QUÍMICA UNIDAD Nº 2
PROTEÍNAS, Y ACIDOS NUCLEICOS
Prof. Dra. Sara Feldman. Prof. Dr. Juan Carlos Ballina.
Desarrollo y recopilaciones de otros trabajos realizados por docentes de Química Biológica
Contenidos
Aminoácidos, Polipéptidos y Proteínas
Aminoácidos. Estructura: grupos funcionales y cadenas laterales. Propiedades: ácido base, isomería. Unión peptídica. Polipéptidos- Proteínas. Niveles estructurales de una proteína: estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. Proteínas simples y conjugadas. Cofactores y grupos prostéticos. Colágeno. Desnaturalización. Hidrólisis.
Enzimas Estructura. Función. Actividad enzimática. Especicidad y anidad Importancia de las enzimas en los procesos químicos. Factores que pueden afectar la actividad enzimática. Ácidos nucleicos, código genético y síntesis proteica Estructura de los ácidos nucleicos. Funciones. Duplicación. Transcripción. Traducción. Ubicación subcelular de estos procesos. Código genético. Sistemas reprimibles e inducibles.
Introducción La vida comienza en toda su complejidad en el nivel celular. Conocer la organización espacial de las proteínas, derivada de la secuencia de aminoácidos aminoác idos que la constituyen, permite realizar un abordaje, desde lo molecular, al estudio de sus funciones y a su interacción con otras moléculas en la célula y en los seres s eres vivos. Dentro de las células, el estudio del nivel molecular permite explicar cómo se trasmite la información genética y qué relación existe entre los genes y las proteínas.
Objetivos
Que el alumno: - Sepa reconocer los diferentes tipos de aminoácidos por su cadena lateral, e interprete la importancia de las diferentes uniones químicas dentro de las proteínas. - Reconozca las estructuras iónicas de los aminoácidos y su isomería óptica. - Diferencie los procesos de desnaturalización e hidrólisis y su relación con las uniones químicas establecidas en las diferentes estructuras de la proteína. - Reconozca al colágeno como la proteína cuantitativamente más importante de los vertebrados. - Establezca la relación entre las estructuras (1°, 2°, 3° y 4°) de una proteína y su función. Comprenda el concepto de catalizador.
159
- Reconozca las estructuras iónicas de los aminoácidos y su isomería óptica. - Diferencie los procesos de desnaturalización e hidrólisis y su relación con las uniones químicas establecidas en las diferentes estructuras de la proteína. - Reconozca al colágeno como la proteína cuantitativamente más importante de los vertebrados. - Establezca la relación entre las estructuras (1°, 2°, 3° y 4°) de una proteína y su función. Comprenda el concepto de catalizador. - Diferencie catalizadores no enzimáticos de enzimas. - Jerarquice la función de las enzimas dentro de los procesos celulares. - Reconozca factores que afectan la actividad enzimática e interprete la importancia biológica de cofactores y de coenzimas. - Diferencie los distintos tipos de ácidos nucleicos por función y estructura es tructura e interprete qué es el código genético. - Comprenda la importancia del proceso de duplicación en la transmisión de la información genética. - Interprete los efectos que puede tener sobre la función celular una alteración en los procesos de duplicación, transcripción y traducción. - Reconocer a la APS como una estrategia para alcanzar la salud de poblaciones. - Comprender la promoción de la salud como una herramienta para alcanzar la “igualdad en el logro de la salud” de las poblaciones. 160
Ejercitaciones sugeridas 1) La siguiente lista indica la cantidad aproximada de aminoácidos que ingiere un recién nacido en mg/día/kilo
de peso corporal, alimentado con leche materna: Alanina
78
Glicina
48
Prolina
180
Valina
130
Treonina
9 1 o l l o r r a s e D y o t n e i m i c e r C e j a z i d n e r p A e d a í u G
87
Lisina
135
Serina
81
Ac. Glutámico
337
Leucina
180
Taurina
9
Histidina
46
Arginina
37
Tirosina
57
Triptofano
45
Fenilalananina
72
Metionina
28
Isoleucina
100
Cisteina Asparagina
37 146
a- Esta mezcla posee los tres aminoácidos de cadena ramicada, ¿cuáles son?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... b- ¿Cuáles son los aminoácidos básicos y por qué se denominan así?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... c- ¿Cuál de los aminoácidos incluidos no forman parte de las estructuras proteicas habituales? Nombre los
aminoácidos que tengan anillo aromático. .............................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... d- Nombre los que tengan grupos hidroxilo, los que tengan cadena lateral polares y los que tengan cadena
lateral apolares. ¿Qué ubicación tendrán estos aminoácidos cuando formen parte de una proteína que se halla disuelta en agua? (supercie o interior de la molécula). ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... e- ¿Qué comportamiento químico presenta el aminoácido que predomina en la ingesta del niño?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... f- ¿Provee la leche materna todos los aminoácidos esenciales para el lactante? Identique los que no son
esenciales para la edad adulta y dé razones. ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................................................
161
2) Dados los siguientes péptidos: alanil-leucil-serin-cisteina y cisteinil-serin- leucil-alanina: a- ¿Cuántas uniones peptídicas presenta cada uno?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... b- En cada uno de los ejemplos identique el extremo carboxilo y grupo amino terminal.
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... c- ¿En qué se diferencian y asemejan ambos péptidos?
............................................................................................................................................................................... 162
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... d- ¿Cómo puede lograr la hidrólisis de estos péptidos?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... e- ¿Cuáles son los productos de la hidrólisis del primer péptido?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 9 1 o l l o r r a s e D y o t n e i m i c e r C e j a z i d n e r p A e d a í u G
f- ¿Qué uniones se podrían establecer entre las cadenas laterales de los péptidos al interactuar ente sí?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................................................
3) Si después de la hidrólisis de una proteína aparecen otras sustancias orgánicas e inorgánicas además de
los aminoácidos la proteína se llama ................................ Esas sustancias orgánicas e inorgánicas unidas a las proteínas se llaman................................................................................... Respecto de los aminoácidos constituyentes de las proteínas humanas: a- todos pertenecen a la misma serie L. b- algunos son levógiros y otros dextrógiros. c- son todos levógiros. d- todos pertenecen a la serie D. e- a + b f- c + d 4) Si en un polipéptido se invierten las posiciones de los aminoácidos extremos se obtiene el mismo péptido
porque se mantienen los mismos aminoácidos. (Elija “verdadero” o “falso” y justique su respuesta). VERDADERO - FALSO ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 5) La hidrólisis exhaustiva de una proteína ¿conduce al conocimiento de la estructura primaria de la misma?
Justique su respuesta. ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 6) Nombre los factores que pueden desnaturalizar una proteína.
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 7) Señale las proposiciones incorrectas respecto de la desnaturalización de las proteínas: a) provoca la pérdida de la actividad biológica. b) destruye sólo las estructuras terciarias y cuaternarias. c) destruye todas las estructuras de la organización de las proteínas. d) disminuye la solubilidad de las proteínas.
163
8) Un número alto de proteínas naturales son muy ricas en cistina y sus propiedades mecánicas (viscosidad,
resistencia a la tensión) están correlacionadas con el contenido de cistina. Explique las bases moleculares de dicha correlación. Relacionar función biológica con estructura proteica del colágeno. ¿Cómo afectaría la desnaturalización proteica a la función biológica de la proteína? ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 9) ¿Qué estructuras presenta el colágeno? Relacione estructura-función biológica.
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 10) Profundice acerca de la distribución del colágeno en los vertebrados. 164
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 11) ¿Qué entiende por “catalizador” ?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 12) ¿Qué diferencia a un catalizador biológico de un catalizador químico de una reacción?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 9 1 o l l o r r a s e D y o t n e i m i c e r C e j a z i d n e r p A e d a í u G
............................................................................................................................................................................... 13) ¿De qué manera puede medirse la actividad enzimática?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................................................
14) ¿Cuál es la unidad de actividad enzimática?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 15) ¿Qué entiende por “temperatura óptima de reacción enzimática” ?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 16) ¿Qué entiende por “pH óptimo de reacción” ?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 17) ¿Cómo puede afectar la desnaturalización proteica a la función de una enzima? ¿Esto es un proceso
reversible o irreversible? ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 18) ¿En qué lugar de la célula se almacena la información genética?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... y dónde se encuentran? 19) ¿Qué son los “nucleósidos” y ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................................................
165
20) Complete el siguiente texto referente a las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos: Las bases que cons-
tituyen los ácidos nucleicos son compuestos heterocíclicos que contienen ...................... .......................... y carbono en sus anillos. Adenina y guanina son .................... que contienen un par de anillos fusionados, citosina ............................. son ............................ que contienen un solo anillo. Los monómeros de los ácidos nucleicos se denominan ........................ y son ésteres fosfóricos de los nucleósidos. 21) Intente esquematizar la estructura del ADN de una manera sencilla y comprensible, que le permita entender
qué signica cada parte del esquema desde un punto de vista químico. Diferencie el ADN de células eucaeuca riotas del de células procariotas ¿Cuántos tipos de RNA podría describir y dónde se encuentran? ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 22) ¿Cómo se denomina el proceso de copia del ADN para formar nuevas hebras de ADN? ¿Cómo, el de copiar
ADN para formar ARN? ¿Qué enzimas fundamentalmente intervienen en uno y en otro proceso? ¿Cuáles son los sustratos de las reacciones anteriormente mencionadas? 166
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 23) ¿Qué entiende por “horquilla de crecimiento” ?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 24) ¿Qué son los “fragmentos de Okasaki” ?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... 9 1 o l l o r r a s e D y o t n e i m i c e r C e j a z i d n e r p A e d a í u G
............................................................................................................................................................................... 25) La organización de los genes es distinta en procariotes y en eucariotes. Una diferencia fundamental es
que en los procariotes, los genes codicadores de proteínas que cumplirán con una función metabólica dada generalmente tienen una disposición continua. En eucariotes esto no es así, e inclusive existen en sus hebras de ADN secuencias codicadoras, denominadas ...................................................., y secuencias no codicadoras de proteínas, denominadas ....................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... ..........................................................................................................................................................................
26) ¿Qué entiende por procesamiento del RNA heterogéneo nuclear?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... síntes is proteica? ¿Qué ubicación subcelular tiene dicho proceso? ¿Por 27) ¿Cómo se denomina el proceso de síntesis qué piensa que puede denominarse de esa manera? ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... del mismo? 28) ¿Qué entiende por “código genético” ? ¿Qué signica “universalidad y degeneración” del ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... .............................................................................................................................................................................. 29) ¿Qué signica “mecanismos de regulación reprimibles e inducibles” ?
............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................................................
167
168
9 1 o l l o r r a s e D y o t n e i m i c e r C e j a z i d n e r p A e d a í u G
DE LOS GENES A LAS PROTEÍNAS
Dra. Sara Feldman. Dr. Juan Carlos Ballina. Área disciplinar Química Biológica. Facultad de Ciencias Médicas, UNR.
Estructura básica del ADN (ácido desoxiribonucleico) Watson y Crick, en la década del cincuenta, describieron la estructura básica del ADN. Por ello obtuvieron el premio Nobel de Medicina. Estos investigadores propusieron que la estructura tridimensional de esta molécula consiste en dos cadenas de polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje común para formar una doble hélice orientada a la derecha. Los nucleótidos están conectados entre sí en una secuencia especíca por uniones fosfodiéster. Existe, por otro lado, una conexión entre la dos cadenas, fundamentada en la complementariedad de las bases nitrogenadas que componen su estructura. Las bases complementarias se aproximan entre sí, interconectándose a través de puentes hidrógenos. Las dos cadenas complementarias de ADN están dispuestas de manera antiparalela, o sea que exhiben polaridad opuesta. En la actualidad, sin embargo, existen evidencias de que el ADN cromosómico podría existir con más de una conformación. Esto tendría implicancias biológicas, ya que agregaría una nueva dimensión a cómo el material genético contendría información. La estructura del DNA ya descripta es un modelo basado en el razonamiento inductivo, el que siempre debe estar sujeto a revisión. Esto puede constituir una importante área de investigación en el futuro. Los avances en técnicas de biología molecular han permitido un avance progresivo en el conocimiento de la medicina, ya que ha establecido una conexión profunda entre las ciencias básicas y la práctica clínica, al generar herramientas de valor diagnóstico. Todo el ADN está formado por genes y secuencias intergénicas. Estas últimas representan la mayor parte del genoma, mientras que los genes son sólo un 10% del mismo. Se estima que el genoma humano tiene unos 80.000 genes. Los mismos codican para distintos tipos de ácidos ribonucleicos (RNAs). Los genes se encuentran esparcidos y separados a grandes distancias por secuencias de DNA intergénicas. Tanto las regiones intergénicas como los genes están constituidos químicamente por ácido desoxiribonucleico. La diferencia entre lo que es gen y lo que no es gen radica en la información genética, y ésta se encuentra determinada por el ordenamiento de las bases. Es decir, una secuencia especíca indicará que, allí donde ella esté y no en otra parte, comienza un gen. Se puede denir a un gen como un trozo discreto de ADN que codica una determinada proteína. Dentro de los genes existen trozos de ADN (intrones) que a posteriori de efectuada la transcripción son eliminados durante el procesamiento del ARN. Es decir, son secuencias que no estarán presentes en el ARN mensajero maduro. Las secuencias que nalmente codican la información para sintetizar una determinada proteína se denominan “exones”. Existen además zonas regulatorias que no codican información sino que corresponden a sitios de unión de proteínas capaces de modicar positiva o negativamente la transcripción del gen. Se encuentran generalmente antes del sitio de inicio de la transcripción y se conocen genéricamente con el nombre de “zonas promotor”. Las otras zonas del ADN podrían tener funciones especiales: participar en la regulación de la expresión génica, en la dirección de funciones pobremente entendidas del cerebro, en la recombinación genético o como repuestos de material genético para requerimientos evolutivos, o ser parte de lo que se llamaría “ gen egoísta”, es decir no tener función alguna. Aproximadamente 90% del ADN se presenta asociado a proteínas, constituyendo la “cromatina”. Estas proteínas pueden ser policatiónicas o histonas y proteínas no histónicas. La disposición de las histonas en la estructura cromosómica es un patrón repetitivo casi sin variantes, en glóbulos. Cada unidad discreta se denomina “nucleosoma”. Las histonas cumplen diversas funciones: pliegan al ADN (estructural), regulan la actividad de los genes, bloqueando o desreprimiendo la información genética. La modicación química de ciertos aminoácidos permitiría, en ciertas circunstancias, modicar las interacciones de las histonas con el ADN, regulando los procesos de transmisión del ujo de la información genética. La mayoría de los genes existentes están destinados desti nados a la regulación de la expresión de otros genes y sólo el 10 o 20% están destinados a la síntesis de proteínas estructurales y/o funcionales.
169
Diferencias entre procariotes y eucariotes a nivel del ADN
En eucariotas existe ADN en el núcleo núc leo y en las mitocondrias. En procariotas encontramos el ADN circular, que no presenta nucleosomas, y los pequeños plásmidos. Por otro lado, en los eucariotas existe una gran complejidad del genoma, en comparación a la que presentan los procariotas. En los eucariotas hay distinta cantidad de cromosomas según las especies. Además existe una compleja distribución de ciertas secuencias con signicados funcionales, así como la alternación de secuencias repetitivas con secuencias únicas. Es importante destacar que una gran parte del ADN de los eucariotas no es transcripta.
Replicación del ADN (duplicación) Este proceso permite que la información genética se transera de una célula madre a una célula hija durante la reproducción celular, ya que permite que el ADN se copie de manera precisa. Se lleva a cabo en dos etapas básicas consistentes en la separación de las hebras de la doble hélice y la síntesis de hebras complementarias, merced a la catálisis llevada a cabo por la enzima ADN polimerasa.
Características generales del procesos de la replicación del ADN
170
9 1 o l l o r r a s e D y o t n e i m i c e r C e j a z i d n e r p A e d a í u G
1) Es semiconservada: cada cadena original se separa de su hómologa y se forma una copia complementaria a la misma. Al nal del proceso cada cadena original queda apareada con una nueva cadena hija. 2) Sentido de la replicación: se realiza en el sentido 5´---3´. Eso se está reriendo a cómo se van uniendo los nucléotidos mediante enlaces fosfoester al último nucléotido de la cadena ya pre-existente o al nucleótido del RNA iniciador (ver más adelante para terminar de interpretar esto). 3) Simultaneidad de la replicación: replicación: las dos hebras se duplican simultáneamente. 4) Desarrollo del proceso de replicación: Intervienen numerosas proteínas: a) Enzima desenrollante o helicasa: cataliza reacciones que demandan provisión de energía a partir de la hidrólisis de ATP. b) proteína jadora de ADN monocatenario: participa en el proceso de estabilización, permitiendo que en ese momento la hebra no tienda nuevamente a complementarse con su homóloga, lo que facilita el proceso de duplicación. c) Topoisomerasas: cortan para evitar torsiones y unen en puntos de ruptura. d) Primasas: son ARN polimerasas, encargadas de formar el ARN iniciador, cebo o primer. El ADN es una espiral plectonémica, o sea, las dos cadenas de plinucleótidos no pueden separarse sino mediante un proceso de desenrollamiento. El ADN se desenrolla a medida que avanza el proceso de la replicación. Se forma una horquilla de replicación. Sabiendo que la enzima interviniente, la ADN polimerasa, es capaz de copiar en el sentido 5’---3’ y dada la naturaleza antiparalela de las dos hebras, el crecimiento de una cadena complementaria a una sola de las dos hebras será de manera continua. Pero no podrá ocurrir que el crecimiento de la otra hebra acontezca de idéntica manera: es por ello que se forman los “fragmentos de Okasaki”, piezas cortas de ADN de 400 a 2000 nucleótidos, que utilizan como molde para su copia a la cadena 5---3´. La hebra que es copiada de esta manera se denomina “hebra retardada”. La hebra que es copiada de manera continua se denomina “hebra conductora”. Recordemos que ambas hebras se copian simultáneamente; la nomenclatura se reere al mecanismo y no a diferencias en el tiempo. Los fragmentos de Okasaki sufrirán un proceso de eliminación de sus pequeños segmentos de ARN, los cuales serán luego unidos entre sí, formándose una hebra continua exactamente complementaria a la hebra madre, ambas actividades catalizadas por actividad nucleopolimerasa.
Transcripción Transcripción del ADN
La información contenida en el ADN es “leída”, previa separación de la doble hélice en hebras individuales, por una enzima denominada ARN polimerasa, en un proceso llamado “transcripción”, generándose una molécula de ARN por cada gen. Una sola de las cadenas del ADN sirve como molde para que se sintetice el ARN, por lo cual este proceso se considera asimétrico.
El proceso de transcripción de un gen es altamente regulado. Indudablemente no debemos dejar de pensar en el punto crítico de la transmisión de la información genética que representa esta etapa, lo que la convierte en probable responsable de enfermedades si la zona donde aconteciera esta regulación sufriese algún tipo de modicación y/o mutación. Actúan aquí factores inductores o represores que, uniéndose uniéndos e de manera especíca a ciertas secuencias del ADN, activan o inhiben el proceso. Estos factores tienen generalmente naturaleza proteica, y al unirse a ciertas secuencias presentes en las regiones promotoras de los genes, provocan cambios que alteran de alguna manera la interacción de la enzima ARN polimerasa en su unión con el ácido desoxi-rribonucleico. En el caso de que el gen que codique para algún factor de transcripción sufriera alguna mutación, podría traer aparejada la probabilidad de ser responsable de algún alejamiento del estado de salud. El inicio de la transcripción está generalmente dado por una secuencia de bases nitrogenadas. De manera adyacente, existen secuencias no codicantes que no serán traducidas y que son importantes i mportantes en la estabilidad del ARN mensajero. Del mismo modo existen zonas no traducidas en el extremo distal del ADN que codican para una señal de poliadenilación. Los sustratos de la reacción de transcripción transcripc ión son los ribonucleótidos tri-fosfato (rNTP). La enzima interviniente es la ARN polimerasa, la que avanza a lo largo de la cadena que actúa como molde. Los rNTP se disponen en una secuencia dictada por la complementariedad de bases, ocurriendo la síntesis del ARN en el sentido 5’--3’. La enzima ARN reconoce el sitio preciso del ADN donde se debe unir y selecciona la cadena precisa que debe transcribir. La selección de la cadena adecuada también es consecuencia de la presencia de un factor proteico especíco. Durante el proceso de enlace e iniciación de la transcripción, los enlaces de hidrógeno que mantienen juntas a las dos cadenas del molde se rompen, dando por resultado una apertura temporal de la cadena en esa zona. Aquí también intervienen proteínas especícas. La polimerasa se moviliza a lo largo de la cadena de ADN en dirección 3’---5’, y fabrica una cadena de ARN complementaria pero antiparalela que crece de su terminal 5’en dirección 3’. Luego que la enzima se va trasladando, la doble hélice de ADN se forma nuevamente y el ARN se va liberando, ya que no queda unido a la hebra de ADN. La transcripción se inicia y termina en sitios especícos, reconocidos por la ARN polimerasa. La mayoría de los ARN sintetizados sufre modicaciones una vez que se concluye con el proceso de transcripción. En eucariotas, en el caso de los genes estructurales transcriptos, el resultado de este proceso es un ARN heterogéneo nuclear (ARNhn). Este ARNhn sufre un proceso de reordenamiento y maduración (splicing), en el que se eliminan las secuencias transcriptas de los intrones. Se obtiene como resultado un ARN maduro que se denominará ARN mensajero (ARNm). Otras modicaciones postranscripcionales implican: 1. la adición de una secuencia de residuos al extremo 3’ terminal de polinucleótidos de adenina. 2. la adición de un trifosfato de 7-metil guanosina en el extremo 5’. 3. el abandono del núcleo y su dirección hacia el citoplasma para intervenir en el proceso de traducción o síntesis proteica.
Biosíntesis de proteínas Este proceso está basado en los paradigmas de la complementariedad de las bases nitrogenadas (las purinas adenina y guanina se unen siempre con las pirimidinas timidina [o uracilo en el ARN] y citosina respectivamente) y los del código genético: una combinación especíca de tres bases, llamada codón, da origen a un aminoácido especíco. Código genético: La secuencia de bases del ARNm, transcripto del ADN, determina la estructura primaria de la proteína que se sintetizará. Cada aminoácido estará representado bajo la forma de un código genético compuesto por una combinación de tres bases nucleotídicas (Código en triplete). Dado que hay cuatro bases disponibles para producir los tripletes, son posibles 64 combinaciones diferentes de códigos en tripletes. El código genético: • es degenerado o redundante: la mayoría de los aminoácidos tienen más de un codón. • es de naturaleza universal. • No todos los 64 tripletes posibles son codones para aminoácidos. Algunos sirven como señales de terminación de mensajes, otros no codican, otros indican señales de nalización.
171
Tipos de ARN que intervienen en el proceso de la traducción Sólo los “ARNs mensajeros” (ARNm) codicarán para proteínas. Los ARNs ribosomales, de transferencia, nucleares pequeños, son productos de sus respectivos genes y nunca son traducidos a proteínas. Ellos tienen funciones especícas en la célula como moléculas de ácido ribonucleico. Los “ARN ribosomales” (ARNr): forman parte de los ribosomas, partículas de ARN y proteínas, que en los eucariotas pueden estar libres en el citoplasma o adheridos a las membranas del retículo endoplasmático. Cada ribosoma está formado por una subunidad menor y una subunidad mayor, y su denominación está fundamentada en la velocidad de sedimentación (S). Participan en el proceso de la traducción o síntesis protei-ca. Se piensa que las proteínas producidas para nes intracelulares son sintetizadas por ribosomas libres, mientras que las proteínas que cumplirán funciones extracelulares son sintetizadas por ribosomas jados a la membrana. O sea que el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi permitirían la modicación química de las proteínas y favorecerían su transporte y secreción extracelular. Los “ARN transferencia” (ARNtr): son de bajo peso molecular. Hay por lo menos uno para cada aminoácido. Su estructura básica es una cadena simple plegada sobre sí misma, formando regiones de estructura en doble hélice, presentando tres rulos, lo que le da aspecto de una hoja de trébol. En el extremo 3´-hidroxilo se ja el aminoácido correspondiente mediante una unión éster. En el rulo del centro contiene el anticodón, es decir, la parte que se pone en contacto con el ARN mensajero durante la traducción.
El proceso de la biosíntesis de proteínas consta de varias etapas: 172
9 1 o l l o r r a s e D y o t n e i m i c e r C e j a z i d n e r p A e d a í u G
A) Formación de los aminoacil-ARNt (aa-ARNt) o activación de los aminoácidos: Este proceso es endergónico, es decir, deci r, requiere del consumo de energía. Existiría un enzima especíca para cada aminoácido que especícamente se une a su/s ARNt. (Por ejemplo, en el caso de la serina, existen más de un ARNt especíco, y a todos los reconocería la misma enzima: recordemos el concepto de código genético degenerado). B) Síntesis de la unión peptídica: b.1. Iniciación de la transcripción: Ocurre la disociación de las subunidades menor y mayor ribosomales, y el reconocimiento de la subunidad menor de una secuencia adyacente al extremo 5’ del ARNm. A partir de aquí se produce el reconocimiento de la subunidad menor de una secuencia adyacente al extemo 5’ del ARNm, (en eucariotas es 7 metil guanosina del ARNm). La iniciación de polipéptidos de las células eucariotas empieza con el codón AUG, el que es reconocido por el anticodón CAU presente en un ARNt que transporta metionina. Este ARNt es totalmente distinto a los que transportan metionina para secuencias internas de la proteína; es especíco para leer el codón de iniciación de la síntesis y está unido a factor de iniciación y a una molécula de GTP. Luego se agrega la subunidad mayor ribosomal. b.2. Elongación: • La secuencia anticodón de los ARNt se irá disponiendo en forma antiparalela a la del codón correspondiente del ARNm. Cuando la iniciación se completa, el ARNt-met se ubica en el sitio P y el segundo codón del ARNm se ha desplazado. Este codón determinará entonces la identidal del aminoaacil-ARNt a incorporar por el principio de complementariedad de bases.A (sitio aceptor) será el sitio de reconocimiento o descodicación. Ocurrirá la unión de aacil-ARNt al sitio A, solamente si el sitio P está ocuocupado, y siempre ocurre con consumo de energía. • Formación de la unión peptídica o translocación: La enzima que actúa ac túa es la peptidil transferasa. El ARNt del sitio P se libera. Se transloca el peptidil ARNt del sitio A al P, proceso que requiere Energía. Sitio A queda libre y el ribosoma puede avanzar un codón más sobre el ARNm. En la medida que el proceso de elongación se vaya repitiendo se puede decir brevemente que el sitio A será el sitio al cual se una el aa-ARNt. El sitio P o dador, será el sitio en el cual se encuentra el peptidil-ARNt que es capaz de donar su cadena peptídica al aa-ARNt que se ubique en el sitio A. C) Terminación: La señal la da un codón de terminación en el ARNm. Actúan factores de liberación que actúan en el sitio A y requieren que haya peptil-ARNt en el sitio P. P. A) Formación de los aminoacil-ARNt (aa-ARNt) o activación de los aminoácidos:
D) Modicaciones postraduccionales: • Plegamiento del polipéptido: adopción de una estructura tridimensional que dependerá del estado termodinámicamente más favorable en el medio en que se encuentre. • Eliminación de residuos amino terminales. • Formación de puentes disulfuros. • Acción de peptidasas. • Modicaciones covalentes: - hidroxilaciones, - carboxilaciones, - fosforilaciones, - unión a grupos prostéticos, lípidos, glúcidos, etc. Hemos comenzado a analizar en un primer nivel de profundidad, cómo se transmite la información genética. El proceso por el cual se transere la información genética varía en su grado de complejidad según la ubicación de los organismos en la escala evolutiva. La célula utiliza mensajeros para conectar su banco de información con la utilización de la misma. El proceso de transcripción permite que la secuencia de nucleótidos del ARNm sea un reejo preciso del material genético genétic o a partir del cual fue sintetizado. Esto no sólo permite guardar la información, y por el otro lado enviarla, sino también amplicarla, ya que a partir de una molécula de ADN se pueden sintetizar muchas de ARNm, cada una de las cuales puede permitir la síntesis de muchas cadenas polipeptídicas. Se sabe que las células que poseen un alto nivel en su síntesis proteica poseen un alto nivel de síntesis de moléculas de ARNm. Es importante que destaquemos que todos estos procesos no serían posibles si no existiesen delicados mecanismos de reconocimiento intermoleculares namente regulados. El concepto de la interacción especíca de moléculas es una de las ideas básicas que permiten explicar a partir de la química biológica la complejidad de la organización celular, tisular, y en todos los niveles de complejidad de los seres vivos
Referencias bibliográcas • DEVLIN TM. Bioquímica. 3º edición. Barcelona, Ed. Reverté, 1999.
• • • • • • • • • • • •
HARPER E. Bioquímica de Harper. Harper. 15º edición en castellano, 25º edición en inglés. Eds. Murray, Granner, Mayer y Rodwell. HERRERA E. Bioquímica. Madrid, Ed. Interamericana, McGraw Hill, 1991. HORTON HR, MORAN LA, OCHS RS, RAWN D y otro. Bioquímica. 3º edición. Prentice Hall, 2002. MORAN LA, GRAY SCRIMGEOUR K, HORTON HR, OCHS RS y otro. Biochemistry 2º 2º edición, Prentice Hall, 1994. LUQUE J, HERRÁEZ HERR ÁEZ A. Texto ilustrado de biología Molecular e Ingeniería genética. Ed. Harcourt, 2001. MATHEWS CK, VAN HOLDE KE. Bioquímica. Ed. Macgraw-Hill interamericana, 1998. MATHEWS MATHEWS CK, VAN VAN HOLDE KE, AHERN KG. Bioquímica. 3º edición. Madrid, Ed. Addison Wesley/Pearson Education, 2002. NELSON DL Y COX MM. Principios de Bioquímica. 3º edición. Barcelona, Ed. Omega, 2001. RAWN JD. Bioquímica. Madrid, Ed. Interamericana. Mc Graw Hill, 1989. STRYER L. Bioquímica. 4º edición. Barcelona, Ed. Reverté,1995. VOET D, VOET J. G. Bioquímica. Barcelona, Ed. Omega, 1992. CURTIS H, BARNICEN. Biología. 6º edición. Bs. As. Editorial Médica Panamericana, 2001. Nota: La bibliografía citada es para profundizar los conceptos de este apunte.
173
174
9 1 o l l o r r a s e D y o t n e i m i c e r C e j a z i d n e r p A e d a í u G
MEMBRANAS CELULARES – COMPOSICIÓN QUÍMICA
DOCENTES RESPONSABLES: Dras. María del Carmen Fernández. Digna Caferra. Cátedra de Química Biológica
OBJETIVOS - Que el alumno
* Conozca los componentes químicos que dan estructura a la membrana * Interprete y asocie las propiedades físicas y químicas de dichas especies, justicando su ubicación especíca y función en la membrana celular. * Interprete el concepto de mosaico uido y su funcionalidad.
INTRODUCCION Las células que constituyen los tejidos y órganos del ser humano son eucariotas. Están delimitadas por una película muy delgada denominada membrana plasmática, constituida por lípidos, proteínas e hidratos de carbono. En el contenido de la célula aparecen organoides y el núcleo que también están envueltos por este tipo de membrana. No es una simple envoltura inerte sino una estructura dinámica y funcional, con propiedades comunes y/o especícas para los distintos tipos de células especializadas. Desde ya la cantidad relativa de cada uno de los componentes mencionados variará de acuerdo con la función y siología de cada célula y de cada tejido. Si la estructura no nos dice algo sobre la función, no la hemos observado correctamente. Szent-Györgyl
Dada la complejidad estructural y funcional de la membrana celular es es fundamental el conocimiento de las biomoléculas. La química de los compuestos del carbono es muy amplia y compleja. Involucra gran cantidad de sustancias en las que los átomos de carbono se unen entre sí o se unen a otros átomos originando compuestos con estructuras y funciones muy diferentes. En un primer intento por comprender la complejidad química de la membrana celular el alumno debe reconocer funciones básicas tales como: alcohol, ácido carboxilo, éster, amino, amida, etc. –– CH2 – OH (primario) - alcoholes –– CH –– OH l l –– CH –– OH l - ácido carboxílico
― COOH
- grupo amino
― NH2
- enlace éster
― C ― O ― CH 2 ― ll O
(secundario)
(terciario)
entre una función carboxilo y una función alcohol
175
- enlace amida
l ― C ― NH―C –– ll l O
entre una función carboxilo y una función amino
Nota: El alumno deberá recuperar conocimientos sobre aminoácidos y proteínas desarrollados durante el
tratamiento de la UP 2 de esta misma área.
PROBLEMAS GUIA PARA EL ABORDAJE Y LA COMPRENSIÓN DEL TEMA LIPIDOS Podemos clasicar los fosfolípidos en dos grupos: glicerofosfolípidos y esngolípidos. Observe esta fórmula que representa a un glicerofosfolípido en general. No es tan importante que la recuerde de memoria como que sepa cuáles son las unidades que la componen y las funciones y los enlaces químicos que aparecen en su estructura y que están relacionados con su ubicación y función.
176
9 1 o l l o r r a s e D y o t n e i m i c e r C e j a z i d n e r p A e d a í u G
O ll O CH2 ― O ― C ― R1 ll | R2 ―C― O ― CH O| | CH2 ― O ― P ═ O | O ― CH2 ― CH2 ― N+ (CH3) 1. Reconozca la cadena carbonada del propanotriol (glicerol). 2. ¿Qué representan R1 y R2? ¿ Son iguales o diferentes? ¿ Qué tipo de enlace los une al glicerol? 3. ¿ Es el mismo tipo de unión que une al ácido fosfórico? Simultáneamente este ácido inorgánico esterica con otro compuesto, enciérrelo en un círculo, ¿Qué dos grupos funcionales posee? ¿Cómo se llama? 4. Incluya toda la molécula en dos círculos: uno que abarque el extremo no polar y y el otro el polar ¿Cuáles ¿Cuáles son los sustituyentes más importantes que quedan encerrados en el primero y cuáles los que le otorgan carga al segundo y de qué signo? 5. Ubicada esta molécula en la doble capa de la membrana ¿cómo estarán orientados estos extremos? 6. ¿Qué ventaja proporciona a la membrana la presencia de dobles enlaces cis en la cadena de R1 y/o R2 ? 7. ¿Cuál sería el nombre propio de este fosfolípido si R1 y R2 fueran ácido palmítico (16 C)?. ¿En qué tejido es más abundante? 8. Si en lugar de colina el alcohol aminado fuera etanolamina, ¿cómo sería la polaridad del compuesto? 9. Busque otros compuestos de esta misma familia como la cardiolipina. ¿Qué ubicación tiene? ¿Y aquéllos en los que el grupo alcohol que esterica con el ácido fosfórico es proporcionado por serina o por inositol. Nómbrelos y averigüe qué rol juegan como componentes de la membrana. 10. ¿Cuál es el fosfolípido predominante en la membrana celular? esnEl otro grupo de fosfolípidos dijimos que está compuesto por los esngolípidos en los que aparece el esngol, alcohol de 18 átomos de carbono, como parte de la estructura:
H2 C – OH l HN – CH l H2 C – OH l C ll C I (CH2 )12 l CH3 11. Reconozca en la molécula de este alcohol las funciones presentes en los carbonos 1, 2, 3 y 4. 12. Busque la fórmula de la esngomielina, lípido relacionado con el tejido cerebral y reconozca cuáles son los radicales asociados a este alcohol y mediante qué tipo de enlace. Si alguno le conere polaridad a la molécula y de qué naturaleza. 13. Se dice que tanto glicero- como esngo- lípidos son compuestos anpáticos; ¿qué signica este término? 14. ¿Cómo se establece la asimetría de carga de las membranas de la célula? 177
Otro componente importante es el colesterol. Constituye cerca del 50 % de la composición lipídica de las membranas pero su importancia no reside únicamente en la cantidad en que se encuentra presente sino en cómo contribuye a las propiedades de la membrana. 15. Busque la fórmula del colesterol y lea sobre las propiedades de este compuesto para responder las siguientes preguntas. 16. ¿Se trata de una estructura rígida o exible? polar o apolar ? ¿de masa molecular pequeña o relativamenrelativamente voluminosa? 17. Dadas estas características ¿dónde y cómo se ubica el colesterol dentro de la estructura que estamos estudiando? 18. ¿Qué función cumple y cómo regula la uidez de la membrana ante aumentos de la temperatura y ante una disminución de la misma? Si resolvió esta ejercitación exitosamente se habrá entrenado para el reconocimiento de otros lípidos comple jos que pueden aparecer como integrantes de las membranas, comprender el por qué de su ubicación dentro de la misma y las propiedades que le coneren para lograr mayor efectividad en su función. Por ejemplo: busque en la bibliografía las diferencias y similitudes de cerebrósidos y gangliósidos con los lípidos complejos que hemos analizado hasta aquí. 19. ¿ Tienen polaridad? 20. ¿Qué tipo de sustituyente aparece que no vio en los fosfolípidos anteriores? Y por lo tanto qué nombre reciben? 21. ¿Cuáles son los ácidos grasos que más frecuentemente forman enlaces amida con el esngol? 22. ¿Qué rol juegan en la constitución de las membranas de los tejidos en los que predominan?
PROTEINAS 23. Distinga entre proteínas integrales y periféricas. 24. ¿Qué características poseen las cadenas laterales de los aminoácidos que predominan en los segmentos
25. 26. 27. 28.
de las proteínas integrales y de transmembrana incluidos en la zona apolar de de la capa lipídica? ¿cuáles las de los segmentos proteicos que protruyen hacia el citosol y/o hacia el medio externo? ¿De qué tipo pueden ser los enlaces que permiten a las proteínas periféricas permanecer asociadas a otras proteínas o a las cabezas polares de los lípidos? Si el enlace es covalente, ¿entre qué grupos se establece y por lo tanto cómo se denomina ese enlace? Describa someramente un proteoglucano y averigüe el papel que juega su presencia en un tejido. Establezca la diferencia con las glucoproteínas en cuanto a su estructura y ubicación en la membrana.
Al nalizar el análisis propuesto arriba relacione sus conocimientos con los siguientes puntos estrechamente relacionados con el tema • permeabilidad • enzimas • receptores • secreción • señales de reconocimiento (“comportamiento social de las células”) • independencia funcional (entre células y entre citosol integrales y organelas u organelas entre sí) • glucocáliz : composición y función 178
9 1 o l l o r r a s e D y o t n e i m i c e r C e j a z i d n e r p A e d a í u G
RECURSOS CORRESPONDIENTES A LOS CONTENIDOS: Bibliografía obligatoria:
• •
QUÍMICA BIOLÓGICA, Antonio Blanco. Editorial El Ateneo. (Capítulos: Estructura de Lípidos). HISTOLOGÍA , Finn Geneser (Capítulo 3)
Bibliografía optativa:
• • •
Bioquímica. Stryer L. Tomos I y II. Editorial Reverte SA Bioquímica de Harper. Murria, Granner, Mayes, Rodwell. Editorial Manual Moderno Principios de Bioquímica. Leningher, Nelson, Cox. Editorial Omega.
