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AGUA

La vida en la tierra se suele describir como un fenómeno basado en el carbono, pero sería igualmente correcto llamarlo un fenómeno basado en el agua. Es probable que la vida se ha originado en el agua, hace más de tres mil millones de años, y que todas las células vivientes sigan dependiendo del agua para existir. En la mayor parte de las células el agua es la molécula más importante  y forma de 60 a 90% de su masa, aunque hay pocas excepciones, como las semillas y las esporas, de las cuales se expulsa el agua.

La molécula de agua tiene forma de V, y el ángulo entre los dos enlaces covalentes O—H es de 104.5˚. Algunas propiedades importantes del agua se deben a la  forma angulada y a los enlaces intermoleculares que pueden formar.

El agua es un excelente solvente, ya que posee una viscosidad intrínseca que no impide  mucho el movimiento de las moléculas disueltas en ella. Por último, las moléculas mismas de agua son pequeñas en comparación con las de otros solventes como el etanol y el benceno.

El pequeño tamaño de las moléculas de agua determina  que muchas de ellas puedan asociarse con partículas de soluto y hacerlas más solubles.

Las sustancias iónicas y polares se disuelven en agua: la ionización se relaciona con la ganancia o pérdida de un electrón, que da lugar a un átomo o a un compuesto que presenta carga neta. Las moléculas que se pueden disociar y formar iones se llaman electrolitos. Las sustancias que se disuelven con facilidad en agua se llaman hidrófilicos o amantes del agua.

 

Concentraciones celulares y difusión: el  comportamiento de los solutos en el citoplasma es distinto del que tienen en una sencilla solución en agua. Una de las diferencias más importantes es la reducción de la velocidad de difusión dentro de las células.

Presión osmótica: Si una membrana permeable al solvente separa a dos soluciones que contienen concentraciones distintas de sustancias disueltas, o solutos, las moléculas del solvente se difundirán desde la solución menos concentrada hacia la más concentrada en un proceso llamado osmosis. La presión necesaria para evitar este flujo de solvente se llama presión osmótica. La presión osmótica de una solución depende de la concentración molar total del soluto y o de su naturaleza química.

 

 

 

 

Se dice que las moléculas no polares son hidrofóbicas (que “odian” al agua) y a este efecto de exclusión de sustancias no polares por parte del agua se le llama efecto hidrofóbico. El efecto hidrofóbico es crítico para el plegamiento de las proteínas y el autoensamblaje de las membranas biológicas.

Interacciones no covalentes

Interacciones carga-carga: son interacciones electrostáticas entre dos partículas cargadas. Esas interacciones son potencialmente las fuerzas no covalentes más grandes y se pueden extender a mayores distancias que otras interacciones no covalentes.

Puentes de Hidrogeno en el agua: Una de las consecuencias importantes de la polaridad de la molécula de agua es que dichas moléculas se atraen entre sí. La atracción entre uno de los átomos de hidrogeno, ligeramente positivo, de una molécula de agua y los pares de electrones parcialmente negativos en uno de los orbitales híbridos sp3, produce un “puente de hidrogeno”. En un puente de hidrogeno entre dos moléculas de agua, el átomo de hidrogeno permanece enlazado covalentemente a su átomo de oxigeno que es el donador de hidrogeno. Al mismo tiempo, está unido a otro átomo de oxígeno, llamado aceptor de hidrogeno.

Fuerzas de Van der Waals: Otra fuerza débil a las interacciones entre los dipolos permanentes de dos enlaces polarizados sin carga, o las interacciones entre dipolo permanente y un dipolo transitorio, inducido en una molécula vecina. Esas fuerzas son de corto alcance y su magnitud es pequeña, de unos 1.3KJ mol^-1   y 0.8KJ mol^-1.

 

 

Interacciones Hidrofóbicas: La asociación de una molécula o grupo relativamente no polar con otras moléculas no polares. Si bien a las interacciones hidrofóbicas a veces se le llaman “enlaces” esta descripción es incorrecta. Las moléculas o grupos no polares tienden agregarse en solución acuosa no por la atracción mutua sino porque las moléculas polares de agua atrapadas en torno a los compuestos no polares tienden asociarse entre sí y no con las moléculas no polares.

Ionización del agua

Una de las propiedades importantes del agua es su pequeña tendencia a ionizarse. El agua pura no está formada solo por H₂O, sino también por una baja concentración de iones hidronio H₃O y una concentración igual de iones hidróxido OH. Los iones hidronio e hidróxidos se forman por un ataque nucleofilico del oxígeno contra uno de los protones en una molécula adyacente de agua.

Importancia Biológica del agua

1.      Participa en las reacciones que se dan en nuestro cuerpo.

2.      Es transportadora de nutrientes para que las células e alimenten.

3.      Es importante para eliminar desechos tóxicos del cuerpo.

4.      Hay un 65% o más en nuestro cuerpo.

 

 

pH

El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de iones hidrogeno [H]+ presentes en determinadas disoluciones.

pH = –log[H+] 

Disoluciones amortiguadoras

Diversas reacciones químicas que se generan en disolución acuosa necesitan que el pH del sistema se mantenga constante, para evitar que ocurran otras reacciones no deseadas. Las disoluciones reguladoras, amortiguadoras o búfer, son capaces de mantener la acidez o basicidad de un sistema dentro de un intervalo reducido de pH.

Estas disoluciones contienen como especies predominantes, un par ácido/base conjugado en concentraciones apreciables. La capacidad reguladora que posea la disolución depende de la cantidad presente del ácido débil y su base débil conjugada, mientras mayor sea esta cantidad, mayor será la efectividad de dicha disolución. El que sean ácidos y bases débiles significa que actúan como electrólitos débiles, en pocas palabras, no se ionizan por completo en agua. La reacción de neutralización es una reacción entre un ácido y una base. Generalmente en las reacciones acuosas ácido-base se generan agua y una sal.

AMINOÁCIDOS

 

Los aminoácidos son la base de todo proceso vital ya que son absolutamente necesarios en todos los procesos metabólicos. Sus funciones más importante son el transporte óptimo de nutrientes y la optimización del almacenamiento de todos los nutrientes (es decir, agua, grasas, carbohidratos, proteínas, minerales y vitaminas).

Un aminoácido es una molécula orgánica con un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH).1 Los aminoácidos más frecuentes y de mayor interés son aquellos que forman parte de las proteínas. Dos aminoácidos se combinan en una reacción de condensación entre el grupo amino de uno y el carboxilo del otro, liberándose una molécula de agua y formando un enlace amida que se denomina enlace peptídico; estos dos "residuos" de aminoácido forman un dipéptido. Si se une un tercer aminoácido se forma un tripéptido y así, sucesivamente, hasta formar un polipéptido.

 TABLA DE pKa

 

Los aminoácidos esenciales son aquellos que el propio organismo no puede sintetizar por sí mismo. Esto implica que la única fuente de estos aminoácidos en esos organismos es la ingesta directa a través de la dieta. Las rutas para la obtención de los aminoácidos esenciales suelen ser largas y energéticamente costosas.

Los aminoácidos no esenciales son todos aminoácidos que el cuerpo los puede sintetizar, y que no necesita hacer la ingesta directa en una dieta.

REACCIONES GENERALES DE AMINOÁCIDOS:

Transaminación, desanimación y descarboxilación

Estos son los tres tipos de reacciones más generales de los AA. El fosfato de piridoxal, un derivado de la vitamina B6, actúa como coenzima en dos de esas reacciones.

1.- TRANSAMINACIONES

Son reacciones donde se traspasa el grupo amino desde un a-aminoácido a un a-cetoácido, convirtiéndose el 1º en a-cetoácido, y el 2º en un a-aminoácido. Las enzimas que catalizan estas reacciones son las transaminasas y necesitan el piridoxal fosfato (PLP) como coenzima.

 

Cuando predomina la degradación, la mayoría de los aminoácidos cederán su grupo amino al a-cetoglutarato que se transforma en glutamato (GLU), pasando ellos al a-cetoácido correspondiente.

Hay dos transaminasas, GOT y GPT , cuyos niveles en suero tienen un importante significado en el diagnóstico clínico. Estas enzimas, abundantes en corazón e hígado, son liberadas cuando los tejidos sufren una lesión, por lo tanto sus niveles altos en suero pueden ser indicativos de infarto de miocardio, hepatitis infecciosa, u otros daños orgánicos.

GPT o ALAT

Glutamato + Piruvato _==================_ -Cetoglutarato + Alanina

GOT o ASAT

Glutamato + Oxalacetato _=================_ -Cetoglutarato + Aspártico

El GLU puede deshacerse fácilmente del grupo amino mediante una desaminación.

2.- DESAMINACION OXIDATIVA

El AA pierde el grupo amino y pasa a a-cetoácido. Esta reacción reversible puede convertir el GLU en a-cetoglutarato para su degradación, pero también puede sintetizar GLU. Luego es una reacción que actuará en sentido degradativo o en sentido biosintético según las necesidades celulares.

 

3. DESCARBOXILACIÓN

Los AA se descarboxilan y forman aminas biógenas, ellas o sus derivados tienen muy importantes funciones biológicas (hormonas, neurotransmisores, inmunomoduladores, etc): histamina, etanolamina, serotonina, feniletilamina, etc. Desde la TYR, por descarboxilación y otras reacciones, se producen la familia de las catecolaminas: dopamina, noradrenalina y adrenalina. El TRP se descarboxila a triptamina y ésta se convierte en Serotonina.

REACCIONES GENERALES DE LOS AMINOÁCIDOS

 

1.TRANSAMINACIÓN: Transaminasa: a-

Cetoglutarato + AA* _ Glutamato + a-cetoácido*

2. DESAMINACIÓN: Glutamato Deshidrogenasa:

Glutamato + NADPH _ a-Cetoglutarato + NH4 + +NADP+

3. Fijación de amonio: Glutamina Sintetasa:

Glutamato+ ATP + NH4+ _Glutamina + ADP + Pi

4. DESAMINACIÓN: Glutaminasa:

Glutamina + H2O _ Glutamato + NH4+

La reacción 2 es reversible y cumple una función muy importante para la excreción del ión amonio. Las reacciones 2 y 3, junto con la 1ª del ciclo de la urea, son las tres reacciones únicas que pueden realizar los organismos superiores para fijar un grupo amino a una cadena carbonada y sintetizar nitrógeno orgánico.

Los grupos ácidos y básicos pueden neutralizarse mutuamente, constituyendo una sal interna formada por un ión híbrido (carga positiva y carga negativa), que se llama zwitterión.

Si consideramos un aminoácido sencillo, éste puede adoptar tres formas iónicas diferentes:

 

 

El primer grupo que se disocia es el carboxilo (pK1 = 2,22). Por la proximidad del grupo NH3+, el COOH se comporta como un ácido moderadamente fuerte. Si aplicamos la ecuación de Henderson-Hasselbalch al primer equilibrio de disociación, resulta que a pH fisiológico (7,4), la concentración de la forma catiónica es prácticamente despreciable (una de cada 151.000 moléculas en la forma zwitterión). El segundo grupo en disociarse es el NH3+. Como el pK2 es 9,86, la concentración de la forma aniónica es muy pequeña en comparación con la forma zwitterión (1 molécula en forma aniónica por cada 300 en forma zwitteriónica). El AA se comporta a pH fisiológico como un ácido débil que está disociado al 0,35%.

Existe un pH para el cual la carga eléctrica media de las moléculas es cero. Este pH se llama punto isoeléctrico (pI). El pI es el pH en el que la molécula se disocia por igual en ambos sentidos, y como equidista de los dos valores de pK, puede obtenerse por su semisuma:

 

 

PÉPTIDOS

Los péptidos, al igual que las proteínas, están presentes en la naturaleza y son responsables de un gran número de funciones, muchas de las cuales todavía no se conocen.

La unión de un bajo número de aminoácidos da lugar a un péptido, y si el número es alto, a una proteína, aunque los límites entre ambos no están definidos. Orientativamente:

• Oligopéptido: de 2 a 10 aminoácidos.
• Polipéptido: entre 10 y 100 aminoácidos.
• Proteína: más de 100 aminoácidos. Las proteínas con una sola cadena polipeptídica se denominan proteínas monoméricas, mientras que las compuestas de más de una cadena polipeptídica se conocen como proteínas multiméricas.

Los péptidos se diferencian de las proteínas en que son más pequeños (tienen menos de 10.000 o 12.000 Daltons de masa) y que las proteínas pueden estar formadas por la unión de varios polipéptidos y a veces grupos prostéticos. Un ejemplo de polipéptido es la insulina, compuesta por 51 aminoácidos y conocida como una hormona de acuerdo a la función que tiene en el organismo de los seres humanos.

El enlace peptídico es un enlace covalente entre el grupo amino (–NH2) de un aminoácido y el grupo carboxilo (–COOH) de otro aminoácido. Los péptidos y las proteínas están formados por la unión de aminoácidos mediante enlaces peptídicos. El enlace peptídico implica la pérdida de una molécula de agua y la formación de un enlace covalente CO-NH. Es, en realidad, un enlace amida sustituido. Podemos seguir añadiendo aminoácidos al péptido, pero siempre en el extremo COOH terminal.

 

 

Para nombrar un péptido se empieza por el aminoácido que porta el grupo –NH2 terminal, y se termina por el aminoácido que porta el grupo -COOH. En el sistema clásico cada aminoácido se representa por tres letras, y en el moderno, impuesto por la genética molecular, por una letra. Si el primer aminoácido de nuestro péptido fuera alanina y el segundo serina tendríamos el péptido alanil-serina, Ala-Ser, o AS.

 

 

 

PROTEÍNAS

En animales superiores, las proteínas son los compuestos orgánicos más abundantes, pues representan alrededor del 50% del peso seco de los tejidos. Desde el punto de vista funcional, su papel es fundamental. No existe proceso biológico alguno que no dependa de la presencia o actividad de este tipo de sustancias; las proteínas cumplen diferentes funciones: enzimas, hormonas, trasportadores, los anticuerpos, receptores de muchas células, etc.

Todas las proteínas contienen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno y casi todas poseen también azufre. Si bien hay ligeras variaciones en diferentes proteínas, el contenido de nitrógeno representa, término medio, el 16% de la masa total de la molécula, lo cual permite calcular la cantidad de proteína existente en una muestra, por medición del N de la misma.

Las proteínas son moléculas poliméricas (poli: muchos; meros: partes) de enorme tamaño; pertenecen a la categoría de macromoléculas, constituidas por gran número de unidades estructurales que forman largas cadenas.

Debido a su gran tamaño, cuando se dispersa a estas moléculas en un solvente adecuado, forman obligadamente soluciones coloidales, con características especiales que las distinguen de las soluciones de moléculas pequeñas.

Por medio de la hidrólisis, las moléculas proteínicas son escindidas en sus monómeros, los aminoácidos. Y cientos o miles de estos aminoácidos pueden participar en la formación de la gran molécula polimérica de una proteína.

Las proteínas resultan de la unión de moléculas de aminoácidos por medio de enlaces peptídicos. Por esto, se pueden clasificar en dos grandes categorías, proteínas globulares y proteína fibrosas.

 

 

 

 

 

 

 

NIVELES DE LA ESTRUCTURA PROTEICA

LAS PROTEÍNAS SE PUEDEN SEPARAR Y PURIFICAR

Cromatografía:

En todas las separaciones cromatografías, las moléculas son separadas dentro de una fase estacionaria y una móvil. Dependiendo del tipo de fase estacionaria podemos distinguir: cromatografía en papel, cromatografía en capa fina, o cromatografía en columna. La separación depende de la tendencia relativa de las moléculas en la mezcla de asociarse con más fuerza a una o a otra fase.