa como base para asignarle la confi- guración. La cistina, dos moléculas de cisteína unidas por un puente de sulfuro, puede adoptar una forma en que los pares de átomos de carbono asimétricos sean la imagen en el espejo uno del otro. Cuando eso ocurre, el isómero se halla compensado internamente y se denomina forma meso. H2N COOH COOH C H H2N C H C S S CH2 H COOH COOH C H2N H C NH2 C S S CH2 L-cistina D-cistina H2N COOH COOH C H H C NH2 CH2 S S CH2 Meso-cistina Propiedades ácido-base de los aminoácidos Un aminoácido simple (con grupo R no polar), a pH neutro, es una molécula eléctricamente neutra. Esta neutralidad no se debe a que no tenga cargas sino a que su grupo carboxilo está cargado negativamente y el grupo amino positi- vamente, confiriendo al aminoácido una carga global nula: R H C COO‑ NH3 + Este tipo de iones dipolares se llama “zwiteriones”. Por su estructura de “zwiterión”, los aminoácidos pueden actuar como ácidos débiles o como bases débiles. Se dice de la sustancia con ese comportamiento que tienen propiedades anfóteras. El grupo carboxílico puede liberar un protón, actuando como ácido: R H C COOH NH2 R H C COO‑ NH2 El grupo amino puede captar un protón, actuando como una base: H+ PROTEíNAS 67 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Cada una de las dos ramas de la curva bifásica puede expresarse matemática- mente, con una buena aproximación, mediante la ecuación de Henderson- Hasselbalch; esto significa que podemos calcular las relaciones de las especies iónicas a cualquier pH, si se conocen los valores de pK′. Cuando el pH es 6,02, existe un punto de inflexión entre las dos ramas sepa- radas de la curva de valoración de la Alanina. Para este valor de pH la molé- cula no posee carga eléctrica efectiva, y no se desplazará en un campo eléctri- co. Corresponde, pues, tal valor al llamado “punto isoeléctrico”, cuyas carac- terística fueros expuestas con anterioridad. Aminoácidos no proteicos Además de los aminoácidos citados anteriormente, presentes con mayor o menor frecuencia en las proteínas humanas, se conocen cerca de 150 ami- noácidos encontrados en diferentes células en forma libre o combinada. Así es posible encontrar β-, γ- y d-aminoácidos, nunca presentes en las proteínas naturales. Otros aminoácidos poseen configuración D, en lugar de la forma L habitual, ejemplo: el ácido D-glutámico, de la pared celular bacteriana. Citaremos algunos aminoácidos no proteicos de interés especial: a) β-Alanina. Precursor del ácido Pantoténico. El ácido Pantoténico es una vitamina indispensable para el crecimiento de los animales superiores: NH2 CH2 CH2 COOH En forma de Panteteína (un derivado del ácido Pantoténico) la β-Alanina se incorpora a la estructura del Coenzima A. Se encuentra igualmente este aminoácido no proteico en los seres superiores como producto de- gradativo de las bases pirimidínicas. b) Citrulina. Intermediario en la síntesis de Arginina y en el ciclo de la Urea, proceso hepático encaminado a eliminar NH3 (resultado de la de- gradación de las proteínas) en forma de Urea. O H2N C NH CH2 CH2 CH2 CH COOH NH2 Citrulina 68 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial c) Ornitina. Idéntica función a la anterior: NH2 H2N CH2 CH2 CH2 CH COOH Ornitina d) Ácido γ-amino butírico (GABA). Agente químico para la transmisión del impulso nervioso. Se encuentra en el cerebro: NH2 CH2 CH2 CH2 COOH γ-amino butírico e) Azaserina. Sustancia con ligera actividad antitumoral (antibiótico deri- vado de especias de Streptomyces): C5O4H8N3 NH2 N N +   CH2 CO O CH2 CH COOH [O - (2) diazo acetilserina] f) Ácido β-amino-isobutírico. Producto final del metabolismo de las Piri- midínicas. Se encuentra en la orina de pacientes con una enfermedad metabólica hereditaria. H2N CH2 CH COOH CH2 β-amino-isobutírico g) Taurina. Se conjuga con los ácidos biliares en el hígado. Procede de una descarboxilación y oxidación de la cisteína: CH2 CH2 SO3H NH2 Taurina Reacciones químicas características de los aminoácidos Las propiedades químicas de los aminoácidos van asociadas a sus grupos fun- cionales de manera que existen unas reacciones específicas del grupo carboxi- lo, otras del grupo amino y otras del grupo R de cada aminoácido. También hay aminoácidos que tienen reacciones específicas propias. PROTEíNAS 69 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Propiedades del grupo carboxilo 1. Formación de ésteres: Se produce si previamente se ha bloqueado el grupo amino, consiguiendo un ácido: NH3 + R C COO‑ H NH3 +Cl‑ R C COOH H Clorhidrato de aminoácido NH3 +Cl‑ R C C O O R′ H + H2O Éster 2. Formación de amidas al reaccionar con el amoniaco: Éster + NH3 NH3 +Cl‑ R C C O NH2 H + R′ OH Amida Alcohol 3. Formación de sales: • en el grupo carboxilo: NH2 R C C O O‑M+ ; M+ = metal (catión) H • en el grupo amino: H R C COOH ; A‑ = ácido (anión) NH3 +A‑ 4. Formación de haluros de acilo: NH2 R C C O X H HCl OH R′ 72 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial N C S OC NH CH R PTH-aa Se produce un feniltiocarbamil derivado del aminoácido, que se cicla en medio ácido débil o por acción del calor. El feniltiohidantoin-aminoácido (PTH-aa) producido es característico del aminoácido, ya que su naturaleza depende de la del grupo R, y se puede identificar cromatográficamente. La degradación de Edman es el método actualmente preferido para la iden- tificación de aminoácidos N-terminales, ya que realizándola secuencialmen- te puede llegar a determinarse hasta una secuencia de 25 aminoácidos. 11. Reacción con la ninhidrina: Esta reacción tiene un gran interés, ya que da lugar a una reacción coloreada de los aminoácidos, ampliamente utiliza- da para la identificación y sobre todo para su determinación cuantitativa. La ninhidrina decarboxila y desamina al aminoácido gracias a su fuerte poder oxidante. La ninhidrina reducida formada reacciona con una molé- cula de ninhidrina no reducida y con el amoniaco resultante de la desami- nación para formar un compuesto complejo que presenta coloración vio- leta. De esta forma se pueden determinar cuantitativamente los aminoáci- dos por espectrofotometría, y también por gasometría, gracias al dióxido de carbono que se forma. La coloración violeta es sensiblemente la misma para todos los aminoáci- dos. Su espectro de absorción presenta un máximo de 570 nm. Algunos aminoácidos en particular, como la prolina y la hidroxiprolina, dan con la ninhidrina una coloración amarilla, con un máximo de absor- ción en 440 nm. CO OH OHCO C CO OH HCO C Nihidrina Hidrindantina + + R C O H NH2 R CH COOH + CO2 + NH3 α-aminoácido Ninhidrina = Hidrato de Tricetohidrindeno PROTEíNAS 73 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Reacciones específicas de algunos aminoácidos La cisteína es capaz, gracias a su grupo sulfhidrilo activo, de dar mercáptidos con el ion plata o mercurio, liberándose un hidrogenión. Así se inactivan los grupos sulfhidrilos. H HS CH2 C COOH NH2 H AgS CH2 C COOH + H+ NH2 Cisteína Mercaptido Argéntico de Cisteína Los aminoácidos con grupos fenólicos, como la Tirosina, dan una reacción carac- terística al calentarse con nitrato de mercurio, Hg(NO3)2, en ácido nítrico, produ- ciéndose una reacción de coloración roja. Es la llamada reacción de Millon. Los aminoácidos que poseen grupos sulfhidrilos que estén libre, así, por ejem- plo, la cisteína, producen una coloración roja en una reacción con nitroprusia- to sódico en solución amoniacal diluida. Esta reacción se conoce por el nom- bre de ensayo con nitroprusiato. nIvElEs DE oRgAnIzACIón EsTRuCTuRAl DE lA moléCulA PRoTEICA Cada tipo de molécula proteica posee, en su estado nativo, una forma tridi- mensional característica que es conocida como su conformación o estructura. El mantenimiento de esta estructura es fundamental para el normal funciona- miento de la proteína en cuestión, y una perdida de esta conformación suele implicar una alteración en la misión biológica de la molécula proteica. Esta organización en la estructura de una proteína se realiza a cuatro niveles diferentes, a saber: • Nivel primario de organización o estructura primaria: Se refiere a la composición cuantitativa de los aminoácidos integrantes de la cadena, así como a su orden o secuencia y a la disposición de enlace péptico. • Nivel secundario de organización o estructura secundaria: Es la re- ferente a la disposición espacial de la cadena proteica, especialmente a la formación de estructuras planas o filamentosas, predominando la dimen- sión longitudinal. Es decir, describe el plegamiento local de la cadena a través de las unidades estructurales que aparecen en las proteínas. • Nivel terciario de organización o estructura terciaria: Es la confor- mación tridimensional completa de la cadena polipeptídica. Las interac- Ag+ 74 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial ciones locales entre aminoácidos próximos originan hélices α, hojas β u otras formas de estructura secundaria. Estos subconjuntos se organizan en dominios, que comprenden entre 30 y 150 aminoácidos, y que actúan a modo de unidades más o menos coherentes. La disposición geométrica de los dominios es lo que constituirá la estructura terciaria. • Nivel cuaternario de organización o estructura cuaternaria: Sola- mente poseen este nivel aquellas proteínas formadas por varias cadenas polipeptídicas; se refiere a las diversas interrelaciones que pueden ocurrir entre dichas cadenas. Estructura primaria Las proteínas están constituidas por una o varias cadenas polipeptídicas, cada una de las cuales posee cien o más restos aminoácidos, unidos entre sí covalente- mente por enlaces peptídicos. Todas las proteínas están constituidas por un con- junto básico de 20 aminoácidos, ordenados en diversas secuencias específicas): H2N CH C O OH. R R1 · H. N CH COOH N O R1 · H2N CH C N CH COOH R H + H2O Formación de un enlace peptídico entre dos aminoácidos Mediante estudios con rayos X se ha comprobado que en una cadena peptídi- ca los átomos están dispuestos en forma de zig-zag con un ángulo de aproxi- madamente 120º, siendo Cα, C y N los átomos que se sitúan en los que po- dríamos llamar línea principal de la cadena, mientras que los grupos R, el O y el H se extienden hacia los lados de la cadena: H2N O C Cα R Cα R N H R1 Cα H N C O COOH Aa1 Aa2 Aa3 Formación de un tripéptido PROTEíNAS 77 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial no y un cuarto grupo, la denominada cadena lateral. Es en la naturaleza de su cadena lateral en lo único que difieren los aminoácidos. El esqueleto de la proteína se construye uniendo, cabeza con cola, los ami- noácidos: el grupo amino de una unidad se enlaza al grupo carboxílico de la siguiente. La fusión se logra eliminando una molécula de agua, para forma un enlace carbono-nitrógeno denominado enlace peptídico, y la cadena proteica recibe el nombre de polipéptido. Las propiedades del enlace peptídico imponen ciertas restricciones en el ple- gamiento de la proteína. Cada unidad de enlace peptídico se encuentra en un plano, con lo que la cadena tiene que plegarse por medio de rotaciones de los enlaces establecidos con carbonos alfa. Secuenciación de aminoácidos La hidrólisis parcial de las proteínas produce mezclas complejas de péptidos diferentes. Los dos mejores métodos para la separación de los distintos pépti- dos son: • Cromatografía de intercambio iónico. • Electroforesis sobre papel. Normalmente, se hace una separación primaria en péptidos ácidos, básicos y neutros mediante electroforesis a pH ligeramente ácido. Los péptidos ácidos (‑) emigran hacia el ánodo, los básicos (+) hacia el cátodo y los neutros no se mueven. A continuación, cada péptido es separado mediante una segunda etapa de electroforesis a pH adecuado o mediante cromatografía de intercambio iónico. Después que los péptidos han sido aislados, cada uno se hidroliza por comple- to por calefacción y se determinan los restos aminoácidos presentes por elec- troforesis o cromatografía. La determinación de los restos N-terminales de los péptidos o las proteínas, se puede hacer por varios métodos: • Reacción de Sanger, que ya ha sido estudiada. • Reacción de dansilación, utilizando como reactivo el cloruro de dansilo. • Reacción de Edman, también vista anteriormente (figura 2.5). La identificación de los restos C-terminales puede determinarse selectivamente por medio de unos enzimas, denominados carboxipeptidasas, que rompen hi- drolíticamente el enlace del aminoácido C-terminal, liberándolo. Utilizando 78 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial este enzima obtendremos en primer lugar un aminoácido libre y un péptido que ya tendrá un nuevo aminoácido C-terminal, sobre el que volverá a actuar la carboxipeptidasa. De esta forma se irán liberando todos los aminoácidos de la cadena (figura 2.6). Existen otros enzimas, los aminopéptidos, que tiene especificidad por el enlace del aminoácido N-terminal de las cadenas peptídicas. Antes de efectuar el análisis de la secuencia de aminoácidos de una proteína, se debe observar en primer lugar si la proteína consta de varias cadenas peptí- dicas y, en caso de que fuera así, si estas cadenas están unidas por enlaces residuo N-terminal N C S + O O H2N CH C N CH C N CH COOH R1 H R2 H R3 fenil isotiocianato tripéptido S O O NH C N CH C N CH C N CH COOH H R1 H R2 H R3 fenil tiocarbamil derivado (PTC-Aa) N NH C CH R1 S C O + O H2N CH C N CH COOH R2 H R3 cadena peptídia con (n – 1) residuos (R)derivado de tiazolinona N C S O C NH CH R1 La cadena peptídica permanece intacta después de la separación del aminoácido N-terminal. Se repite el ciclo tratando el pépti- do (R) con el radiactivo en me- dio básico. feniltiohidantoín derivado del aminoácido N-terminal (PTH-Aa terminal) FIguRA 2.5. Identificación de los residuos N-terminal de un pép- tido. Degradación de Edman. (OH‑) medio básico pH = 9 (H+) medio ácido F3C COOH ácido trifluoroacético (H+) medio ácido en disolución acuosa PROTEíNAS 79 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial covalentes. En el caso de que no existan enlaces covalentes entre las ca- denas, éstas pueden di- sociarse tratando la pro- teína con ácidos o bases. Las cadenas pueden es- tar unidas entre sí (enla- ce intercatenario) por el puente S S de una molécula de cistina, o bien una cadena simple puede poseer un enlace S S entre dos de sus aminoácidos (enlace intracatenario). En cual- quier caso, el primer OH‑ H+ O O H2N CH C N CH C N CH COOH R1 H R2 H R3 O H2N CH C N CH C O OH + H2N CH COOH R1 H R2 R3 cadena peptídica (n – 1) con un nuevo aminoácido C-terminal residuo C-terminal FIguRA 2.6. Identificación de restos de aminoácidos C-terminal (utilizando un enzima proteolítico deno- minado carboxipeptidasa). carboxipeptidasa H2O paso a seguir es la ruptura de estos enlaces disulfuro. Un ejemplo clásico de este tipo de péptidos es la insulina. Los enlaces cruzados S S pueden escindirse por oxidación con ácido perfór- mico, transformándose los dos restos de hemicistina en restos de ácido cisteico. Otro método para estudiar la secuencia de aminoácidos de una cadena peptí- dica es la fragmentación de las cadenas por hidrólisis parcial. Se emplea nor- malmente la hidrólisis enzimática, ya que la hidrólisis ácida o básica produce normalmente la ruptura de la totalidad de los enlaces peptídicos. Suele utili- zarse el enzima Tripsina que escinde solamente aquellos enlaces en los que la función carbonilo es aportada por los aminoácidos lisina o arginina. El núme- ro de fragmentos resultantes será igual al número de restos de lisina o arginina que hubiera en la cadena. Algunos de estos fragmentos serán dipéptidos y tri- péptidos, cuyos aminoácidos serán fácilmente identificables mediante las reac- ciones comentadas anteriormente. Igualmente podremos utilizar la pepsina o la quimotripsina, que rompen la cadena peptídica por puntos distintos a los de la tripsina. Estructura secundaria de proteínas Se refiere a la ordenación regular y periódica en el espacio de las cadenas po- lipeptídicas a lo largo de una dirección. Los enlaces que mantienen esta estructura son no covalentes; lo que se pre- tende es adoptar conformaciones de menor energía libre y, por tanto, más es- tables. 82 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Hélice 310 Φ = 120º ; ψ = 150º Es la otra especie helicoidal importante en la estructura globular de proteínas. • Tienen 3 residuos por vuelta (n = 3) y un puente de hidrógeno entre CO de un residuo y el NH del segundo residuo que le sigue. • Es mucho menso favorable que la hélice α para estructuras periódicas largas; sin embargo, pequeños trozos de 310 son frecuentes. • Los grupos CO apuntan fuera del eje de la hélice y por lo tanto el puente de H está doblado y no es muy favorable. • Pequeños trozos de 310 se han encontrado en: – Lisozima. – Hemoglobina. – Anhidrasa carbónica. Hélice levógira Se origina cuando el ángulo ψ (C Cα) = 310º (figura 2.11). • Tiene 3 residuos de aminoácidos por vuelta. • Los grupos CO y NH están orientados casi perpendicularmente al eje de la héli- ce y no pueden formar puentes de hidró- geno con grupos de la misma ca dena. • Estas cadenas forman puentes de hidró- geno intercatenarios perpendiculares a las cadenas. • En el colágeno, 3 de estas hélices se arro- llan una alrededor de otra formando una superhélice dextrógira. • Las secuencias que aparecen con mayor frecuencia son gly-X-Pro, gly-Pro-X, gly- X-Hpro, por lo cual esta hélice levógira se conoce como hélice poliprolina. Estructura β u hoja β Es el otro elemento estructural importante en- contrado en proteínas glo bulares. FIguRA 2.11. Hélice levó- gira de poliprolina. PROTEíNAS 83 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Las hojas β están “plegadas”, con Cα, sucesivamente arriba y abajo del plano de la hoja. Hay dos tipos de hojas β: paralelas y antiparalelas, que difieren en el patrón de puentes de H. • Las hojas antiparalelas tienen puentes de hidrógeno perpendiculares a las hebras, alternando los enlaces próximos con otros más espaciados (figura 2.12a). • Las hojas paralelas tienen enlaces de hidrógeno espaciados regularmente que forman ángulo respecto a las hebras al enlazarlas (figura 2.12b). • La estructura β paralela tiene lugar en hojas con un mínimo de 5 hebras. Están siempre completamente ocultas protegidas a ambos lados por héli- ce α. Es menos estable que la antiparalela. • La estructura β antiparalela frecuentemente toma la disposición de un cordón torcido de 2 hebras solamente. Tienen un lado expuesto al solvente y el otro oculto, por lo que presentan alternancia de hidrofo- bicidad. FIguRA 2.12. Estructura en hoja β plegada. (A) Estructura en hoja plegada de cadenas paralelas. (B) Estructura en hoja plegada de cadenas antiparalelas. 84 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Estructura terciaria La disposición e interelación de las cadenas plegadas de una proteína (estruc- tura secundaria) en una forma específica mantenida por uniones salina, enla- ces de hidrógeno, puentes disulfuro, fuerzas de Van der Waals, interacciones hidrofóbicas, actuando conjuntamente proporcionan gran estabilidad a la pro- teína y constituyen la estructura terciaria. Los enlaces que mantienen esta estructura son: • Enlace covalente: Consiste, como sabemos, en una compartición de electrones, siendo siempre un enlace fuerte, que da lugar a una gran es- tabilidad de la cadena proteica. El más impotente es el llamado puente disulfuro. • Enlace iónico: Es un puente salino. Se debe a dos grupos polares de las cadenas de aminoácidos, que según el pH poseerán carga eléctrica posi- tiva o negativa. Estos enlaces no son demasiado numerosos ya que al estar los aminoácidos en disolución, tendrán sus grupos polares satura- dos por los dipolos moleculares del agua. • Enlace por puente de hidrógeno: Se forman entre el C O del grupo carboxílico y un grupo de la cadena que tenga H activo. Son muy nume- rosos y son de capital importancia en la estabilización de la molécula, dada su gran cuantía. • Enlace por fuerzas de Van der Waals: Se forman entre las cadenas laterales que poseen radicales. Aunque los restos hidrocarbonados son apolares, tiene interacciones débiles por este tipo de fuerzas. Estas inte- racciones son debidas a irregularidades en la distribución de los electro- nes alrededor del núcleo dando lugar a dipolos instantáneos que implican atracciones y repulsiones de tipo electrostático. • Enlaces hidrofóbicos: Son interacciones entre las cadenas laterales no pola- res de aminoácidos como la alanina, valina, etc., dentro de envolturas de agua. Estas interacciones pueden tener lugar entre cadenas laterales de varias moléculas o se pueden presentar entre las cadenas de una misma molécula; ocurren ante la incapacidad de las cadenas laterales no polares de interaccio- nar con el agua, ya sea iónicamente o a través de enlaces hidrofóbicos. • Enlace coordinado: Son estos enlaces de importancia en todas las inte- racciones entre metales de transición y biomoléculas, por ejemplo Fe2+, en la hemoglobina y citorcromos, el Co3+ en la vitamina B12 (figura 2.13). Estructura cuaternaria La organización de las proteínas producida por ajuste de las estructuras arro- llada y plegada, para formar una estructura funcional agregada, se llama es- PROTEíNAS 87 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial • Aumento en la reactividad química, en particular de los grupos ioniza- bles. • Aumento en la susceptibilidad a la hidrólisis por medio de enzimas pro- teolíticos. • Alteración en la estructura interna y disposición de las cadenas peptídi- cas, sin rotura de los enlaces peptídicos. Las principales causas de la desnaturalización son: • Un cambio significativo en el pH de la solución de la proteína. • Cambios de temperatura, fundamentalmente a temperaturas altas. • Concentraciones alta de compuestos polares neutros como la urea o la guanidina, ya que esos compuestos rompen los enlaces de hidrógeno for- mando otros enlaces nuevos. • Tratamiento con disolventes orgánicos, etanol, acetona, etc. • Radiación ultravioleta. • Vibración ultrasónica, agitación enérgica de las soluciones acuosas. generalmente la desnaturalización es un proceso irreversible, dependiendo éste de la intensidad y duración del tratamiento desnaturalizante. Hay excep- ciones tales como la desnaturalización de la hemoglobina con ácido y renatu- ralización por neutralización en condiciones apropiadas. La desnaturalización de la Ribonucleasa pancreática por acción del calor y la renaturalización por enfriamiento (figura 2.15). FIguRA 2.15. Desnaturali- zación de una proteína y su inversión. Puede afirmarse en general que la desnaturalización es reversible si no hay rotura de los enlaces disulfuro presentes en la proteína nativa, es decir, rotura de enlaces covalentes fuertes. 88 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial PRoPIEDADEs quÍmICAs DE lAs soluCIonEs PRoTEICAs. soluBIlIDAD. PRECIPITACIón las proteínas como electrólitos Las proteínas son polielectrólitos anfóteros debido a que contienen los gru- pos amino y carboxilo. Las propiedades electrolíticas de las proteínas están en función de estos grupos ionizables. Cada cadena abierta de una proteína contiene sólo un grupo α-amino libre y un grupo α-carboxilo libre, por lo cual su influencia es relativamente pequeña en cuanto a las propiedades electrolíticas. Sin embargo, varios de los aminoácidos componentes de pro- teínas contienen grupos ionizables que no intervienen en la formación del enlace peptídico. Tal es el caso de la lisina, la arginina, la histidina y el ácido glutámico, etc. Análogamente al comportamiento de los aminoácidos en solución, se vio que las proteínas existen como cationes complejos en solución ácida y, cuando se titulan con álcalis (se aumenta el pH), muestran etapas de diso- ciación de ion H+, bien sucesivas o superpuestas, con formación de zwite- riones y, finalmente, aniones proteínicos. Aunque en los procesos de diso- ciación de proteínas intervienen muchos grupos ionizables, de los cuales varios pueden entrar en función simultáneamente, el proceso general puede representarse por una ecuación química, la cual, sin indicación de los nú- meros de cargas y de los iones hidrógeno que interviene, puede formularse como sigue: proteína+ H+ + +proteína zwitterión‑ H+ + proteína‑ (catión) (ion dipolar) (anión) Las curvas de titulación de proteínas correspondientes a los equilibrios ante- riores, son del tipo de la mostrada en la figura 2.16. Éste sería el caso de una curva para una proteína. Las curvas se extienden sobre una amplia gama de pH y no muestran cambios bruscos, lo que se debe al gran número de grupos que se ionizan sucesiva y simultáneamente para la mayor parte del intervalo de pH. Esta característica es lo que hace que las proteínas actúan como tampones o buffers. El pH isoeléctrico de una proteína es aquel en el cual la proteína no emigra en un campo eléctrico. A este pH, la proteína existe en la forma de ion dipolar o zwiterión, en el cual las cargas positivas son iguales a las cargas negativas, y la carga neta es cero. El punto isoiónico de una proteína es el pH al cual el número de iones H+ di- sociados de la proteína es igual al número de estos iones que la proteína toma de la solución. PROTEíNAS 89 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Los valores de pH isoeléctrico e isoiónico son iguales cuan- do la proteína no se combina con otros iones que el H+. En general, en presencia de sales aniones y cationes de la sal se asociarán probablemente en grados algo distintos, con las cargas de la proteína y cambiarán apreciablemente su movilidad en un campo eléctrico y el pH isoeléctrico. Las proteínas actúan como amortiguadores a uno y otro lado del pH isoeléctrico. En definitiva, la capacidad amor- tiguadora de las proteínas se basa en el sistema proteí- na / proteinato.FIguRA 2.16. solubilidad y precipitación La solubilidad de una proteína es función de la composición iónica del medio (Na+, K+, Ca++, Mg++), de la fuerza iónica µ y del pH. También depende de las proporciones y distribución de los grupos hidrófílicos polares (amigos del agua, gran viscosidad) y de los hidrofóbicos no polares (enemigos del agua, escasa viscosidad), en la molécula, del momento dipolar resultante en la pro- teína y de la temperatura. Los grupos polares iónicos de las moléculas de pro- teína entran en interacción electrostática dentro de la misma molécula y con moléculas circundantes, con tendencia a formar agregados, lo cual disminuye la solubilidad. Esta interacción entre grupos cargados de la proteínas disminu- ye en agua pura, con una constante dieléctrica alta; esto es, el grado de inte- racción es inversamente proporcional a la constante dieléctrica del disolvente. Las moléculas de agua, polares, entran en interacción con los grupos polares de las proteínas y tienden a aumentar su solubilidad. La adición de un disolvente orgánico, como acetona o alcohol, a una solu- ción de proteína en agua, disminuye la constante dieléctrica del disolvente, desplaza también algunas de las moléculas de agua asociadas con la proteí- na, y reduce la concentración del agua presente en la solución. Estos efectos tienden a disminuir la solubilidad de la proteína, y por ello se utiliza fre- cuentemente la adición de estos disolventes para precipitar proteínas de sus soluciones. 92 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Los iones negativos se combinan con proteínas en forma de proteína positiva (el pH de la solución es ácido respecto del punto isoeléctrico de la proteína) y forman sales de proteínas. Entre los precipitantes de las proteínas por acción de iones negativos figuran los ácido wolfrámico, pícrico, tánico, trocloroacéit- co, etc. ClAsIFICACIón DE PRoTEÍnAs Cuadro sinóptico Proteínas (I) Simples A) globulares Albúminas globulinas glutelinas Prolaminas Protaminas Histonas B) Fibrosas Escleroproteínas Colágeno Elastina Queratina (II) Conjugadas o compuestas Nucleoproteínas Lipoproteínas glucoproteínas Fosfoproteínas Cromoproteínas Metaloproteínas Hemoproteínas Flavoproteínas Por su composición • Simples. • Conjugadas. Simples u Holoproteínas: Son aquellas que por hidrólisis total dan sólo ami- noácidos: • Albúminas. • Globulinas. • Glutelinas. • Prolaminas. • Protaminas. PROTEíNAS 93 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial • Histonas. • Escleroproteínas: – Colágeno – Elastina. – Queratina. Conjugadas o Heteroproteínas: Son aquellas que por hidrólisis producen no solamente aminoácidos sino también otros componentes orgánicos o inor- gánicos. La porción no aminoácido se denomina grupo prostético. Las pro- teínas conjugadas se clasifican de acuerdo con la naturaleza de su grupo prostéticos: • Nucleoproteínas: Su grupo prostético son los ácidos nucleicos. • Lipoproteínas: Su grupo prostético son fosfolípidos, colesterol, triglicéridos. • Glucoproteínas: Cuyo grupo prostético son los carbohidratos. Por hidróli- sis dan aminoazúcares y monosacáridos y / o derivados de estos. • Fosfoproteínas: Su grupo prostético contiene fósforo, en forma de ácido ortofosfórico. • Cromoproteínas: Son proteínas conjugadas con un grupo cromoforo (sus- tancia coloreada que contiene un metal). • Metaloproteínas: Contienen metales dentro de la misma molécula proteica. • Hemoproteínas: Cuyo grupo prostético es la ferroprotoporfirina. • Flavoproteínas: Cuyo grupo prostético es flavin-nucleótido. Por sus propiedades físicas y su solubilidad • Albúminas: Son solubles en agua y soluciones salinas diluidas. Coagulan con el calor. Precipitan en disolución con sulfato amónico a saturación. • Globulinas: Coagulan por el calor. Precipitan con sulfato amónico por semisaturación. Solubles en soluciones de ácidos y bases fuertes. • Glutelinas: Solubles en soluciones de ácidos y bases diluidas. Insolubles en disolventes neutros. Coagulan por el calor. Se encuentran en el trigo. • Prolaminas: Solubles en alcohol al 70 a 80%. Insolubles en agua, disol- ventes neutros y alcohol absoluto. No son coagulables por el calor. Son ricas en Prolina, de ahí su nombre. • Protaminas: Solubles en agua y en amoniaco diluido. No coagulan por el calor. Son polipéptidos básicos. • Histonas: Solubles en agua y ácidos diluidos. Insolubles en amoniaco di- luido. No coagulan por el calor. Son muy básicas. • Escleroproteínas: Insolubles en agua, soluciones salinas, ácidos y bases diluidos y alcohol. Forman parte de los tejidos de sostén y revestimiento. 94 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial Por su conformación Conformación de una proteína es la forma tridimensional característica que posee en su estado nativo. • Fibrosas: Constituidas por cadenas polipeptídicas ordenadas de modo paralelo a lo largo de un eje, formando fibras o láminas largas. Son resis- tentes, insolubles en agua o en disoluciones salinas diluidas. Son elementos básicos estructurales del tejido conjuntivo de los animales superiores: – Colágeno: Tendones y matriz de los huesos. – Elastina: Tejido conjuntivo elástico (ligamentos). – Queratinas: Cabello, cuerno, uñas, plumas, pelos. • Globulares: Constituidas por cadenas polipeptídicas plegadas estructural- mente de modo que adoptan formas esféricas o globulares compactas. Son solubles en agua. Su función en la célula es dinámica. – Enzimas (la mayor parte). – Anticuerpos. – Proteínas de transporte: Albúmina y hemoglobina. – Proteínas básicas: Protaminas, Histonas. Por sus grupos prostéticos Son las proteínas conjugadas que se clasifican atendiendo a la naturaleza de su grupo prostético. Son heteroproteínas ya estudiadas anteriormente. Por su función biológica • Enzimas: Son catalizadores biológicos muy específicos. Algunos enzimas son más especializados y además de su actividad catalítica tienen fun- ción reguladora, son los enzimas alostéricos. La mayoría son proteínas globulares: – Hexoquinasa: Fosforila la glucosa. – DNA-polimerasa: Replica y repara el DNA. • Proteínas de reserva: Almacenan aminoácidos como elementos nutritivo. – Ovoalbúmina (clara de huevo). – Caseína (leche). PROTEíNAS 97 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial 8 De los siguientes aminoácidos, ¿cuál tiene sus grupos amino y carboxilo ionizado a pH = 6? a Lisina. b Tirosina. c Asparagina. d Histidina. e Ácido Aspartico. 9 ¿Cuál de los siguientes aminoácidos presenta carácter básico? a Lisina. b Ácido glutámico. c Prolina. d glutamina. e Alanina. 10 ¿Cuál de las siguientes proteínas se clasifica como simple, fi- brosa y con función estructural? a Albúmina. b Elastina. c Inmunoglobulinas. d Insulina. e Hemoglobina. 11 ¿Cuál de los siguientes enlaces no participa en la estabilización de la estructura cuaternaria de proteínas? a Enlaces por puente de hidrógeno. b Interacciones iónicas. c Interacciones de Van der Waals. d Enlaces disulfuro. e Enlaces electrostáticos. 12 Uno de los siguientes aminoá cidos corresponde al ácido alfa- amino, beta-hidroxi-butírico. ¿Cuál? a Alanina. b Serina. c Treonina. d glicocola. e Histidina. 13 ¿Cuál de los siguientes aminoácidos no es esencial? a Metionina. b Alanina. c Lisina. d Treonina. e Isoleucina. 14 La histidina para el ser humano se clasifica: a Como aminoácido no esencial. b Como aminoácido esencial. c Como aminoácido esencial aunque sólo para los lactantes. 98 BIOQUíMICA ESTRUCTURAL. CONCEPTOS y TESTS © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial d Como aminoácido ácido. e Todo lo anterior es cierto. 15 Aminoácidos no proteicos: ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera? a La β-Alanina se incorpora a la estructura del coenzima A. b La Citrulina no interviene en el llamado “ciclo de la urea”. c La Taurina no se conjuga con los ácidos biliares en el hígado. d El ácido γ-aminobutírico posee actividad antitumoral. e La Azaserina es un agente químico para la transmisión del impulso nervioso. 16 De los siguientes compuestos, ¿cuál pertenece a los denomina- dos aminoácidos no proteicos? a Hidroxiprolina. b Hidroxilisina. c Desmosina. d Alanina. e Azaserina. 17 En relación con la actividad óptica de aminoácidos, ¿qué afir- mación es cierta? a Los aminoácidos naturales normalmente son de la familia D. b Sólo hay un aminoácido, la glicina, que posee dos carbonos asimé- tricos. c La actividad óptica se debe a la presencia de carbonos asi mé tri cos y a la asimetría molecular de la molécula. d Todos los aminoácidos son ópticamente activos. e Nada de lo anterior es cierto. 18 En relación con la isomería de los aminoácidos, ¿cuál de las si- guientes afirmaciones es falsa? a Los enantiómeros son dos isómeros ópticos. b La glicina no presenta isomería óptica. c Los antípodas ópticos son imágenes especulares uno del otro. d Los diasteroisómeros no son entre sí imágenes especulares uno de los otros. e Los diasteroisómeros son entre sí imágenes especulares uno de los otros. PROTEíNAS 99 © Editorial Tébar. Prohibida la reproducción sin la autorización expresa de la editorial 19 Una mezcla racémica es: a Una aminoácido con dos carbonos asimétricos. b Un aminoácido que presenta una plano de simetría. c Una forma activa de un aminoácido. d Una mezcla equimolecular de dos antípodas ópticos. e Dos moléculas de Cisteína. 20 En relación con la isomería de los aminoácidos qué afirmación es cierta: a La glicina posee átomos de carbono asimétricos. b La treonina posee solo un átomo de carbono asimétrico. c La isoleucina posee dos átomos de carbono asimétricos. d El racémico o racemato es una forma activa por compensación. e La alanina no posee átomos de carbono asimétricos. 21 Entre los siguientes pares de aminoácidos hay uno que tiene dos carbonos asimétricos en cada aminoácido: a Prolina-Isoleucina. b Usoleucina-Metionina. c Treonina-Arginina. d Triptófano-Treonina. e Treonina-Isoleucina. 22 En los aminoácidos, se ha tomado como patrón de referencia para el estudio de los esteroisómeros: a El ácido Láctico. b El ácido Tartárico. c El gliceraldehído. d La Alanina. e Ninguno de éstos. 23 Se denomina punto isoeléctrico de un aminoácido: a Aquel valor de pH para el cual la concentración de la forma aniónica es igual a la de la forma catiónica. b pI = pK1 + pK2. c Aquel valor del pH en el que el aminoácido se desplazaría al ser so- metido a una campo eléctrico. d Aquel valor del pH en el que el aminoácido existe en forma catió- nica. e Aquel valor del pH en el que el aminoácido está en forma aniónica.