Universidad de Chile Instituto de Ciencias

Facultad de Medicina Biomédicas

CARRERA DE OBSTETRICIA 1ER AÑO 2004

Texto de autoaprendizaje: Macromoléculas biológicas.

Prof

A veces nos parece difícil aceptar que los seres vivos son meramente sistemas químicos. Su increíble diversidad de formas, su habilidad para reproducirse y reaccionar al medio, su conducta, y en el caso de nuestra especie, experimentar emociones, sentimientos, etc, nos induce a ubicarnos lejos del mundo de los sólidos, líquidos y gases que la química describe. No es extraño, entonces que hasta el siglo XIX, los científicos aún debatían sobre la “fuerza vital” propia de los sistemas vivos que era responsable de tan exclusivas características.

Hoy sabemos que no existe nada en los organismos vivos que no obedezca las leyes de la química y de la física. Sin embargo, la química de la vida presenta ciertas características particulares tales como:

-Estar basada ampliamente en compuestos de carbono, cuyo estudio ha dado origen a una rama particular de la química, la química orgánica.

-La gran mayoría de sus reacciones ocurren en medio acuoso, por lo que el agua es el solvente fundamental y el compuesto mas abundante en los seres vivos.

-Su enorme complejidad. La célula mas sencilla es mucho mas compleja que cualquier otro sistema químico.

-Finalmente, su estructuración y regulación descansa en gran medida en grandes polímeros o macromoléculas que, en general, consisten en largas cadenas de subunidades unidas por enlaces covalentes. La variada interaccción entre estas macromoléculas permite a células y organismos crecer, reproducirse y realizar todas sus actividades.

En este material de estudio, describiremos la estructura de las principales macromoléculas de los sistemas vivos. Estos poseen cuatro principales familias de moléculas orgánicas pequeñas que al polimerizarse dan origen a los cuatro grandes tipos macromoleculares presentes en los organismos:

1. POLISACÁRIDOS

Estan constituídos por azúcares simples (monosacáridos) que responden a la fórmula general (CH2O)n, donde n, en los organismos vivos, va entre 3 y 7. Los azúcares y los compuestos que forman son llamados también carbohidratos, debido a su fórmula química. La glucosa, que es una molécula fundamental para los sistemas vivos, es un ejemplo cuya fórmula es C6H12O6 . La sola fórmula de estos compuestos, sin embargo, no define completamente a la molécula, ya que el mismo conjunto de átomos de C, H y O pueden unirse y orientarse de distintas maneras dando origen a distintas moléculas. Por ejemplo, la glucosa podría ser convertida en otros azúcares como manosa o galactosa, simplemente cambiando de posición un grupo -OH específico con respecto al resto de la molécula. Cada uno de estos azúcares puede existir además, en dos formas que son imágenes especulares entre sí (formas D y L). Las moléculas que tienen la misma fórmula química pero diferentes estructuras se llaman isómeros, y las que son imágenes especulares, estereoisómeros. Estos isómeros se encuentran ampliamente distribuídos en los sistemas vivos y juegan un papel importante en la generación de la enorme variedad de azúcares. Normalmente los monosacáridos se presentan en forma de estructuras cíclicas de 5 o 6 átomos (formas furanósicas y piranósicas).

Los monosacáridos se pueden unir entre sí a través de enlaces covalentes y dar orígen a carbohidratos mas grandes. Por ejemplo, dos monosacáridos al unirse forman un disacárido, como la sacarosa, que está formada por una molécula de glucosa y otra de fructosa. La unión de mas unidades da origen a trisacáridos, tetrasacáridos, oligosacáridos, etc, hasta polisacáridos mas complejos que pueden poseer miles de unidades monosacáridas.

El tipo de enlace entre las unidades monoméricas de un polisacárido es normalmente entre un grupo -OH de un monosacárido y el grupo -OH de otro, en una reacción denominada condensación, la cual implica la salida de una molécula de agua y el establecimiento de un enlace covalente entre un C y un O (enlace glicosídico).

Como los azúcares poseen múltiples grupos -OH disponibles para formar enlaces, existe una enorme variedad de polisacáridos de distintos tamaños y con distinto grado de ramificación. Es mucho mas complejo determinar el ordenamiento de azúcares en un polisacárido complejo que la secuencia nucleotídica de una molécula de DNA donde cada subunidad está asociada la la otra de la misma manera.

La glucosa, por ejemplo, es una molécula central en el metabolismo energético de las células y es almacenada en forma de polímeros como el glicógeno, en animales o, el almidón en vegetales. También desempeña un papel estructural importante en las células vegetales constituyendo la celulosa de la pared celular. Todos estos polímeros contienen la misma unidad monomérica, glucosa, sin embrago, poseen diferentes características fisicoquímicas y de solubilidad. Esto se debe principalmente, a los distintos tipos de enlaces glicosídicos que los contituyen y por su grado de ramificación.

Algunos oligosacáridos pueden unirse covalentemente a proteínas formando glicoproteínas o, a lípidos formando glicolípidos, los cuales son componentes importantes de las membranas biológicas. Por ejemplo, las membrana plasmática posee abundantes glicolípidos y glicoproteínas que son reconocidas selectivamente por otras células, contituyendo la base de la comunicación intercelular.

Los lípidos corresponden a una amplia gama de moléculas cuya característica común es ser insolubles en agua y solubles en solventes orgánicos. Dado su definición, encontramos entre los lípidos una gran variedad de compuestos, como ceras, terpenos, ácidos grasos y esteroides entre otros. Mencionaremos sólo dos tipos de lípidos, debido a su importancia en la estructura y funcionamiento de las células.

-Acidos grasos: Los ácidos grasos son moléculas que tienen dos regiones químicamente distintas. Una larga cadena hidrocarbonada (-CH)n que es hidrofóbica, y un grupo carboxilo terminal (-COOH) que es polar. La mayoría de los ácidos grasos en la célula se encuentran unidos covalentemente a otras moléculas a través de su grupo carboxilo. Algunos ácidos grasos como el ácido palmítico y esteárico son saturados, es decir, no tienen dobles enlaces y por lo tanto poseen la máxima cantidad posible de hidrógenos (de ahí el término saturados). Otros, como el ácido oleico, poseen uno o mas dobles enlaces (insaturados). Estos dobles enlaces, cuando poseen una configuración determinada (cis), provocan quiebres en la cadena hidrocarbonada interfiriendo con su capacidad de empaquetarse en una masa sólida, lo que provoca cambios importantes en la viscosidad (comparar aceite de mesa y margarina). La mayoría de los ácidos grasos presentes en las células difieren principalmente en el largo de su cadena carbonada y el número y posición de sus dobles enlaces.

ácido graso saturado

ácido graso insaturado

Los ácidos grasos sirven de reserva energética en los seres vivos y son almacenados en el citoplasma de ciertas células, asociados covalentemente al trialcohol glicerol. La unión de los grupos carboxilo de los ácidos grasos y los grupos -OH del glicerol dan orígen a los glicéridos (mono, di o triglicéridos). Cuando es necesario, los ácidos grasos son liberados de los triglicéridos y son oxidados en la mitocondria para entrar a la cadena respiratoria y participar así en la fosforilación oxidativa.

Triglicérido

Otra función fundamental de los ácidos grasos unidos al glicerol es constituir los fosfolípidos, que consisten en dos moléculas de ácidos grasos unidas a dos de los grupos -OH, y un fosfato asociado al tercer -OH. Este fosfato usualmente está unido a otra molécula como un aminoácido, amina, etc. La presencia de un grupo fosfato, que posee carga eléctrica, le confiere un alto grado de polaridad a esta región de la molécula, en contraste con las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos. Eso hace que la molécula de fosfolípido posea un extremo altamente hidrofílico (polar) y otro altamente hidrofóbico (apolar). Las moléculas que presentan estas dos características químicas se llaman anfipáticas. Esta característica hace que estas moléculas se ordenen en solución acuosa como una bicapa lipídica, con sus extremos polares hacia el solvente y sus cadenas hidrofóbicas hacia el interior de la bicapa. Esta organización fosfolipídica representa la base estructural de todas las membranas biológicas.

ácido fosfatídico

-Esteroides: estos lípidos poseen en común una base molecular correspondiente a la molécula orgánica denominada ciclopentano perhidrofenantreno y su primcipal ejemplo es el colesterol. Muchas hormonas en los organismos son también esteroides, como el cortisol, la aldosterona, el estrógeno, la testosterona, etc., siendo el colesterol el precursor de todas ellas.

colesterol

testosterona estradiol

3. ACIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos (DNA y RNAs) son moléculas de fundamental importancia dentro de las células ya que están involucradas en el flujo de la información genética. Son estructuras poliméricas contituídas por nucleótidos. Un nucleótido está constituído por una base nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos (pentosa) y un grupo fosfato unido a la pentosa. La pentosa en los nucleótidos puede ser ribosa (ribonucleótidos) o desoxiribosa (sin oxígeno en su posición 2') (desoxiribonucleótidos). La nomenclatura nucleósido se utiliza cuando no se incluye el fosfato.

Las bases nitrogenadas que constituyen los nucleótidos de los ácidos nucleicos pueden ser cinco: citosina (C), timina (T) y uracilo (U), que son denominadas bases pirimidínicas debido a que derivan de la molécula orgánica pirimidina; y guanina (G) y adenina (A), que son llamadas bases púricas ya que provienen de la molécula orgánica purina.

Estas bases nitrogenadas enfrentadas en una posición y orientación bien determinadas establecen puentes de hidrógeno entre ellas. Por ejemplo G y C pueden establecer 3 puentes de hidrógeno entre ellas y A y T (o U) pueden formar 2 de estos puentes. Esta interacción específica se conoce con el nombre de complementariedad de bases y es fundamental en la estructura y funcionamiento de los ácidos nucleicos. Para identificar los distintos átomos de un nucleótido, los de la base nitrogenada se numeran con números arábigos normales y los de la pentosa con números arábigos con un apóstrofe (`), comenzando por el carbono que está unido a la base (1') y terminando por el carbono que queda fuera del anillo (5')

Los ácidos nucleicos se forman al enlazarse covalentemente el extremo 5' de un nucleótido (grupo fosfato) con el extremo 3' de otro (grupo -OH) formando un enlace fosfodiester. De esta manera, el polímero queda con una cadena de fosfatos - azucares, con las bases nitrogenadas dispuestas lateralmente. Debido a la estructura de los nucleótidos, el polímero tendrá una polaridad estructural en la cual será posible distinguir un extremo 3' y otro 5'.

Los distintos ácidos nucleicos estan formados por 4 de las 5 bases nitrogenadas y por un azúcar fosfatado específico. Así, el DNA posee desoxiribosa y las bases C, A, G y T, mientras que los RNAs poseen ribosa y las bases C, A, G y U. Estas pequeñas diferencias desde el punto de vista químico tienen, sin embargo, consecuencias estructurales importantes. Los RNAs por ejemplo, son polímeros relativamente cortos y monocatenarios. El plegamiento de estas moléculas determinan su conformación tridimensional la que se estabiliza por interacciones intracatenarias entre bases complentarias. Existen varios tipos de RNAs, cada uno con su estructura y conformación característica: RNAs de transferencia, RNAs mensajeros, RNAs ribosomales (en los ribosomas) y RNAs pequeños que forman parte de distintas ribonucleoproteínas.

RNA de TRANSFERENCIA

El DNA por otra parte, es un polímero bastante mas largo y forma una estructura bihelicoidal, donde dos cadenas complementarias y antiparalelas (en relación a sus extremos 3' y 5') se asocian y estabilizan a través de los puentes de hidrógeno (intercatenarios) entre sus bases complementarias. Esto le da a la molécula una estructura bastante estable pero lo suficientemente flexible para asociarse a proteinas y formar complejos macromoleculares como la cromatina. La complementariedad entre las dos cadenas del DNA hace posible un mecanismo de duplicación muy eficiente y de alta fidelidad que consiste en separar transitoriamente estas cadenas para que cada una de ellas sirva de molde para la polimerización de la respectiva cadena complementaria (replicación semiconservativa). La estructura de los nucleótidos y la forma en que se unen le confieren asimetría a la doble hélice, la que presenta surcos laterales de diferente tamaño (surco mayor y menor) los cuales tienen relevancia en la interacción del DNA con proteínas.

4. PROTEÍNAS

Las proteínas son fundamentales para la célula, practicamente toda su estructura y sus actividades estan sustentadas en estas macromoléculas. Enzimas, proteínas motoras, citoesqueleto, receptores, hormonas, son sólo algunos ejemplos de su gran variedad.

Las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos por un tipo particular de enlace covalente, el enlace peptídico. Los aminoácidos son una familia de moléculas que tienen en común, la presencia de un grupo carboxilo, un grupo amino y un hidrógeno unidos a un átomo de carbono (C-). Difieren en un cuarto grupo químico unido a este mismo carbono, que tiene distintas características químicas. A este grupo se le denomina usualmente grupo R.

AMINOACIDO

En la figura siguiente se muestran los 20 aminoácidos que normalmente se encuentran en todas las proteínas. La presencia de un grupo carboxilo y un grupo amino le confiere a todos los aminoácidos características básicas y ácidas (anfóteros) en solución acuosa, por lo que estos grupos se encuentran usualmente ionizados. Pero lo que distingue a cada aminoácido es su grupo R, que puede ser a su vez ácido, básico, neutro, apolar, etc.

Considerando que el enlace peptídico se forma entre el carbono del grupo carboxilo de un aminoácido y el nitrógeno del grupo amino de otro, con la eliminación de una molécula de agua, estos grupos funcionales quedan neutralizados, siendo el grupo R el que confiere las características químicas a la proteína. Toda cadena polipeptídica de una proteína tendrá entonces, un extremo amino (primer aminoácido de la secuencia) y un extremo carboxilo (último aminoácido). La secuencia aminoacídica de una proteína está determinada por el gen que la codifica, de acuerdo al código genético. A esta secuencia aminonacídica se le denomina la estructura primaria de la proteína.

5 10 15 20 25 30

1 A A S X D X S L V E V H X X V F I V P P X I L Q A V V S I A

31 T T R X D D X D S A A A S I P M V P G W V L K Q V X G S Q A

61 G S F L A I V M G G G D L E V I L I X L A G Y Q E S S I X A

91 S R S L A A S M X T T A I P S D L W G N X A X S N A A F S S

121 X E F S S X A G S V P L G F T F X E A G A K E X V I K G Q I

151 T X Q A X A F S L A X L X K L I S A M X N A X F P A G D X X

181 X X V A D I X D S H G I L X X V N Y T D A X I K M G I I F G

211 S G V N A A Y W C D S T X I A D A A D A G X X G G A G X M X

241 V C C X Q D S F R K A F P S L P Q I X Y X X T L N X X S P X

271 A X K T F E K N S X A K N X G Q S L R D V L M X Y K X X G Q

301 X H X X X A X D F X A A N V E N S S Y P A K I Q K L P H F D

331 L R X X X D L F X G D Q G I A X K T X M K X V V R R X L F L

361 I A A Y A F R L V V C X I X A I C Q K K G Y S S G H I A A X

391 G S X R D Y S G F S X N S A T X N X N I Y G W P Q S A X X S

421 K P I X I T P A I D G E G A A X X V I X S I A S S Q X X X A

451 X X S A X X A

ESTRUCTURA PRIMARIA DE LA HEXOQUINASA (cada aminoácido se simboliza por una letra mayúscula específica)

El enlace peptídico entre el carbono carboxilo y el nitrógeno amino es, en teoría, un enlace covalente simple, sin embargo la cercanía del enlace doble entre el carbono y el oxígeno (ver figura), genera una estructura resonante entre estos dos enlaces. Esto le da al enlace peptídico, caracteristicas intermedias entre simple y doble enlace, lo que significa que no puede rotar en 360º como un enlace simple, pero tampoco es rígido como uno doble.

Estas características del enlace peptídico y de la cadena polipeptídica permiten que esta última se enrolle sobre sí misma formando una estructura helicoidal que se estabiliza a través de puentes de hidrógeno entre los oxígenos carboxílicos y los hidrógenos amínicos de los distintos aminoácidos. Esta estructura denominada -hélice se presenta regularmente en muchas proteínas o regiones de ellas. Otra estructura regular resulta cuando se enfrentan paralelamente (o antiparalelamente) dos cadenas polipeptídicas o regiones de ellas. En este caso se establecen puentes de hidrógeno entre los mismos grupos anteriores, pero entre las dos cadenas o regiones, dando lugar a una estructura laminar plegada denominada hoja-. Tanto la -hélice como la hoja- se conocen como la estructura secundaria de las proteínas.