Dosier módulo VIII

Módulo VIII

Diciembre de 2014

Introducción ....................................................................................................................................................... 3

Unidad I: Principios básicos de importancia en bioquímica ............................................................................... 4

Unidad II: Metabolismo de carbohidratos, ciclo de krebs, cadena respiratoria y síntesis de ATP .................. 22

Unidad III: Metabolismo de lípidos .................................................................................................................. 43

Unidad IV: Compuestos nitrogenados, ácidos nucleicos y biosíntesis de las proteínas .................................. 55

Ejercicios de práctica ........................................................................................................................................ 71

Referencias bibliográficas ................................................................................................................................. 76

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El Módulo 8, Química de la Vida, del Curso de formación a docentes del sector público es un curso para aprender las exigencias básicas de la bioquímica, el estudio histórico apoyado en el desarrollo tecnológico, y su interrelación con otras ciencias. Describe la bioquímica como ciencia química, al estudiar los bioelementos, las biomoléculas y las leyes físicas y químicas que rigen su comportamiento. Está estructurado en 4 unidades, la primera, trata los aspectos estructurales de los compuestos bioquímicos, conceptos necesarios para entender la dinámica de la cinética enzimática y su papel en el desarrollo del todas las reacciones que ocurren en un ser vivo. Las unidades siguientes hacen énfasis en los aspectos metabólicos y bioenergéticos, donde se presentan las principales rutas de degradación y biosíntesis de las biomoléculas, abordando los cuatro grupos de biomoléculas: Carbohidratos, Lípidos, Proteínas y ácidos nucleicos; se hace énfasis en su regulación y la interrelación existente entre las diferentes rutas metabólicas. Además de la teoría, incluye la discusión de problemas fundamentales en el desarrollo del módulo. En el marco de la Formación de los Docentes en el Sector Público, se elaboró el presente dossier que servirá de apoyo a los especialistas de Tercer Ciclo y Media de la especialidad de Química, pues es una fuente de información y una guía para el aprendizaje que contribuye a ampliar y profundizar los contenidos que se estudian en este módulo. El dosier se compone, además del índice e introducción, de:

• Lecturas en coherencia con los contenidos que se van estudiando jornada a jornada.

• Referencias documentales, que indican en qué fuente documental los especialistas pueden ampliar el conocimiento sobre el tema cuando haya necesidad de profundizar o cuando se requiera investigar sobre ellos.

• Actividades que se sugiere, se realicen en el salón de clases con los estudiantes; y bibliografía en la que se encuentra la información sobre el módulo.

• El desarrollo escrito de cada temática se presenta en un lenguaje técnico-científico, que ayuda al especialista a desarrollar competencias investigativas que le permitan adquirir dominio pleno de las temáticas del módulo.

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Principios básicos de

importancia en bioquímica

1. Conceptos e importancia de la Bioquímica Muchos más investigadores están cada vez más interesados en la bioquímica humana y demás seres vivos, indagan sobre la causa de las enfermedades y la importancia de la nutrición apropiada. Entonces la bioquímica ayuda a reconocer la naturaleza fundamental de la vida a nivel molecular y la forma en que las especies están relacionadas como consecuencia de la evolución de un ancestro común. 2. ¿Qué es la Bioquímica? Del griego “bios” es decir vida, “la Química de la Vida”. Entonces podemos definirla como:

▪ La ciencia que estudia las bases moleculares de la vida, la relación entre estructura y función de las moléculas.

▪ La Bioquímica es el estudio de las moléculas y las reacciones químicas de la Vida ▪ Es la disciplina que emplea los principios y el lenguaje de la química a fin de explicar la biología.

Pretende describir la estructura, la organización y las funciones de la materia viva en términos moleculares.

▪ La Bioquímica es la ciencia que estudia los seres vivos a nivel molecular mediante técnicas y métodos físicos, químicos y biológicos.

Bioquímica, una palabra común en el lenguaje, pero, es difícil dar una definición concisa y significativa. Su objetivo primordial, describir los procesos de la vida a nivel molecular, además, todos los procesos biológicos como: La visión, digestión, pensamiento, movimiento, entre otros son productos de la acción de las moléculas. La bioquímica es una ciencia integradora, utiliza las leyes de la química, física y biología para explicar los procesos de las células vivas (Fig. 1). 3. ¿Por qué estudiar la bioquímica? Podemos numerar algunas razones por la cuales estudiar esta ciencia:

1. Los estudios bioquímicos permiten una mejor comprensión de los procesos fundamentales de la vida (Curiosidad por el funcionamiento de un cuerpo vivo).

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2. Tiene profunda influencia en nuestro conocimiento de la medicina, salud y nutrición-ayuda a comprender a nivel molecular las enfermedades- diabetes, anemia falciloforme, fenilcetonuria, hipercolesterolemia, Alzheimer- y este conocimiento sirve para el diseño de fármacos usando el diseño de las biomoléculas.

3. Constituye un pilar de la biotecnología.

Figura 1. La bioquímica: Una ciencia integradora.

4. Historia de la bioquímica: ¿Cómo surgió la bioquímica? La bioquímica es una ciencia relativamente joven, desde el siglo XIX, se comenzó a direccionar desde la biología y la química, surgió como una ciencia dinámica hace tan unos sólo 100 años, sin embargo; las bases para el campo de trabajo que dieron pie al surgimiento de la bioquímica como ciencia moderna fueron sentadas desde hace muchos siglos (Fig. 2).

Roma China India

Figura 2. Civilizaciones antiguas utilizaban principios bioquímicos

Civilizaciones como la egipcia, china, hindú y romana desconocían los fundamentos bioquímicos de procesos como la fermentación, el tratamiento de enfermedades con productos vegetales o animales, el crecimiento del pan, etc. Por ejemplo: En el siglo VII los médicos chinos descubrieron que la ceguera nocturna podía tratarse con hígado de oveja o cerdo, los médicos y bioquímicos modernos saben que

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esta dolencia es consecuencia de una deficiencia de vitamina A, muy abundante en el hígado, su consumo proveía los requerimientos de vitamina A, curando al paciente. Los inicios de la bioquímica se suele ubicar con los descubrimientos de Friedrich Wöhler (Fig.3a). En 1828, Wöhler publico la síntesis de la urea, un compuesto orgánico obtenido a partir de compuestos inorgánicos. Este experimento mostro por primera vez que los compuestos químicos encontrados exclusivamente en los organismos vivos pueden ser sintetizados desde compuestos inorgánicos. Otro progreso inicial muy significativo, fue la identificación de las enzimas como catalizadores de las reacciones biológicas, gracias en parte a Eduard Buchner (Fig.3b).

a.

b.

c.

Friedrich Wöhler (1800-1882) Eduard Buchner (1860-1917) Emil Fischer (1952-1919) Figura 3. Pioneros en la bioquímica

En 1897, Eduard Buchner demostró que un extracto de células de levaduras podía catalizar la fermentación de la glucosa (una azúcar) en alcohol y dióxido de carbono, anteriormente se creía que sólo una célula viva podía catalizar estas complejas reacciones químicas. Emil Fischer un contemporáneo de Buchner, estudió el efecto catalítico de las enzimas de la levadura en la hidrólisis (ruptura por agua) de la sucrosa (disacárido formado por la glucosa y fructosa), propuso la especificidad de las enzimas por un sustrato por medio del modelo de llave-cerradura. La última mitad del siglo XX, el mayor progreso en la historia de la bioquímica, fue la identificación de los ácidos nucleicos como moléculas de información. 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty, eextrajeron ADN de una cepa tóxica de Streptococcus pneumoiae lo mezclaron con otra cepa no tóxica del mismo microorganismo, la cepa no tóxica fue perfectamente convertida en Cepa toxica. Este experimento provee la primera evidencia concluyente de que el ADN es el material genético. En 1953, James D. Watson y Francisc H. C. Crick dedujeron la estructura 3D del ADN. Esta estructura les sugirió un método por el cual el ADN podría reproducirse por sí mismo, es decir autoreplicarse y transmitir información. 5. Biomoléculas, una rápida descripción ¿Qué elementos químicos componen a los seres vivos? Cerca de 100 elementos químicos, solo cerca de 28 (26%) se encuentran en forma natural en plantas y animales. Elementos esenciales para la vida: Carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S), constituyen más del 97% de peso seco de la mayoría de organismos, estos son llamados bioelementos principales. Otros

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elementos están presentes en cantidades micro y también son esenciales para la vida, tales como: Calcio (Ca), sodio (Na), potasio (K) y magnesio potasio (Mg) son considerados bioelementos secundarios. El manganeso (Mn), hierro (Fe), yodo (I),) molibdeno (Mo) y otros son llamados oligoelemetos y representan el 0.5% del peso seco (Figura 4).

Figura 4. Ubicación de los bioelementos en la tabla periódica

Todos estos bioelementos forman moléculas. Las moléculas no tienen vida…pero en número y complejidad apropiada, las moléculas “crean” (integran) Vida (Fig.5). La complejidad en la estructura y comportamiento de los organismos vivos ocultan la verdad básica, la variedad de conglomerados moleculares que la constituyen. La química en las células vivas recuerda las reacciones de la Química Orgánica. A pesar de la espectacular diversidad de la vida, las intrincadas estructuras biológicas y la complejidad de los mecanismos vitales, las funciones de la vida son interpretadas en términos químicos. La Química es la lógica de los fenómenos biológicos.

a. Mosca silvestre b. Planta Arabidopsis

thaliana c. Células de levadura

Figura 5. Ejemplos de seres vivos.

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• ¿Qué son las biomoléculas? Al examinar la composición química de las células, se revela una deslumbrante variedad de compuestos orgánicos con un amplio rango de dimensiones moleculares y son clasificados de acuerdo a las similitudes de tamaño como de propiedades químicas, en un emergente patrón organizacional. Las biomoléculas son construidas según una jerarquía estructural: moléculas simples son los bloques de construcción de estructuras complejas. Los organismos vivientes son complicados y altamente organizados. Un organismo vivo lo suficientemente grande para verse a simple vista está compuesto de muchas células, de varios tipos. Estas células poseen estructuras subcelulares llamadas organelos, los cuales son ensamblajes supramoleculares complejos de moléculas poliméricas de gran tamaño, llamadas macromoléculas. Estas macromoléculas muestran en sí mismas un sofisticado grado de organización en su intrincada estructura tridimensional, compuestas de moléculas más pequeñas (bloques de construcción) es decir unidades monoméricas (Fig. 6). Aminoácidos, azúcares, ácidos grasos, nucleótidos son los bloques de construcción sintetizados mediante diferentes rutas metabólicas, estos se unen mediante enlaces covalentes; construyendo macromoléculas: Proteínas, polisacáridos, polinucleótidos (ADN y ARN) y lípidos. Las interacciones entre macromoléculas conducen a un próximo nivel de organización estructural: Complejos supramoleculares.

Figura 6. Estructura jerárquica en la organización molecular de las células. Tomado de Nelson, D. L.; Cox, M. M. (2009). Bioquímica Lehninger: Principios de Bioquímica. 5° Edición. New York. Freeman.

6. El agua, pH y amortiguadores El agua es el mayor componente químico de la superficie terrestre, es indispensable para la vida, ningún organismo vivo gana verdadera independencia sin el agua. Típicamente, los organismos están formados por 70-90% de agua, la actividad metabólica normal sólo puede ocurrir cuando los niveles de agua en la célula están al menos al 65%. Esta dependencia de la vida en el agua, no es un asunto simple, hay que tener en cuenta las propiedades químicas y físicas del agua.

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• ¿Cuáles son las propiedades del agua? El agua presenta propiedades inusuales, al comparar compuestos químicos de similar organización atómica y peso molecular (fig. 7). Presenta valores altos de: puntos de ebullición y fusión, calor de vaporización y superficie de tensión. Verdaderamente, todas estas propiedades físicas son anormalmente altas para una sustancia con su peso molecular y que no es ni metálico ni iónico.

En el interior de la célula puede estar muy aglomerado, como lo sugiere Goodsell en sus ilustraciones (Fig. 8). El comportamiento de los solutos en el citoplasma es diferente al que presenta en una sencilla disolución acuosa. Una de las diferencias más importantes es la reducción de la velocidad de la difusión dentro de las células. Hay tres razones por la que los solutos se disuelven con más lentitud en las células. ▪ La viscosidad del citoplasma es un poco mayor que la del

agua, debido a la presencia de muchos solutos. ▪ Las moléculas con cargas se enlazan momentáneamente

entre sí restringiendo la movilidad. ▪ Los choques entre moléculas inhibe la difusión a causa de

un efecto que se denomina hacinamiento molecular.

Para las moléculas pequeñas, la velocidad de difusión dentro de la célula es más o menos la cuarta parte de la que muestra en agua pura. Para las moléculas más grandes, como las de proteínas, la tasa de difusión en el citoplasma disminuye hasta a 5-10% de la velocidad en agua. Esto se debe en gran parte al hacinamiento molecular.

Figura 7. Comparación

de puntos de ebullición

de algunos hidruros de

los elementos de grupos

14 al 17. Tomado de R.H.

Petrucci, W.S. Harwood,

F.G. Herring.

(2002). Química General.

8th Edition. Prentice-

Hall.

Figura 8. Porción del citosol de una célula de E. Coli, se observan diferentes solutos. Tomado de Horton, H.; Morán, L. A.; Scrimgeour, K. (2008). Principios de Bioquímica. 4th Edición. México. Pearson Education.

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7. Amortiguadores biológicos

Las disoluciones amortiguadoras, que se vieron en los módulos de Química General y Química Analítica son la base para entender, los amortiguadores biológicos.

Un ejemplo excelente de la capacidad amortiguadora se encuentra en el plasma sanguíneo de los mamíferos, que tiene un pH notablemente constante.

El pH de la sangre se regula principalmente por el sistema amortiguador dióxido de carbono-ácido carbónico-bicarbonato. La grafica mostrada en la figura 9 se ven los porcentajes de ácido carbónico (H2CO3) y de cada una de las bases conjugadas en función del pH. Nótese que la forma principal del ácido carbónico a pH 7.4 es ácido carbónico y anión bicarbonato (HCO3

-).

La capacidad amortiguadora de la sangre depende de los equilibrios entre el dióxido de carbono gaseoso (presente en los alveolos pulmonares), en dióxido de carbono acuoso (producido en los tejidos al respirar y se disuelve en la sangre), el ácido carbónico y el bicarbonato. Al ver la figura 9, puede notarse que el equilibrio entre bicarbonato y carbonato (CO3

2-) no aporta mucho a la capacidad amortiguadora de la sangre porque el pKa del bicarbonato es de 10.2, demasiado alejado del pH fisiológico para ejercer algún efecto amortiguador sobre la sangre.

Figura 9. Porcentaje de ácido carbónico y sus bases conjugadas en función del pH. Tomada de Horton, H.; Morán, L. A.; Scrimgeour, K. (2008). Principios de Bioquímica. 4th Edición. México. Pearson Education.

El primero de los tres equilibrios importantes en el sistema amortiguador dióxido de carbono-ácido carbónico-bicarbonato es la disociación del ácido carbónico a bicarbonato:

Este equilibrio se ve influido por un segundo equilibrio, en el que el dióxido de carbono disuelto, CO2 (acuoso), el cual está en equilibrio con su forma hidratada, el ácido carbónico.

Estas dos reacciones se pueden combinar en un solo equilibrio de reacción donde el ácido se representa como CO2 disuelto en agua.

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El pKa del ácido es de 6.4. Por último, el CO2 (gaseoso) está en equilibrio con el CO2 (acuoso).

La regulación del pH en la sangre que producen estos tres equilibrios se ve en forma esquemática en la figura 10. Cuando el pH de la sangre baja debido a un proceso metabólico que produce exceso de H+, la concentración de H2CO3 aumenta en forma momentánea, pero el H2CO3 pierde rápidamente agua para formar CO2 (acuoso) disuelto, que entra en la fase gaseosa en los pulmones y se expira como CO2 (gaseoso). Un aumento en la presión parcial de CO2 (pCO2) en el aire expirado por los pulmones compensa así el aumento de iones hidrógeno. Al contrario, cuando aumenta el pH de la sangre, aumenta de forma transitoria la concentración de HCO3

- en forma momentánea, pero el pH se recupera con prontitud cuando la frecuencia respiratoria cambia y el CO2 (gaseoso) en los pulmones se convierte en CO2

(acuoso) y después en H2CO3 en los capilares pulmonares. De nuevo el equilibrio del sistema amortiguador sanguíneo se restaura con rapidez al cambiar la presión parcial del el CO2 en los pulmones. Dentro de las células, tanto las proteínas y los fosfatos inorgánicos contribuyen al amortiguamiento intracelular. La hemoglobina es el amortiguador más fuerte en sangre a parte del dióxido de carbono-ácido carbónico-bicarbonato. 8. Proteínas El estudio de las proteínas ha ocupado a los bioquímicos durante más de un siglo. Las proteínas son biomóleculas formadas básicamente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Pueden además contener azufre y en algunos tipos de proteínas, fósforo, hierro, magnesio y cobre entre otros elementos. Las proteínas son las macromoléculas biológicas más importantes. Hay gran variedad de proteínas y cumplen variedad de funciones en los organismos. Componen las estructuras celulares y hacen posible las reacciones químicas en el metabolismo celular. En la mayoría de los seres vivos (a excepción de las plantas que tienen más celulosa) representan más de un 50% de su peso en seco. Una bacteria puede tener cerca de 1000 proteínas diferentes, en una célula humana puede haber 10.000 clases de proteínas distintas. Químicamente son polímeros de aminoácidos (monómeros), unidos por enlaces covalentes (enlaces peptídicos) y dispuestos de forma lineal. Las células producen proteínas con propiedades muy diferentes a partir de 20 aminoácidos. Se conocen alrededor de 500 aminoácidos, aunque sólo 20 forman parte de la estructura de las proteínas, recibiendo por ello el nombre de aminoácidos proteicos. ▪ Aminoácidos

Todas las proteínas son polímeros de -aminoácidos que se combinan para formarlas. En la Figura 11 se

muestra un -aminoácidos representativo, la leucina; el grupo amino y el grupo carboxilo se unen a un

mismo átomo de carbono (carbono α); de aquí el nombre -aminoácido. Al carbono de cada aminoácido

Figura 10. Regulación de pH en la sangre de mamíferos, por el sistema amortiguador dióxido de carbono-ácido carbónico-bicarbonato.

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también están unidos una cadena lateral (cadena R) y un átomo de hidrógeno. Los distintos -aminoácidos difieren en las cadenas laterales (cadenas R), que son las que determinan sus propiedades.

a.

b.

Figura 11. a. Leucina un -aminoácido (Tomada de bioquímica de Horton, H.; Morán, L. A.; Scrimgeour, K. (2008). Principios

de Bioquímica. 4th Edición. México. Pearson Education, S.A.) b. Muestra la estructura general de un -aminoácido y un modelo de barras y bolas (Tomada de bioquímica de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. 4th Edición. EUA. Books Cole).

En los genes de todos los organismos están codificados veinte aminoácidos diferentes que se incorporan a las proteínas. Los aminoácidos poseen abreviaturas que es conveniente conocer. Las hay de dos clases. La más sencilla de recordar es la que sustituye el nombre de un aminoácido por tres letras de su nombre en inglés (casi siempre las tres primeras). Sin embargo hace tiempo que, por ahorrar espacio, se está imponiendo una nomenclatura distinta en la que cada aminoácido es identificado por una sola letra. En muchos casos se trata de su inicial, pero no siempre es así pues hay aminoácidos cuyos nombres comienzan por la misma letra. La nomenclatura de una letra es la preferida para escribir y registrar las secuencias de proteínas y es la que se debe utilizar casi siempre para realizar búsquedas informáticas en las bases de datos bioquímicos internacionales por lo que hay que conocerla, aprenderla y sentirse cómodo con ella. En la figura 12 se representan las estructuras completas de esto aminoácidos. Obsérvese que la prolina es un aminoácido cíclico, porque su cadena lateral está enlazada de nuevo con el átomo de nitrógeno, formando un anillo. Algunos autores lo denominan incorrectamente iminoácido.

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Figura 12. Aminoácidos encontrados en las proteínas, los 20 aminoácidos pueden ser clasificados en: No-polares, no cargados y cargados. Figura tomada Becker, W.; Kleinsmith L.; Hardin, J. (2007). El mundo de la célula. 8th edición. Pearson Education.

▪ Estereoquímica

Los enlaces alrededor del carbono son tetraédrico, como sería de esperar presentan estereoisomería, es decir presentan isómeros que difieren en su orientación espacial. Todos los aminoácidos tienen un carbono asimétrico o quiral, con excepción de la glicina, y por lo tanto pueden ocupar diversas posiciones en el espacio. Recuerde que cuando un átomo de carbono tiene cuatro sustituyentes distintos fijados a él, formando una molécula asimétrica, se dice entonces un carbono quiral, un centro de quiralidad, estereocentro, o simplemente carbono asimétrico. Si una molécula posee un carbono asimétrico tendrá dos estereoisómeros distinguibles; se trata de imágenes especulares que no pueden superponerse una a la otra, o enantiómeros. En la figura 13 se muestra los enantiómeros L y D de la alanina, el único aminoácido sin carbono asimétrico es la glicina. La denominación D y L, introducida por Fischer en 1891, no es ya utilizada habitualmente por los químicos, que prefieren distinguir a cualquier pareja de compuestos especulares denominándolos R o S, según la nomenclatura introducida por Cahn, Ingold y Prelog en 1956. Sin embargo, en Bioquímica se sigue utilizando la nomenclatura L/D aunque las denominación R/S, sean clara y general. Todos los aminoácidos que aparecen en las proteínas son L.

a.

b.

Figura 13. a. Muestra las imágenes especulares no

superponibles de aminoácidos.

b. Los dos estereoisómeros de la alanina.

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Un hecho importante es que todos los aminoácidos que incorporan los organismos vivos en las proteínas son L-aminoácidos. Es importante mencionar que las macromoléculas biológicas más tienen preferencias por una u otra clase de estereoisómeros. ▪ Ionización de los aminoácidos Cada aminoácido en disolución tiene un pH característico en el que no se mueve en un campo eléctrico, es decir, cada grupo ionizable en el aminoácido guarda relación con un valor específico de pKa que corresponde al pH al que son iguales las concentraciones de las formas protonadas y no protonadas;

se presenta en forma de ion dipolo o zwitterion, donde tanto el grupo -amino como el grupo carboxilo se encuentran ionizados y, por lo tanto, tiene el mismo número de cargas positivas y negativas (punto isoeléctrico, PI). Junto a los grupos ionizables principales, algunos aminoácidos contienen otros grupos que pueden ionizarse en sus cadenas laterales: grupos amino, carboxilo, sulfhidrilo, hidroxilo o imidazol. A pH fisiológico, estos grupos pueden estar ionizados y confieren al aminoácido que los contiene cargas positivas o negativas, según sea la naturaleza del grupo ionizado. Las proteínas, como los aminoácidos, se encuentran cargadas en disolución; la magnitud de la carga depende del tipo de proteína y del pH. Cada proteína posee un punto isoeléctrico característico; a pH por arriba del punto isoeléctrico presenta carga negativa, mientras que a pH por abajo del punto isoeléctrico tiene carga positiva. Los estados iónicos de las cadenas laterales de los aminoácidos influyen sobre las características tridimensionales de las proteínas, además estos residuos ionizables interviene en la catálisis efectuada por las enzimas. La comprensión de las propiedades iónicas de los aminoácidos ayuda a comprender los mecanismos enzimáticos que se describirán más adelante. Los valores de pKa de los aminoácidos se determinan con curvas de titulación como las vistas en el módulo de química analítica. La figura 14 muestra la ionización de la alanina, este aminoácido posee dos grupos ionizables, a medida que se agrega base a la disolución la curva de titulación presenta dos valores de pKa, a pH 2.4 y pH 9.9. Cada valor de pKa se vincula con una zona de regulación donde el pH de la disolución cambia relativamente poco al agregar más base.

Figura 14. Curva de titulación de la alanina. El primer valor de pKa es 2.4; el segundo es 9.9. PIala representa el punto isoeléctrico de la alanina. El pKa de un grupo ionizable corresponde al punto medio en su curva de titulación. Tomada de bioquímica de Horton, H.; Morán, L. A.; Scrimgeour, K. (2008). Principios de Bioquímica. 4th Edición. México. Pearson Education.

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▪ Enlace peptídico Los péptidos son el resultado de la unión covalente de aminoácidos mediante enlaces amida formados por condensación, con liberación de una molécula de agua, de un grupo carboxilo de un aminoácido y un grupo amino de otro (Figura 15). El enlace peptídico sólo permite formar estructuras lineales, sin ramificaciones, que se denominan péptidos; estas estructuras son muy estables. Los péptidos (al igual que las proteínas) presentan en sus extremos, un grupo amino y un grupo carboxilo sin reaccionar. Para especificar la fórmula de un péptido sencillo (y de una proteína) basta con enumerar los

aminoácidos que lo componen, comenzando por el que tiene libre su grupo -amino (el aminoácido N

terminal) y terminando por el que presenta libre su grupo -carboxilo (aminoácido C terminal). Aunque para péptidos cortos se puede utilizar la notación de tres letras, las secuencias de proteínas se escriben en código de una letra. Para nombrar un péptido, se lee su secuencia, comenzando por el aminoácido

N-terminal y sustituyendo las dos últimas letras de cada aminoácido por una “l” (ej: alaninaalanil; pero el triptófano se nombra triptofanil). Todos los péptidos tienen un grupo amino en un extremo y un grupo carboxilo en el otro. El enlace peptídico impone restricciones a las posibles conformaciones, ya que no es posible el giro alrededor del enlace C-N, el enlace se representa normalmente como un enlace sencillo pero tiene un comportamiento similar al de un doble enlace. Todos los átomos unidos al carbono y el nitrógeno del enlace peptídico están en el mismo plano y mantienen unas distancias y ángulos característicos.

Figura 15. Los grupos -COOH y -NH3 de los dos aminoácidos reaccionan para formar un enlace amina y la pérdida de una molécula de agua. Tomado de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. Cuarta Edición. EUA. Books Cole.

Es decir que, los enlaces C-O y N-C del enlace peptídico tienen características intermedias entre el enlace sencillo y el enlace doble. De hecho, las distancias interatómicas medidas en los enlaces C-O y C-N son intermedias entre las del enlace sencillo y el doble enlace. Esta disposición atómica está

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estabilizada por resonancia (Figura 16), de forma que los átomos implicados en la formación del enlace peptídico están contenidos en el mismo plano.

Figura 16. El oxígeno posee carga parcial negativa, y el nitrógeno de la amida carga parcial positiva, es observable un dipolo. Es observable la resonancia existente.

El enlace peptídico, como cualquier enlace amida, presenta resonancia entre dos formas extremas de representarlo: la forma neutra con un enlace sencillo uniendo el carbono carboxílico del primer aminoácido y el nitrógeno amínico del segundo, y la forma con separación de cargas en que los dos átomos se encuentran unidos por un enlace doble. La razón es que, al formarse el enlace peptídico, el nitrógeno conserva un par de electrones que puede compartir con el carbono al que está unido. Para que esto ocurra, el carbono debe perder uno de sus enlaces con el oxígeno vecino. El resultado de este reajuste electrónico es la forma con cargas y enlace doble C=N. En la realidad, el enlace peptídico no adopta ninguna de las dos situaciones extremas sino que es un híbrido resonante de ambas, y sus propiedades son intermedias. Así, su distancia de enlace (1.32 Å) es más corta que la de un enlace sencillo C-N (1.49 Å), pero algo mayor que la de un enlace doble C=N (1.27Å), lo que indica que su fortaleza en intermedia (Figura 17a). La consecuencia más importante es, sin duda, que el enlace peptídico presenta un cierto carácter de enlace doble que va a determinar, buena parte de las propiedades conformacionales de las proteínas.

Figura 17. a) El enlace peptídico muestra una conformación trans. b) Plano del enlace peptídico. Tomada de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. 4th Edición. EUA. Books Cole.

Una característica fundamental de los enlaces dobles es que se debilitan tanto, cuando las dos partes de la molécula unidas por ellos rotan una respecto a la otra, y tal rotación en la práctica no se produce. Por tanto, los átomos unidos por el enlace doble y los que están unidos a ellos permanecen de forma estable en un mismo plano (Figura 17b). Esto se traduce, en el caso de los enlaces peptídicos, en que el C

carbonílico, con su oxígeno y su carbono (los tres átomos del primer aminoácido), y el nitrógeno, con

su hidrógeno y su carbono (del aminoácido siguiente) son coplanares. Estos átomos forman el plano peptídico que enlaza los dos aminoácidos. Como ocurre en cualquier compuesto orgánico con enlaces

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dobles en que cada uno de los dos átomos así enlazados presentan sus dos sustituyentes adicionales distintos, el enlace peptídico debe ser trans (Figura 17a), cuando cada carbono alfa queda en un semiplano distinto. Aunque la barrera de energía entre los dos isómeros cis y trans no es demasiado elevada (es mucho menor que en el caso de un auténtico enlace doble C=N), basta para que en la práctica cada enlace peptídico esté permanentemente en una de las dos formas. En general, la forma trans es la de menor energía porque es la que sitúa a los sustituyentes voluminosos (carbonos alfa con sus cadenas laterales) más alejados y por tanto con menor conflicto estérico. La inmensa mayoría de los enlaces peptídicos de las proteínas son, por esta razón, trans. ▪ Organización estructural de las proteínas

Todas las proteínas poseen una estructura química central, que consiste en una cadena lineal de aminoácidos, como consecuencia de múltiples enlaces peptídicos entre diferentes aminoácidos. Lo que hace distinta a una proteína de otra es la secuencia de aminoácidos que la conforman, a tal secuencia se conoce como estructura primaria de la proteína. La estructura primaria de una proteína vendría especificada por los aminoácidos que la forman y el orden de colocación de los mismos a lo largo de la cadena polipeptídica. La secuencia de aminoácidos de una proteína se escribe empezando por el extremo amino terminal y finalizando por el carboxi-terminal. Sin embargo, la secuencia lineal de aminoácidos puede adoptar múltiples conformaciones en el espacio que se forma mediante el plegamiento del polímero lineal. Tal plegamiento se desarrolla en parte espontáneamente, por la repulsión de los aminoácidos hidrófobos por el agua, la atracción de aminoácidos cargados y la formación de puentes disulfuro y también en parte es ayudado por otras proteínas. Así, la estructura primaria viene determinada por la secuencia de aminoácidos en la cadena proteica, es decir, el número de aminoácidos presentes y el orden en que están enlazados y la forma en que se pliega la cadena se analiza en términos de estructura secundaria. Además las proteínas adoptan distintas posiciones en el espacio, por lo que se describe una tercera estructura. La estructura terciaria, por tanto, es el modo en que la cadena polipeptídica se pliega en el espacio, es decir, cómo se enrolla una determinada proteína. Así mismo, las proteínas no se componen, en su mayoría, de una única cadena de aminoácidos, sino que se suelen agrupar varias cadenas polipeptídicas (o monómeros) para formar proteínas multiméricas mayores. A esto se llama estructura cuaternaria de las proteínas, a la agrupación de varias cadenas de aminoácidos (o polipéptidos) en complejos macromoleculares mayores. Por tanto, podemos distinguir cuatro niveles de estructuración en las proteínas: Estructura primaria, estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria (Figura 18). ▪ Enzimas Las enzimas son el grupo más variado y especializado de las proteínas, su función es actuar como catalizadores, permitiendo que las reacciones que transcurren en los seres vivos puedan desarrollarse óptimamente. Desde el punto de vista químico, las enzimas son proteínas globulares, algunas de ellas con estructura cuaternaria. Para cumplir su función requieren conservar su estructura nativa, en particular se destaca una región conocida como sitio activo, que es responsable de catalizar la reacción. Un catalizador, por definición, es un compuesto que con su sola presencia aumenta la velocidad de la reacción sin experimentar modificación neta.

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Figura 18. Niveles organizacionales de las proteínas. Tomado de Nelson, D. L.; Cox, M. M. (2009). Bioquímica Lehninger: Principios de Bioquímica. 5° Edición. New York. Freeman.

Las enzimas son capaces de acelerar reacciones químicas específicas en un medio acuoso, son catalizadores que pueden incrementar la velocidad hasta 1020 veces o más, en condiciones en las que los catalizadores no biológicos (medio acuoso) serían incapaces de realizar. Al igual que las proteínas, hay enzimas de diferentes tamaños y algunas necesitan sólo su estructura aminoacídica, mientras que otras requieren la presencia de un componente no proteíco. Este compuesto puede ser, sencillamente un ión inorgánico: Cofactor (Fe2+, Mg2+, Mn2+ o Zn2+) o moléculas orgánicas complejas llamadas: coenzimas. Las coenzimas derivan de vitaminas o son la vitamina misma. La enzima completa junto a su cofactor se denomina haloenzima y su parte exclusivamente proteica apoenzima. ▪ Las enzimas son proteínas eficientes, específicas y regulables Las enzimas son catalizadores biológicos que, como los catalizadores químicos, aceleran reacciones y no se consumen durante la reacción, por lo que pueden intervenir muchas veces catalizando la misma reacción, es decir que son eficientes. A diferencia de otros catalizadores, las enzimas tienen un sitio activo que les permite unir y orientar las moléculas que participan en una reacción y de esa forma aumentan la posibilidad de formación o ruptura de enlaces necesarios para la obtención de productos. En el interior de la célula, aunque los sustratos y las enzimas están en número relativamente pequeño, estos pueden juntarse y dar lugar al complejo ES porque están en continuo movimiento. El sitio activo tiene una forma determinada, existe un ordenamiento espacial de las cadenas laterales de los aminoácidos (-R) que

componen la parte proteica de la enzimas y que es única y reconocida por su sustrato. Esta es la base de otra de las características de las enzimas: Especificidad. El sitio activo se encuentra en una región específica de la enzima (Figura 19). Esta zona de la enzima es responsable Figura 19. Representación del sitio activo de una enzima, unión de la enzima con el

sustrato (complejo ES) y posterior formación de los productos.

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de las dos propiedades básicas de la molécula: La especificidad y la acción catalizadora. Hay enzimas que presentan una alta especificidad, aceptando tan sólo un tipo de sustrato; por otro lado, otras enzimas con un menor nivel de especificidad catalizan reacciones utilizando como sustratos moléculas que presenten una cierta similitud estructural.

La interacción entre enzima y sustrato se realiza a través de enlaces de naturaleza débil entre la molécula de sustrato y el centro activo. Cuanto mayor sea el número de interacciones, mayor será la especificidad de la enzima. Algunas enzimas presentan especificidad absoluta porque la topografía del sitio activo además de ordenada es rígida lo que se ha esquematizado con el modelo de llave-cerradura (Fig. 20). Sin embargo, muchas enzimas presentan especificidad relativa porque pueden catalizar el mismo tipo de reacción con más de un sustrato estructuralmente similar que igual permite la formación de productos, lo que se explica mediante el modelo de ajuste inducido.

El estudio de la actividad enzimática implica el análisis de la velocidad de actuación de la enzima, lo cual se conoce con el nombre de cinética enzimática. La concentración de sustrato afecta de manera muy importante a la velocidad de la enzima. Los enzimas actúan de acuerdo con los mismos principios generales que los demás catalizadores: Aumentan la velocidad de las reacciones químicas combinándose transitoriamente con los reactivos de manera que estos alcanzan un estado de transición con una energía de activación menor que el de la reacción no catalizada. Hay que destacar sin embargo que los enzimas son mucho más eficaces que cualquier catalizador artificial conocido. Se ha podido comprobar que los aumentos de velocidad que producen son de entre 107 y 1014 veces la velocidad de la reacción no catalizada. La actividad molecular (número de moléculas de sustrato transformadas por una sola molécula de enzima por minuto) de distintos enzimas oscila entre unos pocos miles y varios millones de moléculas de sustrato por minuto.

Figura 20. Modelo de llave-cerradura, para ejemplificar la especificidad de una enzima por el sustrato.

▪ Modelo de Michaelis-Menten L. Michaelis y M. Menten en 1913, diseñaron un modelo general de la cinética enzimática que explica el comportamiento hiperbólico de la velocidad con respecto a la concentración de sustrato. El modelo postula

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que la enzima (E) se combina en primer lugar con el sustrato (S) formando el complejo enzima-sustrato (ES), descomponiéndose en un segundo paso generando la enzima libre (E) y el producto (P).

Ecuación de Michaelis-Menten:

𝑣 =𝑉𝑚𝑎𝑥[𝑆]

𝐾𝑚 + [𝑆]

▪ Factores que influyen en la actividad enzimática Las enzimas funcionan en un determinado medio, ya sea intra o extracelular, donde las condiciones pueden variar, y por lo tanto el nivel de actividad de la molécula puede verse modificado a lo largo del tiempo. Los factores que afectan a la actividad enzimática:

a. El pH: Algunas enzimas tienen en su estructura primaria de aminoácidos grupos ionizables

(grupos como: NH2 y COOH), los cambios moderados de pH afectan el estado iónico de la enzima y también el del sustrato. Dependiendo del pH del medio en el que se encuentren pueden o no, tener carga, ya sea positiva o negativa. Estas cargas sirven para estabilizar la conformación natural de la proteína y cuando el pH cambia, también se modifica la estructura, llevando en último extremo a la desnaturalización de la proteína, y en el caso de las enzimas a la pérdida de actividad. Dependiendo del sitio dónde deba ejercer su acción catalítica, un rango pH concreto está establecido, y recibe el nombre de pH óptimo, figura 21.

Figura 21. Perfil de actividad de algunas enzimas. Puede observarse los máximos a un pH que se considera el óptimo. Tomado de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. 4th Edición. EUA. Books Cole.

b. La temperatura: Una regla general para la mayoría de las reacciones químicas es que un

aumento de temperatura de 10 ° C aproximadamente duplica la velocidad de reacción. Hasta cierto punto, esta regla se cumple para todas las reacciones enzimáticas. Después de un cierto punto, sin embargo, un aumento de temperatura causa una disminución en la velocidad de reacción, debido a la desnaturalización de la estructura de la proteína y la interrupción del sitio

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activo. Para muchas proteínas, la desnaturalización se produce entre 45 ° C y 55 ° C. Además, aunque una enzima puede parecer que tienen una velocidad de reacción máxima entre 40 ° C y 50 ° C, la mayoría de las reacciones bioquímicas se llevan a cabo a temperaturas más bajas porque las enzimas no son estables a estas temperaturas más altas y se desnaturalizar después de unos pocos minutos.

c. Concentración de la enzima. d. Concentración del sustrato. e. Presencia de inhibidores. Un inhibidor puede definirse como, moléculas que disminuyen la

actividad enzimática se les denomina inhibidores, y en las reacciones químicas del organismo in vivo son utilizados para controlar el grado de actividad de una enzima específica.

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Metabolismo de carbohidratos, ciclo de krebs,

cadena respiratoria y síntesis de ATP

1. Introducción al metabolismo Los seres vivos como sistemas termodinámicos abiertos en estado estacionario, que disipan energía para mantenerse alejados del equilibrio. Esta energía proviene de la degradación de los alimentos que consumen, la cual se lleva a cabo en un conjunto de reacciones que incluyen hidrólisis, rompimiento y oxido-reducción, al cual denominamos Catabolismo. Por otra parte, el mantenimiento de la organización del sistema consume energía para la realización constante de varios tipos de trabajo, mecánico, osmótico y químico, entre otros. Este último incluye la formación constante de nuevas moléculas, reacciones que constituyen el Anabolismo. Catabolismo y Anabolismo son las dos etapas del Metabolismo de todas las células (Figura 22).

Figura 22. Relaciones energéticas entre las vías de catabolismo y anabolismo. Tomado de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. Cuarta Edición. EUA. Books Cole.

Metabolismo puede definirse como: La Suma de transformaciones químicas que se producen en una célula u organismo (vías metabólicas). Y se caracteriza por: Las reacciones enzimáticas están organizadas en las rutas metabólicas, un precursor se convierte en producto final a través de intermediarios (metabolitos), cada

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reacción ocasiona un pequeño cambio específico en la estructura química y Las vías metabólicas son interdependientes y sus actividades están reguladas coordinadamente. Al hablar de metabolismo, surge la pregunta: ¿Cuál es la función del metabolismo? - Degradar los nutrientes para obtener energía química y moléculas propias de la célula. - Polimerizar precursores monoméricos en macromoléculas tipo biopolímeros. - Sintetizar y degradar biomoléculas con funciones especializadas y necesarias para la célula. ▪ El papel del ATP Y del NADPH en el metabolismo

La estrategia básica del metabolismo es formar ATP, NADPH y precursores macromoleculares. La energía química de las sustancias alimenticias está en las diversas uniones covalentes entre los átomos de una molécula. Dentro de la célula viva, grandes cantidad de energía no puede ser desprendida de golpe, pues la célula no la podría utilizarla de una manera eficaz. Por ello, la célula degrada las moléculas poco a poco, de manera gradual y controlada mediante la intervención de enzimas. Las reacciones catabólicas provocan la oxidación de los sustratos, por deshidrogenación, y los enzimas que catalizan estas reacciones son deshidrogenasas ligadas a las coenzimas NAD, NADP y FAD, principalmente. Los electrones desprendidos en estas reacciones de oxidación son captados por otras moléculas transportadoras de electrones que se encuentran organizadas de tal manera que la oxidación de un transportador libera más energía. Si el excedente de energía es suficiente se utiliza para fosforilar el ADP y formar ATP. Pero no toda la energía desprendida se utiliza para formar ATP (figura 23). Un segundo camino para transportar la energía de las reacciones de oxidor-reducción del catabolismo es en forma de NADPH, coenzima que transporta dos electrones de alto potencial y sirve como dador de hidrógeno y electrones en las biosíntesis reductoras (anabolismo). Así el NADPH actúa como transportador de electrones ricos en energía, desde las reacciones catabólicas hasta las anabólicas que los necesitan, de la misma manera que el ATP es un transportador de grupos fosfato ricos en energía desde las reacciones del catabolismo a las reacciones del anabolismo.

a. b.

Figura 23. Representación de las estructuras químicas: a. del ATP (Adenosine 5′ -triphosphate) y b. NADPH (Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate).

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2. Metabolismo de carbohidratos

El metabolismo puede definirse como el conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren en el organismo. Los organismos se caracterizan por poseer miles de reacciones catalizadas por enzimas, constituyendo las vías metabólicas. El objetivo del metabolismo es mantener las funciones vitales del organismo tales como el trabajo mecánico, el transporte activo de moléculas contra gradientes de concentración y la biosíntesis de moléculas. Las rutas o vías metabólicas son secuencias de reacciones en donde un precursor o sustrato se convierte en un producto final a través de una serie de intermediarios metabólicos.

El término metabolismo intermediario se aplica a las actividades combinadas de todas las vías metabólicas que interconvierten sustratos, metabolitos y productos. Por ejemplo, la secuencia consecutiva de A → B→ C → D → E tiene el mismo efecto neto que A → E.

Toda esta actividad celular muy coordinada y dirigida tiene como objetivo el que los sistemas multienzimáticos cooperen para cumplir cuatro funciones básicas:

3. Obtener energía química a partir de la energía solar en los organismos fotótrofos o de la energía contenida en los nutrientes obtenidos del ambiente en los organismos quimiótrofos.

4. Convertir las moléculas nutrientes en las moléculas características de la propia célula, incluidos los precursores macromoleculares.

5. Transformar los precursores monoméricos en polímeros (proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, polisacáridos y otros componentes celulares).

6. Sintetizar y degradar las biomoléculas requeridas en las funciones celulares especializadas.

Como ya lo mencionamos, El metabolismo se divide en catabolismo y anabolismo. El catabolismo, del griego katá, "abajo" es la fase degradativa del metabolismo en la que nutrientes orgánicos como carbohidratos, lípidos y proteínas se convierten en productos más pequeños y sencillos (H2O, CO2, NH3). Las rutas catabólicas generan transportadores electrónicos reducidos (NADH, FADH2 y NADPH) y liberan energía, parte de la cual se conserva en la molécula del ATP. En el anabolismo, del griego aná, "arriba", también llamado biosíntesis, los precursores pequeños y sencillos se transforman en moléculas más grandes y complejas, propias de cada célula (polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). Las reacciones anabólicas requieren un aporte energético, que proviene generalmente de la hidrólisis del ATP y del poder reductor del NADPH.

3. Glucólisis: Catabolismo de carbohidratos Los carbohidratos, o sacáridos, son las biomoléculas más abundantes en la naturaleza y son indispensables en los organismos vivos. El catabolismo de los carbohidratos inicia con la digestión en la boca con la α-amilasa salival que rompe los enlaces α glicosídico del almidón, el principal carbohidrato ingerido por los seres humanos. El rompimiento de los enlaces glicosídicos produce una mezcla de carbohidratos: dextrinas, maltosa y glucosa. La α-amilasa mezclada en la comida se mantiene activa mientras la comida pasa a través del esófago, pero se inactiva rápidamente en el ambiente ácido del estómago. El sitio principal de la digestión de hidratos de carbono es el intestino delgado. La secreción de α-amilasa en el intestino delgado convierte cualquier molécula de almidón restantes, así

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como las dextrinas, maltosa en moléculas de glucosa. Disacáridos tales como sacarosa y lactosa no se digieren hasta que alcanzan el intestino delgado, donde la sacarasa y lactasa pueden romper los enlaces glucosídicos, respectivamente. Los principales productos de la hidrólisis completa de los disacáridos y los polisacáridos son tres monosacáridos: glucosa, fructosa y galactosa. Éstos se absorben a través de la pared del intestino delgado en el torrente sanguíneo. La vía metabólica conocida como Glucólisis (o glicólisis) convierte la glucosa en dos moléculas de piruvato (un compuesto de tres átomos de carbonosa) con la producción de 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa consumida. Las reacciones individuales de esta vía fueron elucidadas la primera mitad del siglo 20th por los bioquímicos alemanes: Otto Warburg, G. Embden y O. Meyerhof, por lo que muchas veces es conocida como la vía Embden–Meyerhof. Las reacciones de la glucólisis ocurren en el citoplasma y no están ligadas a estructuras celulares. El producto de la vía es el piruvato, el cual puede seguir diversos destinos según las condiciones de la célula. En condiciones anaeróbicas, el piruvato se transforma en lactato por acción de la lactato deshidrogenasa en presencia del NADH + H+ obtenido en la oxidación del gliceraldehído 3 fosfato. En las levaduras, el piruvato se descarboxila a acetaldehído y se forma etanol por la reducción del acetaldehído con el NADH mediante la acción de la deshidrogenasa alcohólica. Bajo condiciones aerobias, el piruvato se descarboxila en las mitocondrias y produce NADH y acetil CoA, la cual es el sustrato principal del ciclo de Krebs. Sólo una pequeña parte de la energía almacenada en la molécula de la glucosa se libera en la glucólisis (2 ATP netos por cada molécula de glucosa). En estricta anaerobiosis, la glucólisis es la única fuente de energía de la célula. La vía está estructurada de manera que el producto de una reacción catalizada por la enzima se convierte en el sustrato de la siguiente. La transferencia de productos intermedios de una enzima a la siguiente se produce por difusión. ▪ Etapas de la Glucólisis La glucólisis se compone de dos fases (figura 1), de cinco reacciones cada una. Los microorganismos, plantas y animales (incluyendo humanos) llevan a cabo 10 reacciones de glicólisis en arreglos más o menos similares de reacciones, aunque la velocidad de reacción y la manera en que son reguladas difieren de especie a especie.

▪ Fase I → Activación de la hexosa (glucosa, fructosa por ej.), una serie de 5 reacciones, la glucosa (6 carbonos) en convertida en 2 moléculas de gliceraldehído-3-fosfato (3 carbonos) con inversión de energía, 2 moléculas de ATP, esta fase es endergónica.

▪ Fase II → las próximas reacciones subsecuentes convierten las dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato en dos moléculas de piruvato y obtención de energía, 2 moléculas de ATP, esta fase es exergónica.

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Figura 1. Fases de la vía glagolítica. Tomado de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. Cuarta Edición. EUA. Books Cole.

Fase I: Cuando la glusosa entra a la célula, es inmediatamente fosforilada para formar glucosa-6-fosfato, en la primera reacción de la fase 1 (Figura 2). El donante de fosfato en esta reacción es el ATP, y la enzima que requiere iones de magnesio, Mg2+, para su actividad es la hexoquinasa. En esta reacción, el ATP se utiliza en lugar de ser sintetizado. La presencia de una reacción de este tipo en una vía catabólica que se supone la generación de energía puede sorprender. Sin embargo, además de la activación de la molécula de glucosa, esta reacción inicial es esencialmente irreversible, un beneficio añadido que mantiene el proceso en general se mueve en la dirección correcta. Además, la adición del grupo fosfato cargado negativamente evita que los intermedios formados en la glucólisis se difunda a través de la membrana celular, como moléculas neutras, tales como la glucosa puede hacer.

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Figura 2. Fosforilación de la glucosa a glucosa-6-fosfato por ATP generando una molécula cargada. Tomado de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. Cuarta Edición. EUA. Books Cole.

En la siguiente reacción, fosfoglucosa isomerasa cataliza la isomerización de la glucosa-6-fosfato a fructosa-6-fosfato. Este tipo de reacción es común en el metabolismo, el desplazamiento del carbono carbonilo, del C1 al C2, es importante porque crea un alcohol primario, que puede ser fosforilado más fácilmente, que el hemiacetal de la G-6-P.

Paso 2 de la glucólisis.

El paso 3, la fosforilación posterior de la fructosa-6-fosfato para formar fructosa-1,6-bisfosfato es catalizada por la fosfofructoquinasa, que requiere iones de magnesio para su actividad. ATP es de nuevo el donador de fosfato.

Paso 3 de la glucólisis.

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Paso 4, la fructosa 1,6-bisfosfato se enzimáticamente rota por la aldolasa para formar dos triosa-fosfatos: dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y gliceraldehído 3-fosfato (G-3-P).

Paso 5, la Isomerización de dihidroxiacetona fosfato en una segunda molécula de gliceraldehído-3-fosfato es el paso final en la fase I. La enzima que cataliza esta reacción es la triosa fosfato isomerasa. En los pasos 4 y 5, la aldolasa y la triosa fosfato isomerasa transforma efecientemente una molécula de fructosa 1,6-bisfosfato en dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato. Por lo tanto, la fase I de la glicólisis requiere energía en forma de dos moléculas de ATP y sin libera energía.

Finalización de Fase I, paso 5 de la glucólisis.

Fase II: En la etapa inicial de la fase II, gliceraldehído-3-fosfato es oxidado y fosforilado en una reacción catalizada por la deshidrogenasa de gliceraldehído-3-fosfato, una enzima que requiere la nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) como agente oxidante y fosfato inorgánico como el donador de fosfato. En la reacción, NAD+ se reduce a nicotinamida adenina dinucleótido reducida (NADH), y el 1,3-difosfoglicerato (DPG) es formado.

Paso 6 de la glucólisis

Gliceraldehido-3- fosfato (G-3-P) 1,3-bisfosfogicerato

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El BPG tiene un enlace fosfato de alta energía, grupo fosfato en el C1. Este grupo fosfato se transfiere directamente a una molécula de ADP, formando ATP y 3-fosfoglicerato. La enzima que cataliza la reacción es la fosfogliceratoquinasa, que, como todas las otras quinasas, requiere iones magnesio para funcionar. Esta es la primera reacción que genera ATP en la vía. Debido a que el ATP está formado por la transferencia directa de un grupo fosfato desde de un metabolito al ADP, es conocido como fosforilación a nivel de sustrato.

Paso productor de ATP

En la siguiente reacción, el grupo fosfato en del 3-fosfoglicerato es transferido desde el C3 al C2, formando 2-fosfoglicerato en una reacción catalizada por fosfogliceratomutasa.

Una reacción de deshidratación, catalizada por una enolasa, forma el fosfoenolpiruvato (PEP), otro compuesto que posee un grupo fosfato de alta energía.

El paso final de la glucólisis es irreversible y es la segunda reacción en la que se produce la fosforilación a nivel de sustrato. El grupo fosfato de PEP se transfiere a ADP, una molécula de ATP se produce a partir de la molécula de PEP. La reacción es catalizada por la piruvatoquinasa, esta enzima requiere tanto iones de magnesio y de potasio para ser activa.

1,3-bisfosfogicerato 3-fosfogicerato

3-fosfogicerato 2-fosfogicerato

Fosfoenolpiruvato

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Fase II, paso final de la glucólisis.

▪ Destinos del Priruvato

La presencia o ausencia de oxígeno determina los destinos de la piruvato y el NADH producido en la glucólisis. Cuando hay mucho oxígeno disponible, el piruvato es completamente oxidado a dióxido de carbono (CO2), con la liberación de mayor cantidad de ATP a través de la acción combinada del ciclo del ácido cítrico, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.

Sin embargo, en ausencia de oxígeno (es decir, en condiciones anaeróbicas), el destino del piruvato es distinto en diferentes organismos. En los vertebrados, el piruvato se convierte en lactato, mientras que otros organismos, tales como levaduras, el piruvato es transformado a etanol y dióxido de carbono. Estos posibles destinos de piruvato se resumen en la figura 3. La conversión a lactato o etanol en condiciones anaeróbicas permite la reoxidación del NADH a NAD+ en ausencia de oxígeno.

Figura 3. Destinos del Piruvato. Tomado de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. Cuarta Edición. EUA. Books Cole.

Fosfoenolpiruvato Enolpiruvato Piruvato

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La mayor parte de ATP utilizado por muchas células para mantener la homeostasis se produce por la oxidación de piruvato en el ciclo de Krebs. Durante este proceso, nicotinamida adenina dinucleótido reducida (NADH) es oxidada, y la dinucleótido de flavina adenina (FADH2) es reucida. El NADH y FADH2 se utilizan principalmente para conducir la fosforilación oxidaría mitocondrial, un proceso responsable de convertir el potencial de reducción de NADH y FADH2 en ATP. El destino del piruvato depende de la cantidad de energía celular existente. Cuando la carga de energía es alta, el piruvato es dirigido hacia la gluconeogénesis. Sin embargo, cuando la carga de energía es baja, el piruvato se oxida preferentemente a CO2 y H2O en el ciclo de Kreb´s, generando15 equivalentes de ATP por molécula de piruvato. Dependiendo de la carga de energía existente el piruvato se encuentra con dos enzimas que lo metabolizan: la piruvato carboxilasa (enzima de la gluconeogénesis) y piruvato deshidrogenasa (enzima que permite conectar la vía glicolitica con el ciclo de Kreb´s).

4. Ciclo de Krebs Bajo condiciones aeróbicas, el piruvato generado en la glucólisis se convierte en acetil-coenzima A (acetil-CoA) por acción de la piruvato deshidrogenasa y se oxida a CO2 y H2O en el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) (también llamado el ciclo del ácido cítrico o Ciclo de krebs ya que fue descubierto por Hans Krebs, fig. 4). Los electrones liberados por este proceso oxidativo son pasado a través de NADH y FADH2 a través de un elaborado, transporte de electrones asociado a la membrana, hasta el O2, el aceptador final de electrones. La transferencia de electrones se acopla a creación de un gradiente de protones a través de la membrana. Tal gradiente representa una estado energizado, y la energía almacenada en este gradiente se utiliza para conducir la síntesis de muchos equivalentes de ATP, ver En organismos aeróbicos, la glucosa y otras azucares, los ácidos grasos y algunos aminoácidos son oxidados hasta a CO2 y H2O vía el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones. Antes de entrar al ciclo, los esqueletos carbonados de las azucares y ácidos grasos son degradados al grupo acetil de la acetilCoA. Muchos aminoácidos también entran al ciclo, aunque son degradados a otros intermediarios del ciclo.

Figura 4. Hans Krebs (1900-1981). Krebs fue galardonado con el Premio Nobel en Medicina en 1953 por su descubrimiento del ciclo del ácido cítrico.

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Figura 5. Etapas en la respiración celular. a) oxidación de la glucosa a piruvato en la glicolisis. b) El ciclo de ácido cítrico. c) Electrones liberados en b) fluyen a través de la cadena de transporte de electrones y conducen a la síntesis de ATP, en la fosforilación oxidativa. Tomado de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. Cuarta Edición. EUA. Books Cole.

▪ Etapas de Ciclo de Krebs

A primera vista, el ciclo del ácido cítrico parece bastante complejo (Figura 6). Todas las reacciones, sin embargo, son ya conocidas de la química orgánica: hidratación, oxidación, descarboxilación e hidrólisis. Cada intermedio en el ciclo es un ácido carboxílico, existente como un anión a pH fisiológico. Todas las reacciones se producen dentro de las mitocondrias, que son pequeños orgánulos dentro de las células de plantas y animales. En la primera reacción del ciclo, la acetil-CoA entra en el ciclo del ácido cítrico, y el grupo acetilo se transfiere a oxaloacetato, produciendo citrato, por acción de la enzima citrato sintasa. Tenga en cuenta que este paso se libera coenzima A.

En el paso 2, la aconitasa cataliza la isomerización del citrato a isocitrato. En esta reacción, un alcohol terciario, que no puede ser oxidado, se convierte en un alcohol secundario, que puede oxidarse en el siguiente paso.

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Figura 6. El Ciclo de Krebs. Tomado de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. 4th Edición. EUA. Books Cole.

Si seguimos la figura 6, en el paso 3, Isocitrato a continuación, se somete a una reacción conocida como descarboxilación oxid ciclo de Kereb´s 0ativa debido a que el alcohol se oxida y la molécula se acorta en un átomo de carbono con la liberación de dióxido de carbono (descarboxilación). La reacción es catalizada por la isocitrato deshidrogenasa, y el producto de la reacción es α-cetoglutarato. En esta reacción se reduce la coenzima nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) a NADH. El NADH es en última instancia reoxidado en la cadena de transporte de electrones, y la energía liberada se utiliza en la síntesis de ATP, como veremos más adelante. El cuarto paso es otra descarboxilación oxidativa. Esta vez α-cetoglutarato se convierte a succinil-CoA, y otra molécula de NAD+ se reduce a NADH. El complejo deshidrogenasa α-cetoglutarato cataliza esta reacción. Esta es la única reacción irreversible en el ciclo del ácido cítrico.

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En el quinto paso de reacción, la energía liberada por la hidrólisis del tioéstero, un enlace de alta energía en el succinil-CoA se utiliza para formar el trifosfato de guanosina (GTP) desde difosfato de guanosina (GDP) y fosfato inorgánico en una reacción catalizada por la succinil-CoA sintetasa. Este paso es la única reacción en el ciclo del ácido cítrico que se forma directamente un compuesto de fosfato de alta energía. GTP puede transferir fácilmente su grupo fosfato terminal al difosfato de adenosina (ADP) para generar ATP en presencia de difosfoquinasa nucleósido.

La Succinato deshidrogenasa cataliza entonces la reacción 6, eliminación de dos átomos de hidrógeno de succinato, formando fumarato. Esta reacción de oxidación-reducción utiliza flavina adenina dinucleótido (FAD), en lugar de NAD+, como agente oxidante. La Succinato deshidrogenasa es la única enzima del ciclo del ácido cítrico que se encuentra dentro de la membrana interna de la mitocondrial. Más adelante veremos la importancia de esto.

En la siguiente etapa, se añade una molécula de agua al doble enlace del fumarato para formar L-malato en una reacción catalizada por fumarase. Una vuelta completa al ciclo se lleva acabo con la oxidación de L-malato a oxalacetato, catalizada por la malato deshidrogenasa. Esta es la tercera reacción de oxidación-reducción que utiliza NAD+ como agente oxidante. El oxaloacetato puede aceptar un grupo acetilo de la acetil-CoA, lo que permite que el ciclo comience de nuevo.

5. Cadena de transporte de electrones

La respiración celular se puede definir como el proceso por el cual las células oxidan moléculas orgánicas en presencia de oxígeno gaseoso para producir dióxido de carbono, agua y energía en forma de ATP. Hemos visto que dos átomos de carbono entran en el ciclo del ácido cítrico a partir de acetil-CoA (paso 1), y la formación del dióxido de carbono (pasos 3 y 4). Sin embargo, en ninguna parte de nuestra discusión sobre el ciclo del ácido cítrico tenemos indicado cómo se utiliza oxígeno. Recordemos, sin embargo, que en los cuatro pasos de oxidación-reducción que se producen en el ciclo del ácido cítrico, la coenzima NAD+ o FAD se reduce a NADH o FADH2, respectivamente. El oxígeno es necesario para oxidar estas coenzimas. Recordemos, también, que muy poco ATP se obtiene directamente del ciclo del ácido cítrico. En cambio, la participación de oxígeno y producción significativa ATP se producen con

posterioridad al ciclo del ácido cítrico, en dos vías que están estrechamente vinculados: el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa (ver Fig. 5). Todas las enzimas y coenzimas para el ciclo del ácido cítrico, la reoxidación del NADH y FADH2, y la producción de ATP se llevan a cabo en las mitocondrias, que son pequeños orgánulos con membranas dobles, a menudo llamadas la "central energética" de la célula (Figura 7). Una célula puede contener 100-5,000 mitocondrias, dependiendo de su función, y las mitocondrias puede reproducirse a sí mismos si los requisitos de energía son aumentados en la célula.

Figura 7. Estructura interna de la mitocondria.

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La figura 7 muestra dos membranas en la mitocondria: externa e interna. La membrana interna se pliega ampliamente en una serie de pliegues internos llamados crestas. Es decir, hay dos compartimentos en las mitocondrias: el espacio intermembrana, que se encuentra entre las membranas, y la matriz, que se encuentra dentro de la membrana interna. La membrana externa es permeable, mientras que la membrana interior es impermeable a la mayoría de moléculas e iones, aunque el dióxido de carbono, agua y oxígeno puede penetrar libremente ambas membranas. La matriz contiene todas las enzimas del ciclo del ácido cítrico con la excepción de la succinato deshidrogenasa, que está incrustada en la membrana interna. Las enzimas que se necesitan para la reoxidación del NADH y FADH2 y la producción de ATP también se encuentran en la membrana interna. Están dispuestos en posiciones específicas de modo que funcionan de una manera análoga a varias máquinas integradas en secuencia. Esta secuencia altamente organizada de enzimas de oxidación-reducción se conoce como la cadena de transporte de electrones (o de la cadena respiratoria).

En la Figura 8, ilustra la organización de la cadena de transporte de electrones. Los componentes de la cadena están organizados en cuatro complejos designados como: I, II, III, y IV. Cada complejo contiene varias enzimas, proteínas, y otros iones metálicos. Los iones metálicos se pueden reducir y luego oxidar repetidamente como electrones, y los electrones pasan de un componente a la siguiente. Recuerde que un compuesto se reduce cuando gana electrones o átomos de hidrógeno y se oxida cuando pierde electrones o átomos de hidrógeno.

Los electrones pueden entrar en la cadena de transporte de electrones a través de cualquiera de los complejos I o II. Los electrones que entran en el complejo I. Estos electrones provienen de NADH, que se forma en tres reacciones del ciclo del ácido cítrico. Los electrones de FADH2, formados en la etapa 6 del ciclo del ácido cítrico, entran en la cadena de transporte de electrones a través de complejo II. Succinato deshidrogenasa, la enzima en el ciclo del ácido cítrico que cataliza la formación de FADH2 a partir de FAD, es parte del complejo II. Los electrones de FADH2 se transfieren entonces a una proteína de hierro y azufre, Fe-S.

Figura 8. Cadena de transporte de electrones y ATPasa sintasa. Tomado de Nelson, D. L.; Cox, M. M. (2012). Bioquímica Lehninger: Principios de Bioquímica. 6° Edición. New York. Freeman.

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Los electrones de los complejos I y II se transfieren después de la proteína de Fe-S a coenzima Q (CoQ), un transportador de electrones, que actúa como transporte de electrones entre los complejos I o II y el complejo III. La coenzima Q, también es llamada ubiquinona, y tiene la capacidad de difundirse a través de bicapa de lípidos de la membrana. Complejos III y IV incluyen varias proteínas que contienen hierro, conocidos como los citocromos. El hierro de estas enzimas se encuentra en una subestructura conocida como porfirina de hierro (Figura 9). Al igual que los centros de Fe-S, el rasgo característico de los citocromos es la capacidad de sus átomos de hierro de existir como Fe (II) o Fe (III). Así, cada citocromo en su forma oxidada-Fe (III): puede aceptar un electrón y reducirse a la forma Fe (II). Este cambio en el estado de oxidación es reversible, por lo que la forma reducida puede donar su electrón a la siguiente citocromo, y así sucesivamente. El Complejo III contiene citocromos b y c, así como proteínas de Fe-S, el citocromo c actúa como transporte de electrones entre el complejo III y IV. El Complejo IV contiene un citocromo y a3 en una enzima conocida como citocromo oxidasa. Esta enzima tiene la capacidad de transferir electrones al oxígeno molecular, el último aceptor de electrones en la cadena de transporte de electrones. En este último paso, se forma agua (H2O).

6. Mecanismo de la Fosforilación Oxidativa Cada coenzima y compuesto en la cadena de transporte de electrones se reduce por la adición de uno o dos electrones en una reacción y posteriormente es restaurado a su forma original mediante la entrega de electrones al siguiente compuesto a lo largo de la cadena. Las transferencias sucesivas de electrones permite la producción de energía. Pero, ¿cómo se utiliza esta energía para la síntesis de ATP? El proceso que vincula la síntesis de ATP. El

transporte de electrones está estrechamente unido a la fosforilación oxidativa. Las coenzimas NADH y FADH2 se oxidan por la cadena respiratoria y el ADP es fosforilada a ATP. El modelo actualmente aceptado que explica cómo estos dos procesos están vinculados que se conoce como la hipótesis quimiosmótica, que fue propuesto por Peter Mitchell, galardonado con el Premio Nobel en Química en 1978. La Figura 8, muestra que a medida que los electrones se transfieren a través de la

cadena de transporte de electrones, los iones hidrógeno (H+) son transportados cruzando la membrana interna desde la matriz de la mitocondria al espacio intermembrana. La concentración de H+ es superior en el espacio intermembrana a comparación de la matriz, esto requiere energía para transportar iones H +. Esta energía proviene de las reacciones de oxidación-reducción en la cadena de transporte de electrones. Pero, ¿cómo, la extrema diferencia en la concentración de H+ dar lugar a la síntesis de ATP? La acumulación de iones H+ en el espacio intermembrana genera un gradiente de iones H+ que es una

Figura 9. Porfirina de hierro encontrada en los Citocromos C.

Tomado de Nelson, D. L.; Cox, M. M. (2012). Bioquímica Lehninger:

Principios de Bioquímica. 6° Edición. New York. Freeman.

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gran fuente de energía, como el agua detrás de una presa. La investigación actual indica que el flujo de H + por este gradiente de concentración a través de un quinto complejo, la enzima conocida como ATP sintasa (Figura 10), este flujo conduce a un cambio en la estructura de la sintasa, haciendo que la síntesis y liberación de ATP sea posible. Las células que utilizan energía, el volumen de producción de ATP es muy alta, por lo que estas células contienen altos niveles de ADP. Por tanto, deben consumir grandes cantidades de oxígeno de forma continua, de manera que tenga la energía necesaria para fosforilar ADP para formar ATP.

7. Gluconeogénesis La gluconeogénesis es el proceso metabólico por el cual los organismos producen azúcares (es decir, glucosa) a partir de precursores no carbohidratos. La glucosa es la única fuente de energía utilizada por el cerebro (con la excepción de cuerpos cetónicos en momentos de ayuno), testículos, eritrocitos y médula renal. En los mamíferos la gluconeogénesis se produce en el hígado y los riñones.

Figura 10. ATPasa sintasa de la Escherichia coli.

Esta ruta metabólica es importante porque el cerebro depende de la glucosa como combustible primario y las células rojas de la sangre sólo utilizan la glucosa como combustible. El requisito diario de glucosa en el cerebro de un ser humano adulto típico es de aproximadamente 120 g, que representa el requerimiento diario de 160 g de glucosa. La cantidad de glucosa presente en fluidos corporales es de aproximadamente 20 g, y que fácilmente puede obtenerse desde el glucógeno (llamado también almidón animal), una forma de almacenamiento de la glucosa, esta fuente de almacenamiento puede

Membrana Interna de la

mitocondria

Espacio intermembrana (Región P)

Citoplasma

Iones entrando al Canal protónico

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proveer aproximadamente 180 a 190 g. Por lo tanto, las reservas directas de glucosa son suficientes para satisfacer las necesidades de glucosa durante un día aproximadamente. Durante un período de inanición, la glucosa se debe formar a partir de fuentes no-carbohidratos. La vía de la gluconeogénesis convierte piruvato en glucosa. Precursores no-carbohidratos de glucosa se convierten primero en piruvato o entran como intermedios, oxaloacetato y dihidroxiacetona fosfato. Los principales precursores no-carbohidratos son el lactato, aminoácidos y glicerol. El lactato se forma en el músculo esquelético durante el ejercicio. El lactato se convierte fácilmente en piruvato por la acción de la lactato deshidrogenasa. Los aminoácidos se derivan de proteínas en dieta y, durante la inanición, de la descomposición de proteínas en el músculo esquelético. La hidrólisis de los triglicéridos en las células de grasa produce glicerol y ácidos grasos. El glicerol es un precursor de la glucosa, pero los animales no pueden convertir los ácidos grasos en glucosa. El glicerol puede entrar ya sea a la gluconeogénesis o la vía glucolítica como dihidroxiacetona fosfato, ver figura 11.

Figura 11. Gluconeogénesis desde el glicerol. El glicerol 3-fosfato se puede ser oxidado por la glicerol 3-fosfato deshidrogenasa en la membrana mitocondrial. Tomado de Horton, H.; Morán, L. A.; Scrimgeour, K. (2008). Principios de Bioquímica. Cuarta Edición. México. Pearson Education.

El sitio principal de la gluconeogénesis es el hígado, aunque una pequeña cantidad tiene lugar también en el riñón. Poca gluconeogénesis tiene lugar en el cerebro, músculo esquelético, o músculo del corazón. Más bien, la gluconeogénesis en el hígado y el riñón ayuda a mantener el nivel de glucosa en la sangre de modo que el cerebro y el músculo pueden extraer suficiente glucosa de ella para satisfacer sus demandas metabólicas. La gluconeogénesis no es una glucólisis inversa. En la glucólisis, la glucosa se convierte en piruvato; en la gluconeogénesis, el piruvato se convierte en glucosa. Sin embargo, la gluconeogénesis no es una inversión de la glucólisis. En cierto modo, la gluconeogénesis es el inverso, o antítesis, de la glucólisis.

Glucosa se sintetiza, no se cataboliza; ATP se consume, no se produce; y NADH se oxida a NAD, en lugar de suceder lo contrario.

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Sin embargo, la gluconeogénesis no puede ser meramente la versión inversa de la glucólisis, por dos

razones. En primer lugar, la glucólisis es exergónica, con un G°´ de aproximadamente -74 kJ / mol. Si gluconeogénesis fuera meramente la inversa, sería un proceso fuertemente endergónico y no podía ocurrir espontáneamente. En segundo lugar, los procesos de la glucólisis y gluconeogénesis se debe regular de manera recíproca para que cuando la glucólisis se active, se inhiba la gluconeogénesis, y cuando la gluconeogénesis está activa, la glucólisis está apagada. Ambas limitaciones se superan por tener reacciones únicas dentro de las rutas de la glucólisis y la gluconeogénesis, en lugar de una forma vía completamente compartida. La vía completa de la gluconeogénesis se muestra en la figura 12. La gluconeogénesis emplea cuatro reacciones diferentes, catalizadas por cuatro enzimas diferentes, para los tres pasos de la glucólisis que son altamente exergónico (y altamente regulado). En esencia, siete de los diez pasos de la glucólisis son meramente invertidos en la gluconeogénesis. Las seis reacciones entre la fructosa-1,6-bisfosfato y el fosfoenol piruvato (PEP) son compartidos por las dos vías, así como la isomerización de la glucosa-6-P a fructosa-6-P. Las tres reacciones exergónicas restantes son reguladas, en ellas participan la hexoquinasa (glucoquinasa), fosfofructoquinasa, y las reacciones de la piruvato quinasa, estas son reemplazadas por cuatro reacciones alternativas en la vía de la gluconeogénesis. La gluconeogénesis es un proceso regulado. Casi todas las reacciones de la glucólisis y la gluconeogénesis tienen lugar en el citosol. Si el control metabólico no se ejerce sobre estas reacciones, la degradación glucolítica de la glucosa y la síntesis de glucosa gluconeogénesica podría funcionar simultáneamente, sin beneficio neto para la célula y con un consumo considerable de ATP. Esto se evita mediante un sofisticado sistema de control recíproco, que inhibe la glicólisis cuando la gluconeogénesis está activa, y viceversa. La Regulación recíproca de estas dos vías depende en gran medida del estado energético de la célula. Cuando el estado de energía en la célula es baja, la glucosa se degrada rápidamente para producir la energía necesaria. Cuando el estado de energía es alto, el piruvato y otros metabolitos se utilizan para la síntesis de (y de almacenamiento) de glucosa. Por otra parte, cuando los niveles de glucosa en la sangre son bajos, la gluconeogénesis está activa. En la glucólisis, las tres enzimas reguladas son aquellos que cataliza las reacciones exergónicas: hexoquinasa (glucoquinasa), fosfofructoquinasa, y piruvato quinasa. Como se ha señalado, la vía de la gluconeogénesis reemplaza estas tres reacciones con cuatro reacciones que son exergónica para la síntesis de glucosa: glucosa-6-fosfatasa, fructosa-1, 6-bisfosfatasa y el par Piruvato carboxylasa-PEP carboxiquinasa, respectivamente. Estos son los tres sitios más apropiados de la regulación de la gluconeogénesis.

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Figura 12. Las vías de la gluconeogénesis y glucólisis. Especies en color azul, verde y melocotón cuadros sombreados indican otros puntos de entrada para la gluconeogénesis (además de piruvato). Tomada de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. 4th Edición. EUA. Books Cole.

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8. La ruta de las pentosas fosfato Otra vía del catabolismo de la glucosa, es la vía de la pentosa fosfato (figura 13), es la principal fuente de NADPH, la coenzima reducida esencial para la mayoría de los procesos de biosíntesis.

Figura 13. La vía de la pentosa fosfato. Tomado de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. 4th Edición. EUA. Books Cole.

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Por ejemplo, NADPH es crucial para la biosíntesis de ácidos grasos y aminoácidos. La vía de la pentosa fosfato también resulta en la producción de ribosa-5-fosfato, un componente esencial del ATP, NAD+, FAD, coenzima A, y particularmente ADN y ARN. La vía de la pentosa fosfato llamada también ruta del fosfoglucanato o derivación de la hexosa monofosfato. Además de proporcionar NADPH para los procesos de biosíntesis, esta vía produce ribosa-5-fosfato, que es esencial para el ácido nucleico síntesis. Varios metabolitos de la vía de las pentosas fosfato también pueden ser transportados en la glucólisis. La vía del fosfato pentosa comienza con la glucosa-6-fosfato, un azúcar de seis carbonos, y produce azucares de tres, cuatro, cinco, seis, siete carbonos (Figura 13). En esta vía, dos oxidaciones sucesivas conducen a la reducción de NADP+ desde NADPH y la liberación de CO2. Cinco subsiguientes pasos no oxidativos producen una variedad de hidratos de carbono, algunos de los cuales pueden entrar en la vía glucolítica. Las enzimas de la vía de la pentosa fosfato son particularmente abundantes en el citoplasma de las células del hígado y células adiposas. Estas enzimas están en gran medida ausente en el músculo, donde la glucosa-6-fosfato se utiliza principalmente para la producción de energía a través de la glucólisis y el ciclo TCA. Estas enzimas se encuentran en el citosol, que es el sitio de síntesis de ácidos grasos, una vía es fuertemente dependiente del NADPH para las reacciones reductivas.

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Metabolismo de lípidos

1. Introducción al metabolismo de lípidos

La digestión de lípidos comienza en la parte superior del intestino delgado (figura 1). Una hormona secretada en esta región estimula la vesícula biliar para descargar la bilis hacia el duodeno. Los principales constituyentes de la bilis son las sales biliares, que trabajan como emulsificantes de lípidos insolubles en agua, lo que altera algunas interacciones hidrofóbicas que mantienen juntas a las moléculas lipídicas y resulta en la formación pequeñas micelas en el medio acuoso digestivo. Estos cambios aumentan en gran medida la superficie de contacto de las partículas de lípidos, lo que permite un contacto más íntimo con las lipasas y por lo tanto la rápida digestión de las grasas. Otra hormona promueve la secreción de jugo pancreático, que contiene estas enzimas. Las lipasas en el jugo pancreático catalizan la digestión de los triglicéridos primero a diglicéridos y luego a monoglicéridos y ácidos grasos:

2. La -Oxidación de ácidos grasos Al igual que la glucosa, los ácidos grasos liberados en la digestión de los triglicéridos y otros lípidos se descomponen en una serie de reacciones secuenciales acompañado de la liberación gradual de energía utilizable. Algunas de estas reacciones son oxidaciones y requieren de nicotinamida adenin dinucleótido (NAD+) y flavin adenin dinucleótido (FAD). Las enzimas que participan en el catabolismo de ácidos grasos se encuentran en las mitocondrias, junto con las enzimas del ciclo del ácido cítrico, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. Esta localización de las enzimas en la mitocondria es la de mayor importancia, ya que facilita la utilización eficiente de la energía almacenada en ácidos grasos y otras moléculas. La Oxidación de ácidos grasos se inicia en la membrana mitocondrial externa. Allí, los ácidos grasos, al igual que los hidratos de carbono son relativamente inertes, primero se debe activar el ácido graso por medio transformándolo en un derivado de la coenzima Q, rico en energía, llamado acil-coenzima A (CoA), figura 2. La activación es catalizada por la acil-CoA sintetasa. Por cada molécula de ácido graso activado, se utilizan una molécula de la coenzima A y una molécula de trifosfato de adenosina (ATP), que equivale a la utilización neta de dos enlaces de alta energía en una molécula de ATP (por lo tanto, ATP se convierte en monofosfato de adenosina [AMP] en lugar de difosfato de adenosina [ADP]):

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Figura 1. Digestión de triacilgliceroles. El conducto pancreático segrega fluidos digestivos en el duodeno, la primera porción del intestino delgado. La hidrólisis de triacilgliceroles por las lipasas pancreáticas e intestinales. Lipasas pancreáticas rompen los ácidos grasos en las posiciones C-1 y C-3. Resultando monoacilgliceroles con ácidos grasos en C-2 que se hidrolizan por la lipasa intestinal. Los ácidos grasos y monoacilgliceroles se absorben a través de la pared intestinal y son almacenados en lipoproteínas denominadas quilomicrones Nelson, D. L.; Cox, M. M. (2012). Bioquímica Lehninger: Principios de Bioquímica. 6th Edición. New York. Freeman.

Figura 2. El mecanismo de la reacción de acil-CoA sintetasa. Tomado de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. 4th Edición. EUA. Books Cole.

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La acilgraso-CoA se difunde en la membrana mitocondrial interna, donde se combina con una molécula portadora conocida como carnitina en una reacción catalizada por la enzima carnitina aciltransferasa. El derivado de acil-carnitina se transporta en la matriz mitocondrial y convierte de nuevo a la acil-CoA, figura 3.

Figura 3. La formación de acilcarnitina y su transporte a través de la membrana mitocondrial interna. Tomado de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. 4th Edición. EUA. Books Cole.

▪ Ácidos grasos de cadena par Las reacciones de oxidación de la acil-CoA se produce en la matriz mitocondrial a través de una secuencia de cuatro reacciones conocidas colectivamente como β-oxidación debido a que el carbono β es oxidado sucesivamente y posterior eliminación de dos átomos de carbono desde el extremo carboxilo de la acil graso CoA (Figura 4). El primer paso del catabolismo de los ácidos grasos es la formación de un alqueno por una reacción de oxidación catalizada por la acil-CoA deshidrogenasa. En esta reacción, la coenzima FAD acepta dos átomos de hidrógeno desde el acil-CoA, uno del carbono-α y uno del carbono-β, transformando el FAD en flavinadenindinucleótido reducido (FADH2).

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Figura 4. La formación de acilcarnitina y su transporte a través de la membrana mitocondrial interna. Tomado de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. 4th Edición. EUA. Books Cole.

El segundo paso, el trans-alqueno se hidrata para formar un alcohol secundario en una reacción catalizada por la enoil-CoA hidratasa. Está enzima sólo acepta sustratos L-isómero. En el tercer paso el alcohol secundario se oxida a una cetona por acción de la β-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa, el NAD+ actúa como el agente oxidante. La reoxidación de cada molécula de NADH a NAD+ se lleva a cabo en la cadena de transporte de electrones. El cuarto paso, la reacción final es el corte de la β-cetoacil-CoA. Los productos de este corte son acetil-CoA y una acil-CoA que ha sido acortada dos átomos de carbono. La reacción es catalizada por la tiolasa. El acilgraso-CoA acortado es entonces degradada por repeticiones de estos cuatro pasos, y cada vez con la liberación de una molécula de acetil-CoA. El destino de la acetil-CoA obtenida a partir de la oxidación de ácidos grasos depende de las necesidades del organismo. Puede entrar en el ciclo del ácido cítrico y ser oxidados para producir energía, puede ser utilizado para la formación de derivados

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solubles en agua conocidos como cuerpos cetónicos, o puede servir como material de partida para la síntesis de nuevos ácidos grasos. ▪ Ácidos grasos de cadena impar La mayoría de los ácidos grasos tienen un número par de átomos de carbono. Los ácidos grasos de cadena impar se sintetizan por bacterias y por algunos otros organismos. Los ácidos grasos de cadena impar se oxidan por la misma secuencia de reacciones que ácidos grasos de cadena par excepto que el producto del rompimiento tiolítico final es propionil CoA (CoA con un grupo acilo de 3C) en lugar de acetil-CoA (CoA con un grupo acilo de 2C). En los mamíferos, el propionil CoA se puede convertir a succinil-CoA en una vía de tres pasos (figura 5). La molécula de succinil-CoA formado por la acción de la metilmalonil-CoA mutasa es metabolizado a oxalacetato. Un sustrato para la gluconeogénesis.

Figura 5. Conversión del propionil-CoA a succinil-CoA. Tomado de Horton, H.; Morán, L. A.; Scrimgeour, K. (2008). Principios de Bioquímica. Cuarta Edición. México. Pearson Education.

▪ Generación de ATP y Oxidación de ácidos grasos

La cantidad de ATP obtenido a partir de la -oxidación de ácidos grasos depende del tamaño del ácido graso que se oxida. Para nuestros propósitos: Estudiaremos el ácido palmítico, un ácido graso saturado de 16 átomos de carbono, un ácido graso típico en la dieta humana. El cálculo de su rendimiento de energía proporciona un modelo para determinar el rendimiento de ATP de todos los otros ácidos grasos. El desglose para un 1 mol de ácido palmítico requiere 1 mol de ATP (para la activación) y forma 8 moles de acetil-CoA. La degradación completa de 1 mol de ácido palmítico requiere que las reacciones de la β-oxidación se repitan siete veces. Por lo tanto, 7 moles de NADH y 7 mol de FADH2 se producen. Si la acetil-CoA se dirige completamente al ciclo TCA en la mitocondria, eventualmente se genera aproximadamente diez enlaces fosfato de alta energía, diez moléculas de ATP sintetizadas a partir de ADP (Tabla 1).

Incluyendo el ATP formado a partir de FADH2 y NADH, completa la -oxidación de una molécula de palmitil-CoA en la mitocondria produce 108 moléculas de ATP. Restando los dos enlaces de alta energía

necesarios para formar el palmitil-CoA, activar el sustrato para la -oxidación, se concluye que -

oxidación de una molécula de ácido palmítico produce 106 moléculas de ATP. El G°´ para la combustión completa del palmitato a CO2 es de - 9790 kJ / mol. La oxidación es un reflejo del estado altamente reducido de los átomos de carbono en los ácidos grasos. Las azúcares, con los carbonos ya está oxidados parcialmente, producen menos energía, que la que producen los ácidos grasos.

Tabla 1. Ecuación para la completa oxidación del Palmitil-CoA a CO2 y H2O.

Ecuación ATP G°´

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3. Metabolismo de cuerpos cetónicos En el hígado, la mayor parte de la acetil-CoA obtenida a partir de la oxidación de los ácidos grasos se oxida a través del ciclo del ácido cítrico. Sin embargo, algunas unidades de la acetil-CoA se utiliza para sintetizar un grupo de compuestos conocidos como cuerpos cetónicos: acetoacetato, β-hidroxibutirato y acetona. Dos moléculas de acetil-CoA se combinan, en la etapa final de la β-oxidación, para producir acetoacetil-CoA. La acetoacetil-CoA reacciona con otra molécula de acetil-CoA y agua para formar β-hidroxi-β-metilglutaril-CoA, que luego sufre una ruptura generando acetoacetato y acetil-CoA. La mayor parte del acetoacetato se reduce a β-hidroxibutirato, mientras que una pequeña cantidad se descarboxila a dióxido de carbono y acetona.

El acetoacetato y β-hidroxibutirato sintetizado por el hígado se liberan en la sangre para su uso como combustible metabólico (que se convierte de nuevo a acetil-CoA) por otros tejidos, particularmente el riñón y el corazón. Por lo tanto, durante una inanición prolongada, los cuerpos cetónicos proporcionan alrededor de 70% de los requerimientos de energía al cerebro. En condiciones normales, los riñones excretan aproximadamente 20 mg de cuerpos cetónicos cada día, y los niveles en sangre se mantienen alrededor de 1 mg de cuerpos cetónicos por 100 ml de sangre. En la inanición, la diabetes mellitus y otras condiciones fisiológicas en las que las células no reciben suficientes cantidades de hidratos de carbono, la tasa de oxidación de los ácidos grasos aumenta para proporcionar la energía necesaria. Esto conduce a un aumento en la concentración de acetil-CoA. El aumento de la acetil-CoA no puede ser oxidado por el ciclo del ácido cítrico debido a una disminución en la concentración de oxalacetato, que es desviado a la gluconeogénesis y sintetizar glucosa. En respuesta, la tasa de formación de cuerpos cetónicos en el hígado aumenta aún más, a un nivel mucho más alto del que puede ser utilizado por los tejidos. El exceso de cuerpos cetónicos se acumulan en la sangre y en la orina, una condición conocida como cetosis. Cuando la acetona en la sangre llega a los pulmones, su volatilidad hace que sea expulsado en el aliento. El dulce olor de acetona, es una característica de la cetosis, se nota con frecuencia en la respiración de los pacientes diabéticos graves. Debido a que dos de los tres tipos de cuerpos cetónicos son ácidos débiles, su presencia en la sangre en cantidades excesivas supera la capacidad amortiguadora de los tampones de la sangre y causa una marcada disminución en el pH de la sangre (6,9 a partir de un valor normal de 7,4). Esta disminución en el pH conduce a una condición seria conocida como acidosis. Uno de los efectos de la acidosis es una disminución en la capacidad de la hemoglobina para transportar oxígeno en la sangre. En una condición moderada a severa de acidosis, la respiración se hace forzada y muy dolorosa. El cuerpo

Costo energético para formar Palmitil-CoA desde Palmitato y CoA Total

-Hidroxiacetilbutirato Acetoacetato Acetona

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también pierde líquidos y se deshidrata, ya que los riñones intentan deshacerse de los ácidos mediante la eliminación de grandes cantidades de agua. El reducido suministro de oxígeno y la deshidratación; incluso en acidosis leves, conduce al letargo, pérdida de apetito, y una sensación general de deterioro. Los pacientes no tratados pueden entrar en coma. En ese momento, el tratamiento oportuno es necesario si la vida de la persona que se ve comprometida.

4. Biosíntesis de ácidos grasos Las grasas, en estos días, no son bien vistas. Pero no podemos sobrevivir sin grasas, y más en particular, sin ácidos grasos. Se utilizan para dos procesos esenciales en el cuerpo. En primer lugar, que se utilizan para construir lípidos que forman todas las membranas alrededor y dentro de las células. En segundo lugar, los ácidos grasos son una fuente concentrada de energía, es una forma compacta para almacenar energía hasta que se necesite. Pero como todos sabemos, si comemos demasiado, este exceso de grasa se puede ¡acumular! La construcción de las grasas se lleva a cabo a partir de cero. Obtenemos la mayor parte de los ácidos grasos de nuestra dieta, pero en las células también existen enzimas que pueden construir la mayoría de los ácidos grasos presentes en el organismo, si es necesario. La oxidación de las grasas implica la reducción de FADH+ y NAD+. La síntesis de grasas implica la oxidación de NADPH. Sin embargo, la química esencial de los dos procesos es una reversiones de uno al otro. Tanto la oxidación y la síntesis de las grasas utilizan un intermedio activado de dos carbonos, acetil-CoA. Los ácidos grasos se sintetizan mediante la adición repetida de unidades de dos carbonos al final de una cadena de hidrocarburo. La cadena en crecimiento se une covalentemente a la proteína portadora de acilo (ACP). El enlace es un tioéster como en la acetil-CoA. Una visión general de síntesis de ácidos grasos se muestra en la figura 6.

Figura 6. Noción general de la síntesis de ácidos grasos. Tomado de Horton, H.; Morán, L. A.; Scrimgeour, K. (2008). Principios de Bioquímica. 5th. México. Pearson Education, S.A.

Los primeros pasos en la ruta de síntesis de ácidos grasos es la producción de acetil-ACP y malonil- ACP desde acetil CoA. La etapa de iniciación implica la condensación de los grupos acetil y malonil para dar un precursor de cuatro carbonos y CO2. Esta molécula, llamada acetoacetil ACP, este precursor sirve como el cebador para la síntesis de ácidos grasos. En la etapa de elongación, el grupo acilo unido al ACP (Acilo-ACP) se agranda por dos unidades de carbonos donados por el malonil-ACP. El producto de la condensación inicial (3-cetoacil ACP) es modificado por dos reacciones de reducción y una reacción de deshidratación para producir un Acil-ACP, figura 7. Este sirve entonces como el sustrato para

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reacciones de condensación adicionales. La Síntesis de ácidos grasos tiene lugar en el citosol de todas las especies. En los mamíferos adultos ocurre en gran medida en las células del hígado y los adipocitos. La síntesis de algunos ácidos grasos tiene lugar en células especializadas tales como las glándulas mamarias durante la lactancia.

Figura 7. Esquema de reacciones de reducción al nuevo grupo ceto formado en cada condensación para elongar cadena de ácido graso.

5. Síntesis del colesterol El esteroide más prevalente en las células animales es el colesterol (Figura 7). Las plantas no contienen colesterol, pero contienen otros esteroides muy similares al colesterol en estructura (Figura 8). El colesterol sirve como un componente fundamental de las membranas celulares y como un precursor de los ácidos biliares (tales como colato, glicocolato, taurocolato) y hormonas esteroides (tales como la testosterona, estradiol, progesterona). Además, la vitamina D3 se deriva de 7-dehidrocolesterol, el precursor inmediato al colesterol. El hígado es el sitio primario de la biosíntesis de colesterol. Tanto el colesterol de la dieta y el que se sintetiza nuevo son transportados a través de la circulación por las lipoproteínas. Los ésteres del colesterol, es la forma en que el colesterol se almacena en las células. La síntesis y la utilización del colesterol deben ser reguladas rigurosamente con el fin de de evitar el exceso, acumulación y deposición anormal dentro del cuerpo. Por ejemplo: El depósito anormal de lipoproteínas ricas en colesterol en las arterias coronarias. Tal deposición, lleva eventualmente a la aterosclerosis, factor principal para las enfermedades de las arterias coronarias.

Figura 8. Se muestran a) La estructura del colesterol, b)Fitoesteroles (esteroles encontrados en las plantas).

La ruta biosintética del colesterol comienza en el citosol con la síntesis de mevalonato a partir de acetil-CoA. Todos los átomos de carbono en el colesterol provienen del acetil CoA, un hecho que surgió tempranamente con los experimentos de marcaje usando radionúclidos. El escualeno, un hidrocarburo lineal C30, es un intermediario en la biosíntesis de la molécula de colesterol, 27-carbono. El escualeno se forma a partir de unidades de 5 carbonos relacionados con el isopreno. Las etapas en la ruta de biosíntesis del colesterol son:

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Acetato (C2) → Isoprenoide (C2) → Escualeno (C30) → Colesterol (C27)

Etapa 1: Acetato a Isopentenil Difosfato. El primer paso en la síntesis de colesterol es la condensación de Claisen secuencial de tres moléculas de acetil CoA. Estas etapas de condensación son catalizadas por la acetoacetil-CoA tiolasa y HMG-CoA sintasa. El producto, es el 3-hidroxi- 3-metilglutaril-CoA, que se abrevia HMG-CoA, y se reduce a mevalonato por una reacción catalizada por la HMG-CoA reductasa (Figura 9). Este es el primer paso comprometido en síntesis del colesterol, El mevalonato es convertido en el compuesto de 5 Carbonos, difosfato de isopentenil por dos fosforilaciones seguidas por una descarboxilación. La conversión de tres moléculas de acetil-CoA a difosfato de isopentenil requiere energía en forma de tres ATP y dos NADPH. Además de su papel en la biosíntesis del colesterol, el difosfato de isopentenilo es un importante donante de unidades de isoprenilo útiles en muchas otras reacciones de biosíntesis. Muchas especies de bacterias tienen una vía de mevalonato independiente completamente diferente para la síntesis de difosfato de isopentilo. Los precursores iniciales en esta vía son gliceraldehído-3-fosfato y piruvato, no acetil-CoA.

Figura 9. Biosíntesis del colesterol: Etapa 1 - Formación de Isopentenil difosfato. Tomado de Horton, H.; Morán, L. A.; Scrimgeour, K. (2008). Principios de Bioquímica. 5th Edición. México. Pearson Education.

Etapa 2: Isopentenil difosfato de escualeno. El Difosfato de isopentenilo se convierte en dimetilalilo difosfato por una isomerasa específica llamada isomerasa difosfato isopentenil (IDI). Los dos isómeros se

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unen entonces en una reacción de condensación cabeza-cola, catalizada por prenil transferasa (Figura 10). Los productos de esta reacción son una molécula de 10 Carbonos (difosfato de geranilo) y pirofosfato. Una segunda reacción de condensación, también catalizada por prenil transferasa, produce el intermedio importante, difosfato de farnesilo (C15). La condensación de unidades de isoprenilo produce un característico hidrocarburo ramificado con dobles enlaces regularmente espaciados en la posición de la ramificación. Dos moléculas de farnesil difosfato se unen en una reacción de condensación cabeza- cabeza para formar la molécula de escualeno (C30). El Pirofosfato, cuyas hidrólisis conduce el equilibrio de la reacción a la finalización de la reacción, se produce en tres pasos en la ruta de síntesis del escualeno (note que todos los dobles enlaces en escualeno son trans).

Figura 10. Biosíntesis del colesterol: Etapa 2 – Reacciones de condensación. Tomado de Horton, H.; Morán, L. A.; Scrimgeour, K. (2008). Principios de Bioquímica. 5th Edición. México. Pearson Education.

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Etapa 3: De escualeno a Colesterol. Los pasos entre el escualeno y el primer intermediario totalmente ciclado, el lanosterol, incluye la adición de un grupo hidroxilo seguido por una serie concertada de ciclaciones para formar un núcleo esteroidal de cuatro anillos (Figura 11). El Lanosterol se acumula en cantidades apreciables en las células donde se sintetiza activamente el colesterol. La conversión de lanosterol a colesterol se produce a través de dos vías, ambas implica muchos pasos.

Figura 11. Biosíntesis del colesterol: Etapa 3 – Escualeno a colesterol. La conversión de lanosterol a colesterol requiere hasta 20 pasos. Tomado de Horton, H.; Morán, L. A.; Scrimgeour, K. (2008). Principios de Bioquímica. 5th Edición. México. Pearson Education.

Figura 12. Otros productos del metabolismo del colesterol. Tomado de Horton, H.; Morán, L. A.; Scrimgeour, K. (2008). Principios de Bioquímica. 5th Edición. México. Pearson Education.

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Una multitud de isoprenoides se sintetizan a partir del colesterol o de sus precursores. Difosfato de isopentenilo, el precursor de C5 del escualeno, es el precursor de un gran número de otros productos, tales como quinonas; las vitaminas A, E, y K (vitaminas liposulobles); carotenoides; terpenos; las cadenas laterales de algunos grupos hemo de los citocromos; y la cadena lateral de la clorofila (figura 12) .Muchos de estos isoprenoides se forman en las bacterias, que no sintetizan colesterol. El colesterol es el precursor de las sales biliares, que facilitan la absorción intestinal de los lípidos; la vitamina D que

estimula la absorción en el intestino; las hormonas esteroidales como la testosterona y -estradiol que controlan las características sexuales. El producto principal de la síntesis de esteroides en los mamíferos es el colesterol, que modula la fluidez de la membrana y es un componente esencial de la membrana plasmática de las células animales.

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Compuestos nitrogenados, ácidos nucleicos y

biosíntesis de las proteínas

1. Introducción al metabolismo de los compuestos nitrogenados

Figura 1. Digestión de proteínas. Tomado de Nelson, D. L.; Cox, M. M. (2009). Bioquímica Lehninger: Principios de Bioquímica. 6th Edición. New York. Freeman.

El catabolismo de proteínas inicia con la degradación de proteínas endógenas, o de por la ingesta de proteínas en la dieta, después el rompimiento mecánico de la masticación y humedeciendo con saliva, los alimentos son mezclado con ácido clorhídrico en el estómago. El jugo gástrico es secretado por las glándulas que revisten el estómago. El pH del jugo gástrico recién secretado es de aproximadamente 1.0, pero el contenido del estómago puede elevar el pH entre 1.5 y 2.5. El HCl ayuda a desnaturalizar proteínas de los alimentos (recuerde el pH es un factor desnaturalizante de proteínas); es decir, destruye el plegamiento de

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las moléculas de proteína para exponer sus cadenas y hacer más eficiente la acción de las enzimas. El ácido desnaturaliza las proteínas y la pepsina (una proteasa que funciona de manera óptima en un medio ácido) cataliza hidrólisis de las proteínas desnaturalizadas a una mezcla de péptidos. La digestión de proteínas se completa en el intestino delgado (Figura 1). El jugo pancreático, liberado desde el páncreas a través del conducto pancreático, contiene enzimas inactivas como tripsinógeno y quimotripsinógeno, que se activan en el intestino delgado como sigue (Figura 2): Las células de la mucosa intestinal secretan la enteropeptidasa enzima proteolítica, que convierte el tripsinógeno a tripsina; la tripsina activa al quimotripsinógeno a quimotripsina (y también completa la activación del tripsinógeno). Ambas enzimas activas catalizan la hidrólisis de los enlaces peptídicos en las cadenas de proteínas. La quimotripsina ataca preferentemente enlaces peptídicos con grupos R de los aminoácidos aromáticos (fenilalanina, triptófano y tirosina). La tripsina cataliza el rompimiento de enlaces peptídicos de aminoácidos básicos (lisina y arginina). El jugo pancreático contiene también procarboxipeptidasa, que se activa por la tripsina a carboxipeptidasa. Esta última es una enzima que cataliza la hidrólisis de los enlaces peptídicos en el extremo del carboxilo libre en la cadena peptídica, lo que resulta en la liberación por etapas de aminoácidos libres desde el extremo C-terminal del polipéptido.

Figura 2. Activación de enzimas algunas pancreáticas en el intestino delgado.

Las Aminopeptidasas en el intestino delgado se encargan de eliminar aminoácidos desde el extremo N-terminal de péptidos y proteínas que poseen un grupo amino libre. Figura 3. Los aminoácidos que son liberados por la digestión de proteínas se absorben a través de la pared intestinal al torrente sanguíneo, donde pueden ser utilizados para la síntesis de proteínas.

Figura 3. Ejemplo de la hidrólisis de un péptido por varias peptidasas.

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2. Metabolismo de aminoácidos ▪ Catabolismo de aminoácidos El hígado es el sitio principal del metabolismo de los aminoácidos, pero otros tejidos, tales como el riñón, el intestino delgado, músculos y tejido adiposo, tomar parte en este proceso. Generalmente, el primer paso en el catabolismo de los aminoácidos es la separación del grupo amino del esqueleto de carbono, mediante una reacción de transaminación. Los esqueletos de carbono resultantes de los aminoácidos desaminados se utilizan para formar glucosa o grasas, o se convierten en un metabolito intermediario que puede ser oxidado por el ciclo del ácido cítrico, esta última alternativa, es más probable que ocurra cuando los niveles de glucosa son bajos, por ejemplo, cuando una persona está en ayunas o muere de inanición. La transaminación es un intercambio de grupos funcionales entre cualquier aminoácido (excepto lisina, prolina y treonina) y un α-ceto ácido. El grupo amino se transfiere normalmente al átomo de carbono ceto del piruvato, oxaloacetato, o α-cetoglutarato, convirtiendo el α-ceto ácido a alanina, aspartato, glutamato respectivamente. Las reacciones de transaminación son catalizadas por las transaminasas específicas (también llamadas transaminasas), que requieren fosfato de piridoxal como coenzima, figura 4.

Figura 4. Transferencia de un grupo amino de un -amino ácido a un ceto ácido, catalizado por una transaminasa.

Un ejemplo de reacción de transaminación: La alanina y aspartato, transfieren los grupos amino al α-cetoglutarato, formando glutamato. En ambas reacciones, el aceptor final del grupo amino es α-cetoglutarato, y el producto final es el glutamato, figura 5.

El destino del esqueleto hidrocarbonado de los aminoácidos, bebido a que los 20 -aminoácidos comunes de las proteínas son distintivos en términos de sus esqueletos de carbono, cada aminoácido

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requiere su propia vía de degradación. No vamos a discutir estas vías en detalle. Cualquier aminoácido puede ser convertido en un intermedio del ciclo del ácido cítrico. Una vez que se elimina el grupo amino, por lo general luego de una transaminación, la degradación de los esqueletos de carbono

converge en sólo 7 intermediarios metabólicos: Acetil-CoA, succinil-CoA, piruvato, -cetoglutarato,

fumarato, oxaloacetato, y acetoacetato. Debido a succinil-CoA, piruvato, cetoglutarato, fumarato, y oxaloacetato puede servir como precursores para la síntesis de glucosa, los aminoácidos que dan lugar a estos intermedios se denominan glucogénicos. Los degradados para producir acetil-CoA o acetoacetato se denominan cetogénicos, ya que estas sustancias pueden utilizarse para sintetizar ácidos grasos o cuerpos cetónicos pero no glucosa. algunos aminoácidos son tanto glucogénico y cetogénico, figura 6.

Figura 5. Reacción de transaminación de la alanina y el aspartato.

Por ejemplo, la fenilalanina se somete a una serie de seis reacciones antes de convertirse en fumarato y acetoacetato. El fumarato es un intermedio en el ciclo del ácido cítrico, mientras que el acetoacetato se debe convertir a acetoacetil-CoA y después a acetil-CoA antes de que entre el ciclo del ácido cítrico. Aquellos aminoácidos que pueden formar cualquiera de los intermedios del metabolismo de carbohidratos, pueden posteriormente convertir en glucosa a través de la vía metabólica conocida como gluconeogénesis.

▪ Síntesis de aminoácidos Los organismos muestran diferencias sustanciales en su capacidad de sintetizar los 20 aminoácidos comunes en las proteínas. Típicamente, las plantas y los microorganismos tienen la capacidad de formar todos sus metabolitos nitrogenados, incluidos todos los aminoácidos, desde formas inorgánicas

de N tales como: NH4 y NO3. En estos organismos, el grupo –amino para todos los aminoácidos se deriva de glutamato, normalmente a través de una reacción de transaminación del correspondiente

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–ceto ácido análogo al –aminoácido (Figura 6). En muchos de los casos, puede decirse que la

biosíntesis de aminoácidos consiste en sintetizar el apropiado esqueleto de carbono de un –cetoácido, seguido por una transaminación. Los aminoácidos pueden ser clasificados de acuerdo a al

intermediario para la biosíntesis del –cetoácido (Tabla 1).

Figura 6. Degradación metabólica de los aminoácidos de las proteínas. Aminoácidos glucogénicos en color rosa, cetogénicos en azul. Tomado de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. 4th Edición. EUA. Books Cole.

La transaminación implica la transferencia de un grupo -amino desde un aminoácido a un -ceto

ácido. En el proceso, el donante amino se convierte un -cetoácido mientras que el aceptor se

convierte en un -aminoácido:

-aminoácido1 + -cetoácido2 ↔ -cetooácido1 + -aminoácido2

El par predominante -aminoácido/-cetoácido en estas reacciones es glutamato /-cetoglutarato, el glutamato es el primer donante amino en la síntesis de aminoácidos. Las reacciones de transaminación son catalizadas por aminotransferasas (estas enzimas anteriormente se denominaban transaminasas). Las aminotransferasas se nombran de acuerdo a sus aminoácidos sustrato, como por ejemplo glutamato-aspartato aminotransferasa.

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Figura 7. La transaminación dependiente de glutamato en esqueletos de carbono de -cetoácidos es un mecanismo

esencial para la síntesis de -aminoácidos. Un ejemplo es la transaminación del oxaloacetato por el glutamato produciendo

aspartato y -cetoglutarato. Tomada de Garret, R. H.; Grisham, C. M. (2005). Bioquímica. 4th Edición. EUA. Books Cole.

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3. Introducción al flujo de información Los perros procrean cachorros que crecen para ser perros. Las zorras procrean zorros. Cada especie se reproduce según su especie. Además, dentro de cada organismo multicelular, cada tejido se compone de células específicas de ese tejido. ¿Cómo se explica esta especificidad en todos los niveles de reproducción? ¿Cómo un ovulo fertilizado "sabe" que debe convertirse en un canguro y no un koala? Lo que hace que las células del estómago produzcan ácido gástrico, mientras que las células del páncreas producen insulina. El modelo para la reproducción y el mantenimiento de cada organismo se encuentra en los núcleos de sus células, concentrados en estructuras alargadas, llamadas cromosomas. Estas estructuras complejas, que consiste en ADN y proteínas, contienen las unidades básicas de la herencia, los genes. El número de cromosomas (y genes) varía con cada especie. Las células del cuerpo humano tienen 23 pares de cromosomas con cerca de 20.000-40.000 genes diferentes. El espermatozoide y el ovulo contienen una sola copia de cada cromosoma; es decir, que contienen sólo un miembro de cada par de cromosomas. Por lo tanto, en la reproducción sexual, la dotación completa de cromosomas se logra sólo cuando un óvulo y un espermatozoide se combinan. Un nuevo individuo recibe la mitad de su material hereditario de cada padre.

▪ Nucleótidos, purinas y pirimidinas Los monómero, unidades que están unidos entre sí para formar los ácidos nucleicos son conocidos como nucleótidos. El ácido desoxirribonucleico (ADN) de una célula de mamífero típico contiene alrededor de 3 × 109 nucleótidos. Los ácidos nucleicos son polinucleótidos, o polímeros de nucleótidos. Los nucleótidos tienen tres componentes: un azúcar de cinco carbonos, uno o más grupos fosfato y un compuesto nitrogenado débilmente básico llamada base nitrogenada (figura 54). Las bases que se encuentran en los nucleótidos son pirimidinas y purinas sustituidas. La pentosa ya sea ribosa (D-ribofuranosa) o 2-desoxirribosa (2-desoxi-D-ribofuranosa). Los N-glucósidos de estas azucares con pirimidina o purina se llaman nucleósidos. Los nucleótidos son ésteres de fosfato del nucleósidos, los nucleótidos comunes contienen de uno a tres grupos fosforilo. Los nucleótidos que contienen ribosa se denominan ribonucleótidos y los nucleótidos contiene desoxirribosa se llaman desoxirribonucleótidos (figura 8).

Figura 8. Componentes de los ácidos nucleicos.

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▪ ADN y ARN Los ácidos nucleicos son grandes polímeros formados mediante la vinculación de nucleótidos y se encuentran en todas las células. El ácido desoxirribonucleico (DNA) es el ácido nucleico que almacena la información genética. Si todo el ADN de una célula de mamífero promedio se extiende extremo a extremo, se extendería más de 2 m. El ácido ribonucleico (RNA) es el ácido nucleico responsable por el uso de la información genética codificada en el ADN para producir los miles de proteínas que se encuentran en los organismos vivos. Los ácidos nucleicos presentan al igual que las proteínas, un ordenamiento estructural jerárquico. Estructura Primaria de los ácidos nucleicos, Los nucleótidos se unen entre sí a través del grupo fosfato de un nucleótido un enlace éster con el grupo OH en el tercer átomo de carbono de la unidad de azúcar de un segundo nucleótido. Esta unidad se une a un tercer nucleótido, y se repite el proceso para producir una larga cadena de ácido nucleico (Figura 9). La columna vertebral de la cadena se compone de unidades de fosfato y azúcar (2-desoxirribosa en ADN y ribosa en ARN) alterna. Las bases de purina y pirimidina ramifican esta columna vertebral.

Figura 9. Estructura de un segmento de ADN. Un segmento similar de ARN tendría grupos OH en cada C2 ', y el uracilo reemplazaría a la timina.

Al igual que las proteínas, los ácidos nucleicos tienen una estructura primaria que se define como la secuencia de sus nucleótidos. A diferencia de las proteínas, que tienen 20 tipos diferentes de aminoácidos, sólo hay 4 diferentes tipos de nucleótidos de los ácidos nucleicos. Para las secuencias de aminoácidos en las proteínas, la convención es escribir los aminoácidos en orden empezando por el aminoácido N-terminal. En la escritura de las secuencias de nucleótidos para los ácidos nucleicos, la convención es escribir los nucleótidos (por lo general mediante las abreviaturas de una letra de las bases, que se muestran en la Figura 9) a partir del nucleótido que tiene un grupo fosfato libre, que se

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conoce como el extremo 5 ', e indicar los nucleótidos en orden. Para el ADN, una d minúscula se escribe a menudo en frente de la secuencia para indicar que los monómeros son desoxirribonucleótidos. El nucleótido final tiene un grupo OH libre en el 3 'átomo de carbono y se llama el extremo 3'. La secuencia de nucleótidos en el segmento de ADN que se muestra en la Figura 9, se escribiría 5'-dG-dT-dA-dC-3 ', que se abrevia a menudo como dGTAC o simplemente GTAC. Estructura secundaria del ADN, estructura tridimensional del ADN fue objeto de un esfuerzo de investigación intensiva a finales de 1940 y principios de 1950. El trabajo inicial reveló que el polímero tenía una estructura repetitiva. En 1950, Erwin Chargaff de la Universidad de Columbia mostró que la cantidad molar de la adenina (A) en el ADN fue siempre igual a la de timina (T). Del mismo modo, mostró que la cantidad molar de guanina (G) era la misma que la de la citosina (C). Chargaff no sacó conclusiones de su trabajo, pero otros pronto lo hicieron. En la Universidad de Cambridge en 1953, James D. Watson y Francis Crick anunciaron que tenían un modelo para la estructura secundaria del ADN. Utilizando la información de los experimentos de Chargaff (así como otros experimentos) y datos de los estudios de rayos X de Rosalinda Franklin (que implicaban la química sofisticada, la física y las matemáticas), Watson y Crick trabajó con modelos que no eran diferentes a los juego de construcción de un niño y finalmente llegó a la conclusión de que el ADN se compone de dos cadenas antiparalelas de ácidos nucleicos entre si, es decir, de lado a lado con el extremo de una cadena al lado de la 3 'del 5´ extremo de la otra. Además, como su modelo mostró, las dos cadenas se trenzan para formar una doble hélice-una estructura que puede ser comparada con una escalera de caracol, con los grupos fosfato y azúcar (la columna vertebral del polímero de ácido nucleico) que representan los bordes exteriores de la escalera. Las bases de purina y pirimidina se enfrentan al interior de la hélice, con guanina siempre citosina y adenina con timina. Estos pares de bases específicos, que se refiere bases complementarias, son los pasos, o peldaños, en nuestra analogía escalera (Figura 10).

Figura 10. (Izquierda), se observa a los ganadores del Nobel James D. Watson y Francis Crick con un modelo de la doble hélice de ADN. (Derecha) se observan dos modelos, uno de bolas y una representación esquemática de la doble hélice, que muestra las bases complementarias.

3 3

Base

Esqueleto de azúcar y fosfatos

Enlaces de Hidrogeno

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La estructura propuesta por Watson y Crick proporciona pistas sobre los mecanismos por los cuales las células son capaces de dividirse en dos células hijas, con funcionamiento idénticos; cómo los datos genéticos se transmiten a las nuevas generaciones; e incluso cómo las proteínas se construyen con las especificaciones requeridas. Todas estas habilidades dependen del emparejamiento de bases complementarias. La figura 11 muestra los dos conjuntos de pares de bases e ilustra dos cosas. En primer lugar, una pirimidina está emparejado con una purina en cada caso, de modo que las dimensiones largas de ambos pares son idénticos (1,08 nm).

Figura 11.Complementariedad de las bases nitrogenadas. Las bases presentan enlaces de hidrógeno entre sí: (a) timina y adenina; (b) citosina y guanina.

Si se emparejaron dos pirimidinas o dos purinas se emparejaran, las dos pirimidinas tomarían menos espacio que una purina y una pirimidina, y las dos purinas ocupan más espacio, como se ilustra en la figura 12. Si estas parejas no se complementaran cada vez, la estructura del ADN sería como una escalera hecha con escaleras de diferentes anchos. Para que las dos hebras de la doble hélice se adapte perfectamente, una pirimidina siempre debe estar emparejado con una purina. La segunda cosa que se debe notar en la figura 11 es que la pareja correcta permite la formación de tres enlaces de hidrógeno entre guanina y citosina y dos entre la adenina y timina. La contribución aditiva de estos enlaces de hidrógeno imparte una gran estabilidad a la doble hélice del ADN. ▪ Replicación y expresión de información genética

Anteriormente afirmamos que el ácido desoxirribonucleico (ADN) almacena la información genética, mientras que el ácido ribonucleico (ARN) es responsable de transmitir o expresar la información genética al dirigir la síntesis de miles de proteínas que se encuentran en los organismos vivos. Pero, ¿cómo hacen los ácidos nucleicos para realizar estas funciones? Se requieren tres procesos: (1) la replicación, en el que se hacen nuevas copias de ADN; (2) la transcripción, en el que se utiliza un

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segmento de ADN para producir ARN; y (3) la traducción, en el que la información en el ARN se traduce en una secuencia de la proteína.

Figura 12. Diferencia en anchos de posibles apareamientos entre pares de bases.

Replicación, Las nuevas células se están formando continuamente en el cuerpo a través del proceso de división celular. Para que esto suceda, el ADN de una célula en división se debe copiar en un proceso conocido como replicación. El apareamiento de las bases complementarias en la doble hélice proporciona un modelo para la replicación genética. Si las dos cadenas de la doble hélice se separan, cada cadena puede actuar como una plantilla, o patrón, para la síntesis de una nueva cadena de ADN complementaria. El núcleo contiene todas las enzimas, proteínas y nucleótidos necesarios para esta síntesis. Un segmento corto de ADN se "descomprime o desenrrolla", por lo que las dos cadenas en el segmento se separan para servir como plantillas para el nuevo ADN. La ADN polimerasa, una enzima, reconoce cada base en una cadena molde y coincide a la base complementaria con un nucleótido libre. La enzima cataliza entonces la formación de un enlace éster entre el grupo fosfato 5´del nucleótido y el OH 3 ' del extremo final de la nueva cadena de ADN en crecimiento. De esta manera, cada hebra de la molécula de ADN original se utiliza para producir un duplicado de su ex pareja (Figura 13). Cualquier información que había sido codificado en el ADN original de la doble hélice está contenida en cada réplica de la hélice. Cuando la célula se divide, cada célula hija recibe una de estas réplicas y por lo tanto toda la información que se poseía originalmente en la célula madre. ¿Qué queremos decir, cuando decimos que la información se codifica en la molécula de ADN? El ADN de un organismo se puede comparar con un libro que contiene las instrucciones para el montaje de un modelo de avión o para tejer un suéter. Las letras del alfabeto están dispuestas en palabras, y estas

Dos pirimidinas

Una purina y una

pirimidina

Dos purinas

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palabras conducen al individuo a realizar ciertas operaciones con materiales específicos. Si todas las instrucciones se siguen correctamente, se produce un modelo de avión o un suéter.

Figura 13. Diagrama esquemático de la replicación del ADN.

En el ADN, las secuencias de nucleótidos a lo largo de las cadenas codifican las instrucciones para la construcción de un organismo. Así como “sierra” significa una cosa en español y “martillo” significa otra, la secuencia de bases de la CGT quiere decir una cosa, y TGC significa algo diferente. Aunque sólo hay cuatro letras-los cuatro nucleótidos en el código genético de ADN, su secuencia a lo largo de las hebras de ADN puede variar tan ampliamente que el almacenamiento de información es esencialmente ilimitado. Transcripción, para que la información hereditaria en el ADN sea útil, esta debe ser "expresada", es decir, que se utiliza para dirigir el crecimiento y el funcionamiento de un organismo. El primer paso en los procesos que constituyen la expresión de ADN es la síntesis de ARN, por un mecanismo de plantilla que es en muchos aspectos análogo a la replicación del ADN. Debido a que el ARN que se sintetiza es una copia complementaria de la información contenida en el ADN, la síntesis de ARN se refiere como la transcripción. Hay tres diferencias principales entre la replicación y la transcripción: (1) las moléculas de ARN son mucho más cortas que las moléculas de ADN; sólo una porción de una cadena de ADN es copia o se transcribe para hacer una molécula de ARN. (2) El ARN se construye a partir de ribonucleótidos en lugar de desoxirribonucleótidos. (3) La cadena de ARN recién sintetizada no permanece asociada con la secuencia de ADN a partir de la cual se transcribe. La secuencia de ADN que se transcribe para hacer el RNA se llama la cadena molde, mientras que la secuencia complementaria en la otra hebra de ADN se llama la hebra codificante. Para iniciar la síntesis de ARN, la hebra de ADN se desenrolla en sitios específicos a lo largo de la molécula de ADN. Los ribonucleótidos son atraídos a la región desenrollada de la molécula de ADN, comenzando en el extremo 3 'de la cadena molde, de acuerdo con las reglas de apareamiento de bases. Timina en el ADN requiere adenina, en el ARN, citosina especifica guanina, guanina pide citosina, y adenina requiere uracilo. El ARN polimerasa, una enzima, uno los ribonucleótidos complementarios y cataliza la

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formación del enlace éster entre ribonucleótidos, una reacción muy similar a la catalizada por la ADN polimerasa (Figura 14). La Síntesis de la cadena de ARN tiene lugar en la dirección de 5 'a 3', antiparalela a la hebra de plantilla. Sólo un corto segmento de la molécula de ARN son enlazadas vía enlaces de hidrógeno a la cadena molde en cualquier momento durante la transcripción. Cuando se termina la transcripción, el ARN es liberado, y la hélice del ADN se reformas. La secuencia de nucleótidos de la hebra de ARN formado durante la transcripción es idéntica a la de la hebra de codificación correspondiente en el DNA, excepto por que se sustituye T por U.

Figura 14. Diagrama esquemático de la transcripción del ARN desde la plantilla de ADN

▪ Tipos de ARN Tres tipos de ARN se forman durante la transcripción: ARN mensajero (ARNm), ARN ribosómico (rRNA), y ARN de transferencia (ARNt). Estos tres tipos de RNA difieren en función, tamaño, y en el porcentaje total en las células. ARNm representa sólo un pequeño porcentaje de la cantidad total de ARN dentro de la célula, sobre todo porque cada molécula de ARNm existe un tiempo relativamente corto; ya que continuamente se está degradando y resintetizado. Las dimensiones moleculares de la molécula de ARNm varían según la cantidad de información genética. Después de la transcripción, que tiene lugar en el núcleo, el ARNm pasa al citoplasma, llevando el mensaje genético de ADN a los ribosomas, los sitios de síntesis de proteínas. El ARNm determina directamente la secuencia de aminoácidos durante la síntesis de proteínas. Los ribosomas son subestructuras celulares donde se sintetizan las proteínas. Ellos contienen aproximadamente 65% de ARNr y 35% de proteína, unidas por numerosas interacciones no covalentes, tales como enlaces de hidrógeno, en una estructura global que consta de dos partículas globulares de tamaño desigual. Las moléculas de tRNA, aportan aminoácidos (de uno en uno) a los ribosomas para la construcción de proteínas, difieren uno de otro en los tipos de aminoácidos que cada uno está diseñado específicamente para llevar. Un conjunto de tres nucleótidos, conocido como un codón, en el ARNm determina qué tipo de tRNA agregará su aminoácido a la cadena en crecimiento. Cada uno de los 20 aminoácidos que se encuentran en las proteínas tiene por lo menos un tipo correspondiente de ARNt, y la mayoría de los aminoácidos tienen más de uno.

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La estructura en dos dimensiones de una molécula de ARNt tiene tres bucles distintivos, que recuerda a una hoja de trébol (Figura 15). En un bucle esta una secuencia de tres nucleótidos que varía para cada tipo de tRNA. Este triplete, llamado el anticodón, es complementario con el codón en el ARNm. En el extremo opuesto de la molécula está el tallo aceptor, donde se une el aminoácido.

Figura 15. (a) En la estructura bidimensional de una molécula de ARNt para la fenilalanina, el aminoácido se une al tallo aceptor situado en el extremo 3 ' de la secuencia primaria tRNA. (b) en la estructura tridimensional del tRNA, tenga en cuenta que el bucle anticodón está en el vástago inferior y el aceptante en la parte superior derecha. (c) Esto muestra un modelo 3D del ARNt.

4. Biosíntesis de Proteínas ▪ Código genético Una de las definiciones de un gen es la siguiente: un segmento de ácido desoxirribonucleico (ADN) que lleva el código de un polipéptido específico. Cada molécula transcrita de ARN mensajero (ARNm) es una copia de un gen que se utiliza por una célula para la síntesis de una cadena polipeptídica. Si una proteína contiene dos o más cadenas polipeptídicas diferentes, cada cadena esta codificada por un gen diferente. Pasamos ahora a la cuestión de cómo se traduce la secuencia de nucleótidos en una molécula de ácido ribonucleico (RNA) en una secuencia de aminoácidos.

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¿Cómo puede una molécula que contiene sólo 4 nucleótidos diferentes especificar la secuencia de los 20 aminoácidos que se producen en las proteínas? Si cada nucleótido codifica para 1 aminoácido, entonces, evidentemente, los ácidos nucleicos pueden codificar para solamente 4 aminoácidos. ¿Qué pasa si los aminoácidos fueron codificados por grupos de 2 nucleótidos? Hay 42, o 16, diferentes combinaciones de 2 nucleótidos (AA, AU, CA, AG, UU, y así sucesivamente). Dicho código es más extenso, pero aún no se adecuada para codificar 20 aminoácidos. Sin embargo, si los nucleótidos están dispuestos en grupos de 3, el número de diferentes combinaciones posibles es 43 o 64. Aquí tenemos un código que es lo suficientemente extenso para dirigir la síntesis de la estructura primaria de una molécula de proteína. Por consiguiente, el código genético se puede describir como la identificación de cada grupo de tres nucleótidos y su aminoácido particular. La secuencia de estos grupos triplete en el ARNm dicta la secuencia de los aminoácidos en la proteína. Cada unidad de codificación de tres nucleótidos individuales, como hemos visto, se llama un codón. La síntesis de proteínas se logra por la interacción ordenada entre RNAm y los otros ácidos ribonucleicos (ARN de transferencia [ARNt] y el ARN ribosomal [RNAr]), el ribosoma, y más de 100 enzimas. El ARNm formado en el núcleo durante la transcripción se transporta a través de la membrana nuclear hacia el citoplasma a los ribosomas, llevando con el las instrucciones genéticas. El proceso en el cual la información codificada en el ARNm se utiliza para dirigir la secuencia de aminoácidos y por lo tanto en última instancia, para sintetizar una proteína se conoce como traducción. Antes que un aminoácido puede ser incorporado en una cadena polipeptídica, debe estar unido a su único tRNA. Este proceso crucial requiere una enzima conocida como aminoacil-RNAt sintetasa (Figura 16).

Figura 16. Unión del aminoácido al ARNt.

Hay una sintetasa aminoacil-tRNA específico para cada aminoácido. Este alto grado de especificidad es de vital importancia para la incorporación del aminoácido correcto en una proteína. Después de la molécula de ácido amino se ha unido a su vehículo de ARNt, la síntesis de proteínas puede tener lugar. Los primeros investigadores se enfrentaron a la tarea de determinar cuál de los 64 posibles codones es para cada uno de los 20 aminoácidos. La elucidación del código genético fue la realización conjunta de varios genetistas, los principalmente conocidos Har Khorana, Marshall Nirenberg, Philip Leder y Severo Ochoa, desde 1961 a 1964. Compilaron el diccionario genético, resumido en la figura 17, muestra que 61 codones que codifican los aminoácidos, y 3 codones sirven como señales para la terminación de la síntesis del polipéptido (al igual que el punto al final de una frase). Tenga en cuenta que sólo metionina (AUG) y triptófano (UGG) tienen codones individuales. Todos los otros aminoácidos tienen dos o más codones.

Aminoácido ARNt

ARNt enlazado con el aminoácido

Sintetasa

Aminoacil-ARNt

70

Figura 17. Código genético.

La experimentación adicional arrojó mucha luz sobre la naturaleza del código genético, como sigue:

1. El código es virtualmente universal; células de las plantas, animales y bacterias, utilizan los mismos codones para especificar cada aminoácido (con algunas excepciones).

2. El código es "degenerado"; en todos menos en dos casos (metionina y triptófano), más de un triplete codifica para un aminoácido dado.

3. Las dos primeras bases de cada codón son más significativas; la tercera base varía a menudo. Esto sugiere que un cambio en la tercera base por una mutación puede todavía permitir la correcta incorporación de un aminoácido dado en una proteína. La tercera base es llamado a veces la base "bamboleante o tambaleante".

4. El código es continuo y no es superpuesto; no hay nucleótidos entre los codones y los codones adyacentes no se superponen.

5. Los tres codones de terminación son leídos por proteínas especiales, llamadas factores de liberación, que señalan el final del proceso de traducción.

6. El codón AUG para metionina es también el codón de iniciación. Así, la metionina es el primer aminoácido en cada polipéptido recién sintetizado. Este primer aminoácido generalmente se retira enzimáticamente antes de completar la cadena de polipéptido; la gran mayoría de los polipéptidos no comienzan con metionina.

Pri

me

ra b

ase

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Segunda base

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Unidad 1

1. ¿Qué es la bioquímica? ¿Cuáles son los objetivos primordiales de estudio de la bioquímica? 2. Escriba los elementos químicos que se encuentran en los seres vivos. Señale aquellos que se

encuentran en abundancia o en cantidades micro. 3. Plantee su punto de vista referente a la selección de los elementos químicos utilizados en las formas

de vida durante las etapas del proceso evolutivo. 4. Reflexione por qué muchas de las moléculas que existen en la naturaleza se basan en el elemento

químico carbono. 5. Enumere los principales tipos de biomoléculas, escriba la estructura general y mencione al menos

una función biológica para cada una de ella. 6. Describa las principales diferencias entre las células eucariotas y procariotas. 7. Enumere las funciones que desempeña la membrana plasmática 8. Qué propiedad confieren los fosfolípidos a las membranas biológicas. 9. Se dice que los lípidos de membrana contienen una cabeza polar y colas no polares. Dibuje las

siguientes estructuras y asigne las regiones mencionadas en cada una de las siguientes moléculas: Colesterol, Fosfatidilcolina y Esfingomielina

10. Explique las diferencias entre las proteínas de membranas integrales y periféricas. 11. Mencione al menos tres funciones que desempeñan las proteínas en las membranas biológicas. 12. Describa los diferentes mecanismos de transporte de membrana: difusión simple, difusión

facilitada (sencilla, acoplada y acoplada de intercambio), transporte pasivo y transporte activo. 13. Esquematice y describa los mecanismos de transporte: Endocitosis y exocitocis. 14. Explique por qué la hemoglobina es más soluble en agua que la α-keratina 15. Mencione un aminoácido para cada una de las siguientes propiedades descritas. Elija sus respuestas

de los 20 aminoácidos que se encuentran en las proteínas.

a. Una cadena lateral sulfhídrico. b. Tres grupos ionizables. c. Dos centros asimétricos de carbono. d. Una cadena lateral imidazol. e. Ningún centro asimétrico de carbono. f. Cadena lateral con grupo alquilo. g. Cadena lateral con grupo arilo. h. Una cadena lateral que puede formar puentes de hidrógeno con el agua.

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16. Las proteínas pueden tener cuatro niveles de estructura. Para cada nivel, describa la clase de

interacciones que presenta (detalle todas las posibles). 17. Las soluciones amortiguadoras resisten cambios de pH. En la sangre humana el sistema

amortiguador de dióxido de carbono-ácido carbónico-bicarbonato mantienen un pH constante de 7.4, explique el mecanismo involucrado del sistema amortiguador.

18. ¿Cuál es la concentración de una disolución amortiguadora de ácido láctico (pKa= 3.9) que contiene CH3CH(OH)COOH 0.25 M y CH3CH(OH)COO⊝ 0.15M ? ¿Cuál es el pH de esta disolución amortiguadora.

19. ¿Qué fuerzas intervienen en el enlazamiento de sustratos y compuestos intermedios a los sitios activos de las enzimas?

20. Compare los modelos propuestos para explicar la especificidad de un sustrato por el sitio activo de una enzima: Modelo llave cerradura y modelo de ajuste inducido

21. Las enzimas se clasifican de acuerdo a las reacciones que catalizan, escriba esta clasificación indicando para cada tipo de enzima la reacción que cataliza.

22. ¿Cuáles de los siguientes factores van a influir en la velocidad de reacción de una enzima típica? ¿el cambio aumenta, disminuye o no tiene efecto sobre la velocidad de reacción?

a. Incremento en la concentración de sustrato b. Aumento en la temperatura de 25 a 37 °C c. Adición de un inhibidor competitivo d. Aumento de temperatura de 37 a 150 °C e. Incremento de la concentración de la enzima

23. Describa las diferencias que existen entre los efectos de los inhibidores reversibles, competitivos y

no competitivos. Inicie por identificar el sitio de la enzima donde se une el inhibidor. Exprese qué parecido existe entre el inhibidor y el sustrato.

24. Relacione cada una de las vitaminas incluidas en la primera columna de la tabla con su coenzima respectiva que se encuentra en la lista de la segunda columna.

Vitamina Coenzima relacionada

Riboflavina (Vitamina B2) Fosfato de piridoxal Vitamina B6 NAD+ Niacina FAD Ácido fólico Coenzima A Vitamina B1 Tetrahidrofolato Pirofosfato de tiamina Biotina

25. ¿Cuál es la diferencia entre catabolismo y anabolismo? Aborde su respuesta no solamente

basándose en diferencias de conceptos sino de procesos químicos involucrados en cada uno. 26. ¿Cuál es la función del ATP en el metabolismo?, ¿Qué son las reacciones acopladas y como

contribuyen energéticamente en los procesos metabólicos? 27. La siguiente reacción de transferencia de un grupo fosforilo es el primer paso en el catabolismo de

la glucosa por glucólisis:

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Glucosa + ATP ↔ glucosa-6-fosfato + ADP ΔG'˚= - 16.7 kJ/mol

a. Calcule la K'eq para la reacción b. Defina la K'eq en términos de concentraciones de reactivos y productos

Unidad 2

1. ¿Cuáles son los principales aspectos de la glicólisis? 2. Escriba el paso dos de la glicólisis y explique porque es necesario este paso. 3. La glucosa-6-fosfato es un punto de ramificación para otras vías metabólicas, esquematice. 4. Escriba todas las reacciones que pertenecen a la fase de inversión de energía de la glucolisis, no

olvide acompañar cada reacción con su correspondiente enzima. 5. Obtenga la reacción neta global de cada uno de los siguientes procesos metabólicos:

a. Glucosa-6-fosfato → 2 piruvato b. Piruvato → etanol c. Gliceraldehído-3-fosfato → Acetil-CoA

6. Escriba el tautomerismo ceto-enólico del piruvato 7. Considerando los pasos individuales de la glicólisis: ¿En cuales pasos se forma ATP?, escriba la

reacción correspondiente. ¿En cuales pasos se usa ATP?, escriba la reacción correspondiente. En cuales pasos se forman coenzimas reducidas?, escriba la reacción correspondiente

8. Cuál es el rol de la coenzima NAD+ en la glicólisis. 9. Explique porque se dice que el O2 es el aceptor final de electrones en la cadena respiratoria 10. A que nos referimos cuando hablamos de fosforilación a nivel de sustrato. 11. Cuál es la diferencia entre la enzima succinato deshidrogenasa y las otras enzimas participantes en

el ciclo de ácido cítrico. 12. Explique cuál es la relación existente entre el ciclo de Krebs y el anabolismo 13. ¿Cuál es el producto final de la cadena de transporte de electrones? 14. Explique cuál es la importancia del movimiento de protones a través de la membrana interna de la

mitocondria y su retorno pasando por el canal de iones del ATP sintasa. 15. Describa brevemente la cadena de transporte de electrones 16. ¿Cuál es la diferencia entre fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa? 17. Explique cómo se interrelaciona la cadena de transporte de electrones y el ciclo del ácido cítrico 18. Explique, porque el ciclo de Krebs es considerado como parte del catabolismo aeróbico, incluso aun

cuando el oxígeno no está directamente involucrado en ningún paso dentro del ciclo. 19. Explique la función de la coenzima Q en la cadena de transporte de electrones 20. Cuál es la función del citocromo c en la cadena de transporte de electrones 21. Cuál es la función del a ATPsintasa 22. Explique a que se refiere cuando se habla de regulación recíproca entre la gluconeogénesis y la

glicolisis 23. ¿Por qué no se habla de la gluconeogenésis como un proceso totalmente inverso a la glicolisis? 24. Explique el Ciclo de Cori. 25. Cuál es el propósito de la vía de derivación de la hexosa monofosfato

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Unidad 3

1. Describa la dinámica de degradación de ácidos grasos provenientes de los alimentos y posterior absorción en el intestino.

2. ¿Cuál es la función de la carnitina aciltransferasa I y II ?, describa la forma de acción de estas. 3. La β-oxidación de ácidos grasos implica un ciclo de 4 pasos recurrentes, esquematice el ciclo que

estas reacciones conforman, no olvide las enzimas involucradas. 4. Describa la acción enzimática de la acil-CoA deshidrogenasa. 5. El producto final de la β-oxidación de ácidos grasos de cadena impar es el propionil-CoA, 3 enzimas

llevan a cabo la transformación de este a succinil-CoA. Escriba las respectivas enzimas que catalizan el proceso.

6. Describa la función de cada una de las siguientes enzimas:

a. La propionil-CoA carboxilasa b. La metilmalonil-CoA epimerasa c. La metilmalonil-CoA mutasa

7. Los ácidos grasos insatudados también son catabolizados por β-oxidación, aunque plantean una

situación más compleja para la célula, explique. 8. Los ácidos grasos poli-insatudados también son catabolizados por β-oxidación, plantean la

degradación para el siguiente ácido.

9. ¿Qué son los cuerpos cetónicos? Estructura de cada uno de ellos. 10. ¿Cuáles son las directivas del Diseño estratégico para la síntesis de ácidos grasos? 11. La biosíntesis de ácidos grasos se lleva a cabo en el citosol, en este proceso se utiliza la acetil-CoA

proveniente de la β-oxidación de ácidos grasos en la mitocondria, como se logra el traslado al citosol.

12. Dibuje la similitud estructural entre la Coenzima A y la proteína acarreadora de acilos. 13. En células eucariotas la síntesis de ácidos grasos es llevada a cabo por un complejo multienzimático

llamado ácido graso sintasa, describa la enzima e indique las funciones de cada dominio de esta. 14. Explique cómo se relaciona la síntesis de ácidos grasos con la glicolisis, ciclo del ácido cítrico y

degradación de ácidos grasos. 15. Las ceramidas son los bloques de construcción de todos los esfingolípidos, la esfingomielina es

producida por la transferencia de fosfocolina desde fosfotidilcolina. Escriba la síntesis para la esfingomielina y ceramida.

16. Escriba la estructura del colesterol y explique las funciones de este en el organismo. 17. La pregnenolona y la progesterona son las precursoras de otras hormonas esteroidales, escriba su

estructura y describa las funciones.

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Unidad 4

1. Dibuje la estructura general de un nucleótido y señale cada una de sus partes. 2. Los nucléotidos se enlazan a través de sus grupos fosfato para formar ácidos nucleicos, describa y

esquematice las uniones específicas que suceden entre los nucléotidos. 3. Suponga que las cortas hebras del polinucleótido 5´AGCTTACGTCC 3´, es parte de una molécula de

ADN o ARN (indique de cual), escriba la hebra complementaria correspondiente. 4. ¿Cuáles son los tres tipos de ARN y cuál es la función de cada uno? 5. Describa la estructura primaria, secundaria y terciaria del ADN y ARN 6. Escriba las diferencias existentes entre el ARN y el ADN 7. Defina en sus propias palabras: replicación conservadora y semiconservadora, horquilla de

replicación. 8. Describa cada una de las etapas del proceso de transcripción 9. ¿Cuál es la función de la ARN polimerasa? 10. Describa cada una de las etapas del proceso de replicación 11. Describa brevemente la función de: Un Codón, Anticodón y un Ribosoma 12. ¿Cuál es la ventaja de que una célula tenga polirribosomas trabajando en una sola molécula de

mRNA en lugar de un solo ribosoma? 13. Describa las etapas de la síntesis proteica 14. Defina código genético y gen 15. Escriba las familias biosintéticas de los aminoácidos que se basan en precursores comunes. 16. Explique en qué consiste el proceso de transaminación y cuál es el propósito del proceso. 17. A que nos referimos cuando hablamos de aminoácidos glucogénicos y cetogénicos, de un ejemplo

de cada uno 18. Explique la relación entre el ciclo de Krebs y catabolismo de los aminoácidos 19. Dibuje la estructura general de un nucleótido

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BECKER, W.; KLEINSMITH L.; HARDIN, J. (2007). El mundo de la célula. 8° Edición. Pearson Education. BLOOMFIELD, MOLLY M. (2007). La Química de los Organismos Vivos. México: Limusa Noriega Editores. DUPRAW, ERNEST J. (1991). Biología Celular y Molecular. España: Editorial Omega. EDELSTEIN, STURART J. (2003). Introducción a la Bioquímica. EUA: Editorial Holden-Day Inc. GARRET, R. H.; GRISHAM, C. M. (2005). Bioquímica. Cuarta Edición. EUA: Books Cole. HORTON, H.; MORÁN, L. A.; SCRIMGEOUR, K. (2008). Principios de Bioquímica. México: Pearson Education. LAGUNA, J., PIÑA G. (2003). Bioquímica. México: JGH Editores. MURRAY, ROBERT K. (2009). Bioquímica de Harper. 28° Edición. México: McGraw-Hill Interamericana

Editores. NELSON, D. L.; COX, M. M. (2009). Bioquímica Lehninger: Principios de Bioquímica. 6° Edición. New York:

Freeman. PAGE, DAVID S. (1991). Principios de Química Biológica. USA: Editorial Willard Grant Press. SPEED, FRED M. (1996). Biología General. EUA: Editorial Charles E. Merrill Books, Inc. STRYER, L. (2007). Bioquímica. Barcelona: Editorial Reverte.