UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS
MORFOLOGIA I
POLISACÁRIDOS, ÁCIDOS NUCLEICOS, ADN Y ARN.
MÓNICA NAZARETH CÓRDOVA GONZÁLEZ
1ER SEMESTRE “B”
PRIMERO DE SEPTIEMBRE DEL 2008
Polisacáridos
Los polisacáridos son macromoléculas constituidas por mas de 10 monosacáridos unidos entre si mediante enlace glucosídico.
Los glúcidos son las biomoléculas más abundantes en la naturaleza y entre ellos los polisacáridos, cuyas funciones más generales son: almacenamiento estructural y reconocimiento. Además de los polisacáridos, los monosacáridos también forman polímeros mas pequeños que pueden ser: disacáridos, formados por 2 monosacáridos y oligosacáridos cuándo tienen de 3 a 10 monosacáridos.
Clasificación
Según la variedad de monosacáridos en la estructura:
En este capitulo se analizaran los homo polisacáridos almidón, glucógeno, y celulosa; los dos primeros tienen la función de almacenamiento, el almidón en los vegetales y el glucógeno en los animales; la celulosa tiene función estructural y se encuentra en los vegetales. Estos tres polisacáridos se ingieren con la dieta, fundamentalmente el almidón; el almidón y el glucógeno se utilizan como fuente de sustancia y energía, pero el organismo no tiene forma de utilizar la celulosa, sin embargo, esta cumple importantes funciones al favorecer la formación del bolo fecal, que contribuye a evitar la constipación (estreñimiento) y a prevenir el cáncer de colon, entre otros.
Aplicación del principio de organización de las macromoléculas a las homopolisacáridos glucógeno, almidón y celulosa.
Estos tres polisacáridos al estar formados solo por glucosa presentan una monotonía estructural casi total.
Almidón. Esta formado por dos tipos de polímeros.
Glucógeno: Es un polímero ramificado, formado por á-D-glucosas unidas por enlace glicosídico alfa 1-4, donde cada 8 ó 12 residuos existen puntos de ramificación mediante enlace glicosídico del tipo a? 1-6. Su estructura es por tanto similar a la de la amilopectina pero presenta mas ramificaciones, lo cual hace que se amucho mas soluble (recordar que la glucosa presenta gran cantidad de grupos hidroxilos que pueden formar puentes de hidrogeno con el agua).
Celulosa. La celulosa es un polímero lineal de a-D-glucosas unidas mediante enlaces glicosídicos del tipo beta 1-4. La conformación más estable es una cadena recta y extendida. Varias cadenas adyacentes pueden formar una red estabilizada por puentes de hidrogeno intercatenarios, que da lugar a fibras alargadas.
Ácidos Nucleicos
Los ácidos nucleicos son macromoléculas constituidas por nucleótidos unidos entre si por enlace 3’-5’ fosfodiéster.
Los ácidos nucleicos son el segundo tipo de macromolécula de mayor importancia biológica después de las proteínas. Son macromoléculas relacionadas con el funcionamiento y mecanismos que garantizan la transmisión y expresión de los caracteres hereditarios de generación en generación.
Tipos Principales de Ácidos Nucleicos
- ARN mensajero (ARNm)
- ARN ribosomal (ARNr)
- ARN de Transferencia (ARNt)
Funciones Principales
· Carácter polimérico. Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos que constituyen sus Monoceros, unidos mediante enlace 3’-5’ fosfodiéster (enlace polimerizante).
· Carácter Uniforme. Los ácidos nucleicos están formados por nucleótidos unidos entre si por enlace 3’-5’ fosfodiéster.
· Carácter Lineal. Los ácidos nucleicos carecen de ramificaciones.
· Carácter Tridimensional.
ADN
Nivel Primario: Orden o sucesión de los desoxirribonucleótidos unidos mediante enlace 3’-5’ fosfodiéster.
Los grupos de los nucleótidos involucrados en el enlace polimerizante son el 3’-OH y el 5’-fosfato. Por convenio se define como el primer componente de la cadena al nucleótido que tiene el libre el 5’-fosfato y el último al del 3’-OH libre; esto indica polaridad en la estructura.
Partes de la Estructura Primaria.
Nivel Secundario. El modelo propuesto por Watson y Crick en 1953 es el que acepta como estructura tridimensional del ADN, que corresponde a un nivel secundario. Una forma simplificada del modelo seria:
Nivel Secundario:
Los ARN están formados por unas sola cadena polinucleótidica que se pliega sobre si y en sectores donde las bases son complementarias forman estructuras duplohelicoidales, cuya estabilidad se logra, como en el ADN, por las fuerzas de empalizado que permite interacciones hidrofóbicas, y los puentes de hidrogeno en los pares de bases. La estructura mas sencilla que puede formarse por el apareamiento de bases intracatenario es la horquilla, que contiene una zona de apareamiento llamado tallo y una zona ensanchada no apareada llamada asa. La combinación de estructuras en tallo y asa dan lugar a otras estructuras secundarias.
Las estructuras helicoidales en los ARN pueden formarse también en ausencia de apareamiento de bases; esto se debe a las intensas fuerzas de empalizado entre bases.
Nivel Terciario:
Sólo se conoce la estructura terciaria de algunos tipos de ARN y en ellos se ha observado que depende del establecimiento de interacciones entre las bases y la ribosa o los grupos fosfato. A este nivel estructural contribuye la formación de pseudonudos, que forman al girar la cadena en el espacio al producirse apareamientos intracatenarios entre las bases de las estructuras en asa antes descritas y otro sector de la cadena.
Es bueno señalar que en general los apareamientos de bases en los ARN no son tan estrictos como en el ADN, de forma que se pueden encontrar pares G-U e incluso G-G.
Algunas particularidades estructurales de los tipos principales de ARN
ARNt:
Los ARNt constituyen una familia de moléculas cuy función es la de transportar los aminoácidos hacia los ribosomas durante la síntesis de proteínas, por lo que existen tantos ARNt como aminoácidos diferentes contengan la proteínas.
Nivel Secundario: Adopta una estructura en forma de hoja de trébol, con tres horquillas (tallo y asa) y un tallo, llamados brazos constantes, y en un brazo de longitud variable. En el brazo que es un tallo se encuentran los extremos de la cadena, el 5’ con un grupo fosfato y el 3’ que termina con la secuencia CCA que no esta apareada y es por donde se une el aminoácido a transportar; este brazo es conocido como brazo aminoácido aceptor o simplemente aceptor. El brazo opuesto al aceptor presenta una secuencia de tres bases conocida como anticodón, que permite la ubicación del aminoácido en el lugar correspondiente durante la síntesis de proteínas, por lo que este brazo se conoce como brazo anticodón.
Nivel Terciario: La molécula adopta la forma de una letra L invertida; en el extremo del lado horizontal se encuentra el brazo aminoacidíco aceptor y en el extremo del lado vertical se encuentra el anticodón.
ARNr.
Los ARNr se encuentra formando parte de los ribosomas. Según su coeficiente de sedimentación los ARNr son 5S, 5, 18S y 28S. En general su estructura tridimensional es poco conocida, pero se han construido modelos que contemplan el establecimiento del mayor número de bases apareadas y “empalizadas”. No obstante, se debe tener presente que estas moléculas existen en asociación con proteínas, y es posible que estas interacciones influyan en la estructura de los ARNr.
ARNm. Es el que menos se conoce se estructura debido a que la cantidad de ARN, específicos de la célula es my baja, lo cual dificulta su purificación, se encuentran en el citoplasma en compleja unión con proteínas y son moléculas muy inestables metabolitamente, o sea, son degradados con rapidez. Algunos detalles estructurales conocidos son:
- Todos presentan el extremo 5’ modificado por la adición de un nucleótido de 7-metil-guanina, mediante un enlace anhídrido fosforito; esta estructura recibe el nombre de casquete y suele abreviarse por su equivalente en ingles cap. En ocasiones también existe metilación del C2’-OH del primero y segundo nucleótidos. El cap es importante para la unión de ARNm al ribosoma.
- Hacia el extremo 3’ presentan una larga cola de poliadenina o poli-A, que puede tener más de 200 nucleótidos y parece incrementar la estabilidad metabólica del ARNm.
- Presenta otros detalles estructurales de importancia que serán tratados en el capitulo 3, por su relación con el contenido del mismo.
En su proceso de síntesis, el ARNm se forma de moléculas de mayor tamaño, conocidas como ARN heterogéneo nuclear (ARNhn). El ARNhn y presenta el cap y la cola de poli-A y se va acortando por un proceso de maduración que también se estudiara en el capitulo 3.
· Carácter informacional. En los ácidos nucleicos predomina la información secuencial.
· Tendencia a la agregación. Tienden a agregarse con otras macromoléculas como las proteínas en la formación de ribosomas, cromosomas, entre otros.
· Relación Estructura - función. Ejemplos de esta interrelación:
Una de las funciones del ADN es conservar la información genética contenida en su secuencia de bases nitrogenadas; uno de los mecanismos para proteger esa información es su propia estructura secundaria, en la que el eje covalente pentosa – fosfato de cada cadena queda por fuera y las bases nitrogenadas hacia dentro, protegidas del entorno. Por otra parte, la presencia de un extremo aminoacidíco aceptor y de un anticodón en la estructura de los ARNt permite que estos puedan unir al aminoácido adecuado y ubicarlo en el sitio que corresponde.
Antes de finalizar, es bueno resaltar una característica importante de los ácidos nucleicos: sus grupos fosfato se encuentra disociado a pH fisiológico, portando cada uno una carga negativa, de forma tal que el polímero es un polianón que atrae fuertemente iones de carga contraria. Esta propiedad de poseer carga eléctrica es aprovechada para separar moléculas o fragmentos de moléculas de diferente tamaño mediante electroforesis, como en las proteínas; la movilidad varía inversamente con su masa molecular y directamente con su carga.
BIOCATALIZADORES
Los organismos vivos para sobrevivir necesitan intercambiar sustancias, energía e información con el medio que los rodea. Las sustancias que se incorporan al organismo, para poder ser utilizadas, deben ser transformadas en energía o en componentes estructurales. Estas transformaciones se producen a través de reacciones químicas que, para que puedan llevarse acabo en las condiciones del organismo y a velocidades adecuadas, requieren de la acción de los biocatalizadores.
INTRODUCCION AL ESTUDIO DE LOS BIOCATALIZADORES.
REACCIONES QUIMICAS
Las reacciones químicas son procesos en los que apartar de una o varias sustancias, denominadas reactantes o reaccionantes, que se forman sustancias nuevas, denominadas productos, como consecuencia de un reordenamiento de los elementos constituyentes de los reactantes. Igualmente, una reacción química puede ocurrir cuando se rompen enlaces y a partir de una sustancia se obtienen otras. Por eso, las reacciones químicas se definen como aquellas reacciones en las que ocurren la formación o ruptura de un enlace covalente.
De acuerdo con el principio de conservación de la materia esta no se crea ni se destruye, por lo que en las reacciones químicas solo se produce un reordenamiento o reagrupamiento de los elementos que constituyen las sustancias reaccionantes dando origen a nuevas sustancias. Estos reordenamientos se producen por la ruptura de enlaces presentes y formación de nuevos enlaces químicos.
Al estudiar cualquier reacción química se deben considerar dos aspectos fundamentales:
El primero se refiere a la rapidez con que los reactantes que puede ser convertida en producto. Para analizar estos aspectos es necesario tener en cuenta los cambios energéticos que se producen durante la reacción, que determinan si esta puede o no ocurrir.
Energética de las Reacciones Químicas
La energía es la capacidad o habilidad de un sistema para realizar trabajo y puede ser de dos tipos:
La energía a la cual nos enfrentamos cuando se estudian procesos bioquímicos es la potencial, ya que estos procesos ocurren a temperatura y presión constantes. Los átomos y las moléculas poseen energía potencial, que se manifiesta en la capacidad que tengan para formar o romper enlaces, y de esta forma pueden intervenir en reacciones en las que consumen o liberan esa energía. Por otra parte, cuando una sustancia se encuentra a diferentes concentraciones a ambos lados de una membrana, se origina una gradiente de concentración para lo cual se requiere energía; esta energía puede liberarse con la disipación del gradiente.
Una medida de energía potencial es la energía libre, que simboliza con la letra G en honor a Joshiah Willard Gibbs, uno de los fundadores de la termodinámica, y se utiliza para predecir el sentido de una reacción bajo determinadas condiciones. Durante una reacción química se producen cambios en la energía libre del sistema, a lo cual se le denomina variación de energía libre (∆G) o energía de reacción. De acuerdo al valor de ∆G las reacciones pueden ser:
Si se parte de que Gibbs demostró que la temperatura y presión constantes “todos los sistemas cambian en el sentido de minimizar la energía libre”, las reacciones que tienen un ∆G negativo, las exergónicas, tienen a ocurrir espontáneamente y son las que mayor cantidad de reacciones se convierten en productos. Por lo tanto, ∆G es una medida del grado del alcance o completamiento de una reacción y de su sentido más probable, pero no proporciona información acerca de la velocidad con la que ocurre dicha reacción. La velocidad de una reacción química puede determinarse midiendo el aumento de la concentración de los productos o de la disminución de la concentración de los reaccionantes en el tiempo.
En el organismo se producen reacciones que, aun en presencia de la enzima apropiada y condiciones compartibles con la vida, requieren de un aporte de energía (endergónicas) o de algún elemento material que se libere en otra reacción. Los organismos vivos evolutivamente han ganado en eficiencia en estos sistemas al producirse intermediarios en las reacciones, que son como almacenes, que permiten que estas no tengan que ocurrir simultáneamente, ni siquiera en el mismo lugar, y el que aporte este disponible cuando sea necesario. Cuando esto ocurre se dice que las reacciones están acopladas, y como prácticamente todas las reacciones y procesos en el organismo se producen de este modo, esto se convierte en una regularidad que se expresa como Principio del Acoplamiento.
Energía de Activación
Existen reacciones que se presentan en un gran cambio negativo ?G y ocurren muy rápidamente, a velocidades que son muy difíciles de medir o no pueden ser medidas. Sin embargo, existen reacciones que ocurren mas lentamente, en cuyo caso se dice que existe una barrera energética que debe ser vencida por los reaccionantes para convertirse en productos.
Para poder reaccionar y dar productos los reactantes deben entrar en contacto físico, es decir, deben chocar unas moléculas con otras con una orientación y una intensidad adecuada que logre romper sus enlaces (choque efectivo); Para ello deben poseer un contenido energético determinado, que les permita alcanzar el grado de excitación necesario para transformarse en productos (estado de transición o complejo activado, que se encuentra en equilibrio con los reactantes). Si la energía de los reactantes esta muy lejos de lo que puede alcanzar para trasformarse en productos, la reacción transcurrirá en reacción muy lenta, pero si esta muy cerca ocurrirá muy rápido. La diferencia entre la energía que poseen los reactantes y la que deben de poseer para reaccionar es la energía de activación (EA).
De lo anterior se deduce que una reacción reversible (a partir de los productos de una reacción se pueden obtener nuevamente los reaccionantes) es exergónica en un sentido y endergónica en un sentido contrario, y que las reacciones en que un sentido son muy exergónicas en sentido contrario son poco probables, por la gran barrera de EA que existe.
Teniendo en cuenta los aspectos anteriores ¿cómo actúan entonces los catalizadores?
Catálisis y Catalizadores
Los catalizadores son sustancias de diferentes naturalezas químicas que tienen en común la propiedad de incrementar la velocidad de las reacciones químicas en que participan, sin que su estructura o su concentración se modifiquen o como resultado de la reacción”.
Los catalizadores actúan en pequeñas cantidades aumentando la velocidad de las reacciones químicas al disminuir la EA, sin modificar el ∆G.
Ellos disminuyen la EA porque fijan y concentran los reactivos sobre su superficie, los orientan adecuadamente para la reacción y debilitan sus enlaces por lo que se hace menor la fuerza necesaria para romperlos.
En las reacciones reversibles los catalizadores aumentan tanto la velocidad de la reacción directa como la de la inversa y no modifican el estado de equilibrio (cuando se iguala la velocidad de la reacción directa y de la inversa), si no que permiten que este se alcance mas rápidamente.
Existen dos tipos generales de catalizadores:
Los catalizadores abióticos no pueden ser sustancias orgánicas o inorgánicas y su uso es fundamentalmente en los laboratorios y en las industrias. Entre ellos se encuentran metales como el platino, sales como el dicromato de potasio, ácidos como el ácido sulfúrico, bases como el hidróxido de sodio y compuestos orgánicos como el fenol, el anhídrido acético y parafina. Los catalizadores bióticos, son proteínas, que se denominan enzimas.
Las enzimas se caracterizan por su alto de eficiencia, mucho mayor que la de los catalizadores abióticos; los catalizadores abióticos aumentan la velocidad de las reacciones entre 101 y 103 veces y las enzimas entres 106 y 1012. Esta eficiencia catalítica se refiere como la relación entre la velocidad de la reacción catalizada y la velocidad de la reacción sin catalizar:
Velocidad de la reacción Catalizada
Eficiencia = Velocidad de la reacción Sin Catalizada
Los catalizadores abióticos generalmente no tienen especificad por el tipo de reactante y suelen tener cierto grado de especificidad por el tipo de reacción que catalizan. Por su parte, las enzimas son muy específicas, tanto para el reactante, que se denomina Sustrato, como para el tipo de reacción que catalizan, denominadas Especificidad del Sustrato y Especificidad de Acción respectivamente.
Los catalizadores abióticos generan productos secundarios, muchas veces indeseados, mientras que los bióticos no lo hacen. Los catalizadores abióticos se envenenan (pierden la capacidad catalítica) a diferencia de los bióticos que tienen mecanismos de regeneración o reutilización. Otra diferencia importante entre los tipos de catalizadores es que las enzimas pueden ser reguladas, aspecto que será tratado con posterioridad.
Mecanismo Básico de Acción de Las Enzimas
Cada enzima cataliza una reacción de forma particular pero existen aspectos que son comunes a todas las realizaciones catalizadas por enzimas. Todas las reacciones enzimáticas se realizan en menos de dos etapas:
1. Etapa de Unión. En la cual se produce la unión física entre la enzima (E) y el sustrato (S), que da origen al complejo enzima-sustrato (ES).
2. Etapa de Transformación. En la que se realiza la transformación, en la que se realiza la transformación química del sustrato, dando origen al producto (P) y a la enzima libre que esta en condiciones de volver a iniciar el proceso. El complejo enzima-sustrato se forma de manera reversible, o sea, puede descomponerse nuevamente dando origen al sustrato, mucho más lenta que la anterior, esta no puede llevarse a cabo satisfactoriamente si la unión entre la enzima y el sustrato en la primera etapa no fue adecuado.
Centro Activo
Como se señalo anteriormente, es una reacción catalizada enzimaticamente lo primero debe ocurrir es la unión de la enzima y el sustrato para que ocurra luego la transformación química de dicho sustrato. La unión se realiza mediante un mecanismo de reconocimiento molecular, a través de un sitio de reconocimiento molecular, y la transformación es llevada a cabo por una región que forma parte del sitio de reconocimiento llamada Sitio Catalítico. Ambas regiones (Sitio Catalítico y Sitio de Reconocimiento Molecular) en conjunto reciben el nombre de centro Activo.
La estructura general del Centro Activo responde por una parte a la estructura general de cualquier Sitio de Reconocimiento Molecular, y por otra parte presenta además en su estructura grupos catalíticos (de los residuos de aminoácidos que lo forman) que son lo que están implicados en la transformación química del sustrato. Según esta estructura, en el Centro Activo se distinguen varios componentes, cada uno de los cuales contribuye a la función general de esta estructura pero de forma diferente:
a) Componentes relacionados con al etapa de unión:
b) Componentes Relacionados directamente con la etapa de transformación:
Grupos catalíticos: Son cadenas laterales de residuos de aminoácidos que se encuentran en el centro activo que son los que están implicados de forma directa en la transformación del sustrato. Los que cumplen con mayor frecuencia esta función son el imidazol de de la histidina y el hidroxilo de serina, aunque también pueden participar en el sulfidrilo de la cisteina y el carboxilo de los ácidos aspártico y glutámico.
De lo analizado con relación a la estructura del centro Activo se deriva que este es quien determina la elevada especificidad que tienen las enzimas:
La especificidad de sustrato y de acción de las enzimas hace que en las reacciones catalizadas enzimaticamente no se produzcan reacciones secundarias, es decir, que por cada molécula de sustrato se obtiene el número máximo de moléculas de producto. Lo anterior es una regularidad que se expresa por el llamado Principio de Máxima Eficiencia.
El Centro Activo de las enzimas se encuentra estabilizado por interacciones débiles y constantemente está sufriendo cambios conformacionales (Transconformación). Debido a estas características estructurales, el Centro Activo puede sufrir modificaciones por acción de numerosos agentes, las cuales pueden afectar su actividad y por consiguiente la de la enzima. Entre esos factores se encuentran:
1. Los que modifican la conformación del Centro Activo: agentes desnaturalizantes como las temperaturas elevadas.
2- Los que modifican la distribución de cargas eléctricas en el Centro Activo: cambios pequeños de pH.
3- Las sustancias de estructura similar al sustrato, que se unen al Centro Activo pero no son susceptibles de ser transformadas: inhibidores.