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TEMA 1. INTRODUCCIÓN, PROPIEDADES DEL AGUA Y SISTEMAS TAMPÓN, INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO AGUA El agua supone el 70% del contenido corporal total. La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno (carga positiva) y una molécula de agua (carga negativa), por lo que la molécula es un dipolo. Las moléculas de agua se relacionan entre sí con puentes de hidrógeno, que unen el átomo de hidrógeno de una molécula con el átomo de oxígeno de otra. Estos enlaces son débiles, con tiempo de vida corto y están constantemente formándose y rompiéndose. Además, determinan el estado en el que se encuentra el agua. El agua líquida presenta entre 3-4 pdh, y el hielo 4 pdh.
Dos propiedades principales del agua son: - - Poder disolvente para moléculas polares. Sin embargo, las moléculas apolares son hidrofóbicas y lipofílicas. También existen las moléculas anfipáticas, que son aquellas que presentan en su estructura una región polar y una región apolar. Se estabilizan en contacto con el agua formando distintas estructuras, como bicapas lipídicas (cabezas polares hacia el exterior y colas hidrófobas hacia el interior) o micelas. Capacidad de ionizarse de forma reversible, cediendo un protón: H2O = OH + H.
El agua, al igual que otros pares ácido-base, tienen su constante de disociación ácida o constante de equilibrio: OH y H en el numerador, y moléculas de H2O en el denominador. SISTEMAS TAMPÓN Para evitar variaciones bruscas del pH existen los tampones/disoluciones amortiguadoras/pares ácido-base conjugados. Al igual que el agua, este par ácido-base está determinado por una constante de acidez (ecuación de HendersonHasselbach). El punto en el que el pK = pH, es el punto de mayor poder de tamponamiento.
Este punto realmente constituye un intervalo que se traduce como que si un pH en ese intervalo le añades una concentración de aniones OH, el cambio de pH será muy leve (gran poder de tamponamiento), pero si añades OH fuera de ese intervalo, la desviación del pH será mucho mayor. Los principales tampones son el tampón acetato en medio ácido, el tampón fosfato en medio neutro y el tampón amonio en pH básico. GENERALIDADES DEL METABOLISMO El metabolismo es un conjunto de reacciones bioquímicas destinadas a formar energía o macromoléculas.
Las reacciones catabólicas consisten en la degradación de nutrientes mediante reacciones oxidativas para liberar energía química, que será aprovechada por reacciones anabólicas de tipo reductor para formar macromoléculas. Para estas reacciones son necesarias moléculas transportadoras: - - ATP: transporta grupos fosforilo. Es una molécula formada por adenosina + 3 grupos fosfato. La particularidad es que los enlaces entre los fósforos son de alta energía, y cuando se rompen, esta energía se libera y se aprovecha para otras reacciones, pasando el ATP a ADP. La molécula de ADP también puede romperse y pasar a AMP, pero con poco potencial energético.
En el proceso inverso, la energía puede almacenarse uniéndose enlaces de fósforo para constituir ADP y ATP desde el AMP. NADH, NADPH y FADH2: transportadores de electrones. El objetivo de estas moléculas es funcionar como dadores y aceptores de electrones (y los protones asociados). Una molécula se oxida cuando pierde electrones (y protones asociados), y se reduce cuando gana electrones (y protones asociados). Un estado reducido tiene muchos H y pocos O, mientras que un estado oxidado tiene pocos H. TEMA 2. GLÚCIDOS ESTRUCTURA Los glúcidos son moléculas sencillas desde el punto de vista químico (hidrógeno, carbono y oxígeno).
La forma más simple son los monosacáridos, que pueden tener un grupo aldehído (aldosas) o un grupo cetona (cetosas). La unión de monosacáridos produce oligosacáridos (hasta 20). Más de 20 monosacáridos unidos es un polisacárido. Los monosacáridos se unen mediante un enlace glucosídico. Se puede establecer entre los carbonos en posiciones 1-4 o entre las posiciones 1-6. La diferencia desde el punto de vista energético es que los enlaces 1-4 son lineales y los 1-6 son polímeros ramificados. Los glúcidos presentan centros asimétricos o centros quirales (carbonos con los mismos grupos funcionales unidos, pero en distinto orden, generan dos moléculas distintas llamadas estereoisómeros).
Por ejemplo, en la D-fructosa, a la izquierda del carbono nº3 hay un grupo -OH y a la derecha un grupo -H, mientras que en la L-Fructosa el grupo -OH está a la derecha y el -H a la izquierda. En relación a los estereoisómeros: - Epímeros: dos glúcidos que sólo difieren en uno de sus centros asimétricos. Diastereoisómeros: configuraciones opuestas en ≥ 2 centros quirales. Enantiómeros: son imágenes especulares (configuraciones opuestas en todos los centros quirales). Los glúcidos tienen a ciclarse en el agua, y se representa en el espacio con la proyección de Haworth (el grupo funcional puede quedarse hacia arriba o hacia abajo).
La proyección de Fisher es una combinación entre la proyección plana normal y la proyección de Haworth. Los carbonos se numeran, siendo el nº1 el del grupo aldehído. La conformación tridimensional es más compleja, y puede ser en forma de silla o forma de barco. La forma de silla es mucho más estable desde el punto de vista energético, porque minimiza las repulsiones. GLUCÓLISIS La glucólisis consiste en la degradación de una molécula de glucosa para obtener energía en forma de ATP + piruvato. Sucede en el citoplasma y está constituida por dos etapas: 1) La primera etapa requiere consumo de ATP 2) En la segunda etapa se obtiene energía en forma de ATP + piruvato.
En condiciones aerobias, el piruvato entra en el ciclo de Krebs. En condiciones anaerobias, el piruvato se transforma en lactato y también se obtiene energía, aunque en menor medida. Las levaduras realizan fermentación del piruvato, produciendo etanol y CO2. En la vía aerobia, el piruvato se incorpora al ciclo de Krebs en la mitocondria con el objetivo de obtener poder reductor (NADH, FADH2), GTP y CoA. El poder reductor se incorpora a la cadena de transporte electrónica en la mitocondria, donde se forma un gradiente de protones que activa a la enzima ATPasa, localizada en la matriz mitocondrial, y que fosforila ADP para formar ATP.
La glucosa no es la única molécula por la que se puede obtener energía desde la glucólisis (también manosa, galactosa…), pero sí la que aporta mayor energía. GLUCONEOGÉNESIS La gluconeogénesis consiste en la formación de glucosa a partir de precursores no glucídicos. El proceso ocurre al 95% en el hígado y 5% en riñón. Sólo puede hacerse en hígado y riñón porque son los únicos órganos con glucosa-6fosfatasa, la última etapa del proceso. El precursor de la gluconeogénesis es el piruvato, y existen multitud de moléculas a partir de las cuales se puede realizar, como la mayoría de los aminoácidos, glicerol o lactato. El proceso comienza en la mitocondria → citosol → retículo endoplasmático.
No es un proceso inverso como tal a la glucólisis, ya que tienen reacciones específicas de cada uno y que tienen lugar en regiones celulares distintas, pero coinciden en algunas etapas. Un punto clave que puede dirigirse en ambos sentidos es la fructosa-2,6-bifosfato: - Glucagón → enzima fructosa bisfosfatasa → gluconeogénesis. Insulina → fosfofructokinasa → glucólisis. GLUCÓGENO El glucógeno es un polímero ramificado de glucosa que se utiliza como depósito de energía. Se forma por las uniones de glucosa con enlaces lineales 1-4. El glucógeno se encuentra en músculo e hígado. - Glucogenogénesis: formación de glucógeno. La principal enzima es la glucógeno sintasa.
Glucogenólisis: liberación de glucosa desde el glucógeno. Influido por las hormonas contrainsulares. La principal enzima es la glucógeno fosforilasa. RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO No es una ruta puramente energética, sino que produce NADPH + ribosa-5P para sintetizar nucleótidos. Es una ruta con una primera fase irreversible y una segunda fase reversible. TEMA 3. ÁCIDOS NUCLEICOS ESTRUCTURA Son las moléculas encargadas de transmitir la información genética (ADN y ARN). La unidad básica son los nucleótidos, formados por un grupo fosfato + nucleósido. A su vez, el nucleósido es una pentosa (monosacárido de 5C) + base nitrogenada.
Existen dos tipos de bases nitrogenadas: - Purinas: formadas por dos anillos. Son la adenina y la guanina. Pirimidinas: formadas por un único anillo. Son la citidina, timina en el ADN y uracilo en el ARN. La diferencia entre la timina y el uracilo es que la timina tiene un grupo metilo. El ADN está constituido por dos cadenas de nucleótidos antiparalelas y complementarias. Los enlaces entre los nucleótidos son de tipo 3-5 fosfodiéster. La estructura del ADN tridimensional es compleja: se enrolla alrededor de unos nucleosomas, formando la eucromatina.
Hay un nivel de enrollamiento superior, la heterocromatina, mucho más condensada y menos accesible, por lo que sólo la eucromatina tiene un papel transcripcional. Si se observa al microscopia electrónico, la eucromatina es más clarita. SÍNTESIS DE NUCLEÓTIDOS Los nucleótidos se pueden sintetizar: - De novo: partimos de una pentosa y una molécula de glutamina (que dará lugar a la base nitrogenada). Reciclaje: degeneración hidrolítica de ácidos nucleicos. TRANSFERENCIA DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA La transferencia de la información genética consiste en varios procesos: 1) Replicación: ocurre en el núcleo. Es la duplicación del material genético.
Las dos hebras de ADN se separan mediante la enzima helicasa, formando la horquilla de replicación. Se colocan nucleótidos con bases complementarias en cada cadena. 2) Transcripción: ocurre en el núcleo. ADN → ARNm. 3) Maduración del ARNm: procesos de splicing. Los intrones se quedan en el núcleo y los exones salen y se empalman entre sí. Según cómo se empalmen los exones se pueden formar proteínas distintas con el mismo material genético. 4) Traducción: ocurre en los ribosomas. Una vez las dos subunidades del ribosoma (30 S y 50 S) se han asociado, el ARNm se desplaza por el ribosoma, y por cada 3 bases nitrogenadas se coloca un aminoácido.
El código genético tiene una serie de propiedades: No es ambiguo: cada codón codifica para un único aminoácido. Es degenerado o redundante: un mismo aminoácido puede estar codificado por distintos codones. Es universal: a pesar de la evolución, el código genético se mantiene. TEMA 4. AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS ESTRUCTURA DE LOS AMINOÁCIDOS Los aminoácidos son las unidades básicas monoméricas de la proteínas. Están formadas por un carbono alfa unido a un grupo amino, un grupo carboxilo (ácido), un hidrógeno y una cadena lateral variable.
Los aminoácidos pueden clasificarse atendiendo a: - Esenciales o no esenciales: si nuestro cuerpo no lo puede sintetizar y se debe obtener por la dieta, es esencial. Características químicas de la cadena lateral: pueden ser apolares, polares no cargados, polares con carga positiva (grupos amino) o polares con carga negativa (ácidos carboxílicos). Dentro de los apolares, pueden ser o no aromáticos. Los aromáticos tienen propiedades espectroscópicas en el ultravioleta visible. El aminoácido (independientemente de la cadena lateral) puede encontrarse en tres estados: catiónico, neutral/zwitterion o aniónico.
- Forma catiónica: presenta un grupo carboxilo con carga COOH y un grupo amino con carga NH3+. El protón más ácido es el más potencialmente “perdible”, en este caso el del COOH. Forma neutral o zwitterion: COO- y NH3+. Forma aniónica: COO- y NH2. ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS La unión entre aminoácidos se realiza mediante el enlace peptídico, y forma péptidos. Este enlace se produce entre el grupo amino de un aminoácido y el grupo carboxilo de otro aminoácido, formándose un grupo amida y perdiéndose una molécula de agua. Una vez que la proteína se ha sintetizado, pueden sufrir modificaciones postraduccionales. Las formas previas de proteínas activas se denominan cimógenos.
Si la proteína es una enzima, la forma previa inactivada es una proenzima. Algunos mecanismos de modificación postraduccionales son el recorte (como la insulina) o las modificaciones covalentes (se unen grupos a la proteína, como las metilaciones). Las proteínas tienen distintos tipos de organización: - Primaria: secuencia lineal de los aminoácidos. No es funcional. Secundaria: plegamiento en forma de alfa-hélice o de lámina-beta. Terciaria: cadena polipeptídica con regiones alfa y regiones beta. Funcional. Cuaternaria: es el caso de las proteínas integradas por subunidades, como la hemoglobina.
CATABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS Tanto las proteínas de la dieta como las intracelulares se pueden degradar: - Esqueletos de carbono: pueden entrar en el ciclo de Krebs para producir energía (y el proceso continuaría de manera similar a la glucólisis) o producirse oxalacetato para producir glucosa (gluconeogénesis). Nitrógeno: se pueden usar para constituir aminas biológicas, o degradarse y entrar en el ciclo de la urea (tiene lugar en el hígado, a y nivel de la célula, ocurre entre la mitocondria y el citoplasma). Dos ciclos relacionados con el catabolismo de proteínas - Ciclo de Cahill: tiene lugar en el hígado. Degradación de aminoácidos para obtener glutamato → alanina → piruvato.
Ciclo de Cori: el lactato que se forma en el músculo en el ejercicio físico intenso pasa al hígado y se transforma en piruvato. ANABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS - Los aminoácidos pueden ser precursores de neurotransmisores: la tirosina es el precursor de la dopamina, NA y adrenalina. La incorporación de nitrógeno a las rutas biológicas se hacen por la glutamato deshidrogenasa y glutamina sintasa. TEMA 5. LIPIDOS ESTRUCTURAS Los lípidos son moléculas hidrófobas que cumplen muchas funciones: almacenamiento energético, son componente de membranas y actúan como mensajeros extracelulares e intracelulares (hormonas, prostaglandinas y vitaminas A, D, E y K).
Los ácidos grasos tienen un ácido carboxílico + cadena alifática (carbono e hidrógeno). Pueden tener dobles enlaces (insaturaciones). La longitud de la cadena es variable. Los ácidos grasos se pueden clasificar según: - El número de átomos de carbono (longitud de la cadena). El número de insaturaciones/dobles enlaces. Los que son saturados tienen un 0 (porque no tienen insaturaciones). Los lípidos necesitan un sistema especial de transporte, porque al ser apolares no se disuelven en agua.
Son las lipoproteínas, que tienen una parte proteica (apolipoproteína) y una parte lipídica (colesterol, fosfolípidos, etc.) Existen distintos tipos de lipoproteínas (HDL, LDL, IDL, etc.) según su densidad, tamaño y composición. Las distintas lipoproteínas con sus respectivas apolipoproteínas son: - Quilomicrones: C-II Remanentes de quilomicrones: B48, E VLDL: C-II, B100 LDL: B-100. Colesterol del hígado a tejidos periféricos. HDL: A. Colesterol de tejidos periféricos al hígado. CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS La lipólisis es el proceso por el cual los triglicéridos de las reservas adiposas liberan ácidos grasos + glicerol.
El glicerol puede usarse como base para la gluconeogénesis, y sobre los ácidos grasos: 1) En el citoplasma, los ácidos grasos + CoA = acil-CoA graso. 2) En la mitocondria tiene lugar la beta-oxidación: partiendo de ácidos grasos complejos se van escindiendo grupos de 2 carbonos, y se forma acetil-CoA. 1) El acetil-CoA puede incorporarse al ciclo de Krebs (sigue la vía de la glucólisis normal) o transformarse en cuerpos cetónicos (acetona, acetoacetato, beta-hidroxibutirato). La acetona se elimina por el aliento, pero los otros dos pueden seguir participando en procesos biológicos, volver al ciclo de Krebs y producir ATP. Los cuerpos cetónicos tienen efecto anorexigénico.
ANABOLISMO DE LOS LÍPIDOS El citrato del ciclo de Krebs sale al citoplasma y se transforma en acetil-CoA → malonil-CoA y finalmente en ácidos grasos. TEMA 6. PRINCIPALES FUENTES DE ENERGÍA Las fuentes de energía durante el ejercicio físico dependen de la duración y de la intensidad. Por lo general, el orden en el que se consumen es: 1) Fosfocreatina (CPK). Aporta fosfatos de alta energía, incluso más que el ATP. Se consume muy pronto y en condiciones de ejercicio físico intenso. 2) ATP 3) Metabolismo anaeróbico 4) Metabolismo aeróbico El glucógeno se consume sólo en ejercicio de intensidad moderada o severa.