Apuntes Bioquímica 1er cuatrimestre 1º enfermería PDF

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Apuntes de la parte de bioquímica de la asignatura de Dietética y Nutrición del primer cuatrimestre de 1º de enfermería de la universidad de Málaga...

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BIOQUÍMICA: GRADO EN ENFERMERÍA Membranas biológicas Las membranas biológicas son estructuras de gran importancia para las células que permiten crear compartimentos independientes al mismo tiempo que facilitan el intercambio selectivo de sustancias. La membrana plasmática aísla a la célula del medio dándole un carácter individual. La concentración de las sustancias en el interior se puede controlar gracias a la presencia de transportadores selectivos. En la membrana también se sitúan receptores que reciben estímulos del exterior y transmiten la información al interior de la célula. Todas las membranas se componen de lípidos (no permiten paso de agua ni sustancias polares) y proteínas (actúan de transportadores), e hidratos de carbono (intervienen en el reconocimiento celular); y comparten una estructura común, aunque existen algunas variaciones que les proporcionan características individuales. Por ejemplo, la membrana de mielina tiene gran cantidad de lípidos debido a su necesidad de aislar, mientras que la plasmática tiene más proteínas debido a la necesidad de disponer de transportadores.

Los componentes de la membrana celular *Los lípidos La estructura básica de la membrana plasmática consiste en una lamina de moléculas de lípidos de naturaleza anfipática. Los fosfolípidos (glicerofosfolípidos y esfingolipídos que contienen fosfato) son los principales constituyentes de las membranas.

-Los fosfolípidos están constituidos por uno o dos ácidos grasos, acido fosfórico, alcohol y un compuesto polar que suele ser un aminoalcohol. A su vez se distinguen: -Glicerofosfolípidos o fosfoacilglicéridos: están constituidos por dos ácidos grasos esterificados al primer y segundo -OH del glicerol. El tercer grupo -OH esta unido por un enlace fosfodiéster a un grupo de cabeza muy polar. El fosfoglicérido más simple es el acido fosfatídico. Los demás derivan de él y se forman por unión de diferentes compuestos al grupo fosfato. Los fosfoglicéridos se nombran según el tipo de alcohol polar que tienen en el grupo de cabeza. Por ejemplo, la fosfatidilcolina y la fisfatidiletanolamina tienen colina y etanolamina, respectivamente, en sus grupos polares. -Esfingolipídos. Una segunda clase importante de los componentes de la membrana es la de los esfingolipídos. También tienen una cabeza polar y dos colas apolares pero, a diferencia de los fosfoglicérido, no contienen glicerol. Están formados por el aminoalcohol de cadena larga esfingosina, una molécula de un acido graso de cadena larga y un grupo polar en la cabeza, que puede ser un alcohol o un azúcar. Cuando se une un acido graso por un enlace amida al -NH2 del C-2 de la esfingosina, se obtiene una ceramida. La ceramida es la unidad estructural fundamental de todos los esfingolipídos. Los esfingolipídos desempeñan diversas funciones relacionadas con el reconocimiento celular. Existen varias clases de esfingolipídos, todos ellos derivados de la ceramida, pero que difieren en sus grupos de cabeza: 1

-Las esfingomielinas contienen fosfocolina o fosfoetanolamina como grupo de cabeza polar. Las esfingomielinas se encuentran en las membranas plasmáticas de las células animales; también se encuentran en la vaina de mielina que rodea y aísla los axones de las neuronas mielinizadas. -Los glucoesfingolípidos, que se encuentran principalmente en la cara externa de la membrana plasmática, tienen uno o más azucares en su grupo de cabeza unido al C-1 de la ceramida. No contienen fosfato. Dentro de este grupo, los cerebrósidos tienen un único azúcar unido a la ceramida que puede ser galactosa (estos cerebrosidos se encuentran de manera característica en las membranas plasmáticas de las células del tejido nervioso) o glucosa. No tienen carga al carecer del grupo fosfato. Los gangliósidos son los esfingolipídos más complejos. Contienen grupos de cabeza polares formados por oligosacáridos y uno o varios residuos terminales del acido siálico que les aporta a los gangliosidos una carga negativa a pH=7. Los gangliosidos se concentran en la superficie exterior de las células. Sus complejas cabezas de hidratos de carbono actúan como receptores específicos para funciones biológicas importantes. También son receptores para determinadas toxinas proteicas de origen bacteriano.

-El colesterol El colesterol también forma parte de la estructura de algunas membranas. Derivan de una estructura rígida y casi plana llamada ciclopentanoperhidrofenantreno. El colesterol es anfipático, con una parte polar (-OH en el C-3) y una parte no polar (núcleo esteroideo y cadena lateral del C-17 con ocho átomos de C). Es abundante en la membrana plasmática.

*Las proteínas Las membranas presentan también un componente proteico que desempeña un papel importante destacado en su función. Además de su función como moléculas de transporte de diferentes solutos, las proteínas de la membrana también tienen otras funciones: receptores de señales, función catalítica y función de anclaje de macromoléculas a ambos lados de la membrana. El modelo actual de membrana es el modelo mosaico fluido, según el cual, la bicapa de los lípidos presenta proteínas incrustadas que poseen residuos apolares que mantienen interacciones hidrofóbicas con las cadenas de los fosfolípidos y residuos polares en las zonas extracelulares y citosólica. Las proteínas de membrana se clasifican en integrales y periféricas, según sea su grado de asociación con los lípidos de la bicapa. -Las proteínas integrales atraviesan la bicapa lipídica (proteínas transmembrana), estableciendo interacciones estrechas con los lípidos de la membrana. -Las proteínas periféricas se unen mediante interacciones intermoleculares o covalentes, pero no atraviesan la membrana, a la zona externa o interna de la membrana, lo que hace que su aislamiento del resto de los componentes sea más sencillo. Es importante destacar que todas las proteínas de la membrana tienen una orientación específica necesaria para desempeñar su función.

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Las proteínas se pueden desplazar en direcciones laterales dentro de la bicapa lipídica gracias a la fluidez de esta.

*Los hidratos de carbono Los hidratos de carbono se encuentran en la membrana en forma de oligosacáridos unidos covalentemente a los lípidos (glucolípidos) o a proteínas (glucoproteínas). Los monosacáridos que forman estas estructuras pueden ser moléculas sencillas como la glucosa, la galactosa, la manosa o azucares más complejos como el acido neuramínico, la N-acetilgalactosamina. Los hidratos de carbono se encuentran siempre en el lado extracelular de la membrana plasmática, pueden actuar como receptores o tener funciones de reconocimiento y adhesión celular.

Las propiedades de la membrana - La bicapa lipídica aparece de forma espontanea cuando los fosfolípidos se sitúan en un medio acuoso, debido a que es la disposición mas estable que pueden adquirir desde el punto de vista energético. Se puede formar micelas cuando los lípidos que tienen una sola cadena apolar se disponen en un entorno acuoso, ya que es la forma de máxima estabilidad, donde las zonas polares interaccionan con las moléculas de agua. Sin embargo, en las moléculas como los fosfolípidos que tienen dos cadenas apolares, el mayor volumen ocupado por estas cadenas hace que se dispongan formando bicapas lipídicas. En las bicapas se distinguen una monocapa externa (si abunda fosfatidilserina es debido a que está programada la muerte celular) y una monocapa interna; donde sus composiciones varían. En la capa interna distinguimos: fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilinositol, fosfatidilinositol 4fosfato, fosfatidilinositol 4-5-bifosfato, acido fosfatídico. En la capa externa podemos encontrar: fosfatidilcolina y fosfatidilmielina. Cuando la superficie es suficientemente grande, se forma una estructura esférica con una doble capa de lípidos denominadas liposoma que tiene en su interior una cavidad acuosa.

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-La membrana tiende a recuperar su estructura. Las fuerzas que mantienen la estructura de bicapa lipídica proporcionan a la membrana la capacidad de autosellado, ya que cualquier exposición de las cadenas hidrofóbicas al medio acuoso seria desfavorable. -Las membranas biológicas son fluidas. Aunque las fuerzas hidrofóbicas mantienen unidas las moléculas individuales de fosfolípidos, estas pueden desplazarse unas respecto a otras cambiando de posición. Esta posibilidad de movimiento confiere a las membranas su fluidez característica. La difusión lateral (movimientos laterales), flexión y rotación son muy frecuentes y rápidas; mientras que el movimiento flipflop (el paso de fosfolípido de una monocapa a otra) es más raro. Las flipasas son las encargadas de restaurar el orden inicial, con gasto de energía.

Factores que influyen en la fluidez de la membrana -Efecto de la Temperatura. Un aumento de temperatura produce una mayor movilidad de las moléculas, lo que conlleva un incremento en la fluidez de las membranas. Los ácidos grasos tienen distinta temperatura de fusión (orden-desorden, liquido-solido), y estas distintas Temperaturas de transición de los fosfolípidos y del colesterol regulan la fluidez.

-La presencia de insaturaciones aumenta la fluidez de la membrana, ya que los dobles enlaces producen inclinaciones en la cadena disminuyendo las interacciones entre las moléculas.

-La longitud de las cadenas hidrocarbonadas. Las moléculas con cadenas más largas se mantienen unidas con mayor fuerza ya que el numero de interacciones es mayor. Así, las membranas con fosfolípidos con cadenas más cortas son más fluidas debido a la mayor movilidad de sus moléculas.

-El colesterol regula la fluidez de la membrana. Esta molécula plana y rígida, es anfipática, por lo que tiende a situarse con su grupo hidroxilo en contacto con las zonas polares de los fosfolípidos y su zona apolar entre las cadenas apolares. Pero la molécula de colesterol es más corta que las colas de los fosfolípidos y ocupa los huecos que se producen entre estas moléculas, creando interacciones con ellos que hacen que la membrana se vuelva menos fluida.

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Enzimas  Generalidades Las reacciones que tienen lugar dentro del organismo no son espontaneas, sino necesitan de una energía de activación. Esta energía se aplica sobre el sustrato que pasa a un estado de transición donde pueden pasar dos cosas: 1. El sustrato vuelve al estado inicial. 2. Tiene lugar la reacción, con la obtención de un producto. El estado basal del producto es siempre menos, es decir pierde energía (-). Para aumentar la velocidad de las reacciones se utilizan los biocatalizadores que disminuyen la energía de activación necesaria para que ocurra la reacción. Los biocatalizadores más eficaces son las enzimas. -Los biocatalizadores aceleran las reacciones porque forman un complejo enzima-sustrato cuya energía de activación es mucho menor. -Los pequeños cambios en la energía de activación implica grandes cambios en la velocidad. -El resultado es el mismo, no se modifica el curso de la reacción y al final se recupera el enzima. -Los enzimas son proteínas y poseen una gran especificidad. Así, por cada sustrato tenemos un enzima especifico. -Las enzimas son inhibibles y saturables. -Al principio se respeta la especificidad, que permite un primer contacto entre el sustrato y la enzima, sin embargo, después tiene lugar acoplamiento por unión no covalente (son enlaces no permanentes) donde se produce el cambio conformacional del enzima. Durante este proceso (encaje inducido) se crean enlaces transitorios que van liberando pequeñas cantidades de energía que disminuirán la energía de activación. -Para que tenga lugar la reacción es necesaria la proximidad y una determinada orientación de moléculas.

 Composición de la enzima Las holoenzimas son enzimas constituidos por:  Una parte proteica denominada apoenzima.  Un componente no proteico, que puede ser: *Cofactor (distintos cationes metálicos que tendrán diferentes funciones dependiendo del la enzima concreta). Cu2+, Fe2+, K+, Mg2+, Mn2+, Ni2+, Se, Zn2+. *Coenzima (moléculas orgánicas). Son necesarias para transportar de forma transitoria grupos funcionales durante la reacción catalizada por la enzima. Muchos son derivados de vitaminas y su unión a la parte proteica puede ser covalente o no covalente. Ejemplos: thiamine pyrophosphate, flavin adenine nucleotide, pyridoxal phosphate, Coenzima A, etc. Los micronutrientes son aquellos que son imprescindibles para el correcto funcionamiento del organismo, pero en pequeñas cantidades. Cuando existe déficit de vitaminas y minerales es bueno utilizar un suplemento que contiene las cantidades complementarias de minerales que puede faltar en nuestro organismo. Su exceso es perjudicial, sobre todo el exceso de vitaminas liposolubles (vitaminas A, D, E y K, “Kade”) ya que se almacenan en la grasa. 5

-Vitamina A: es fundamental para la vista, es un antioxidante, influye en el sistema inmune, en el desarrollo celular así como en el sistema reproductivo. -Vitamina D: se trata de una provitamina que se activa con el sol. Interviene en la asimilación de fosforo y calcio, así como en el correcto funcionamiento del organismo. -Vitamina K: es fundamental en la coagulación sanguínea así como en la formación ósea. El sintrom es un antivitamina K, es decir, un anticoagulante, y su actividad se puede invertir con el plasma fresco o el medicamento. -Vitamina E: es un antioxidante, cumple importante papel en el mantenimiento del sistema inmune saludable, tiene funciones en el sistema nervioso y en el sistema cardiovascular, tiene funciones cicatrizantes, etc. Tomar muchas vitaminas no es suficientemente bueno.

 Clasificación enzimática Existe un sistema internacional para la nomenclatura y clasificación de las enzimas creado por la Enzyme Commission de la IUBMB. Según este sistema, las enzimas se pueden clasificar en varios grupos, según el tipo de reacciones que catalicen.

1. Oxidorreductores. Catalizan las reacciones de oxidación y reducción. Los electrones eliminados de la sustancia que se oxida son aceptados por el agente oxidante, que sufre así un proceso de reducción. Por ejemplo: oxidasas, deshidrogenasas, reductasas, catalasas...

2. Transferasas. Transfieren un grupo químico de una molécula a otra. Las quinasas son muy importantes en muchos procesos biológicos, son un tipo especial de transferasas que catalizan la transferencia de un grupo de fosfato a otra molécula desde un nucleósido trifosfato.

3. Hidrolasas. Son un tipo especial de transferasas que transfieren un grupo -OH desde el agua a otro sustrato. Su carácter es irreversible. Por ejemplo: esterasas, fosfatasas, fosfolipasas...

4. Liasas. Generalmente catalizan la escisión reversible de enlaces carbono-carbono como en el caso de las aldolasas. En algunos casos, como consecuencia de la ruptura del enlace, se generan nuevos dobles enlaces o anillos. Otros enzimas forman y rompen enlaces C-N o liberan CO2. En el caso de formación de enlaces, estas enzimas no requieren energía de ATP y se denominan sintasas. 5. Isomerasas. Catalizan reacciones que suponen el movimiento de un grupo o un doble enlace dentro de la molécula, lo que hace que se obtenga un nuevo isómero. Si se cambia la posición de un grupo fosfato la enzima se llama mutasa.

6. Ligasas. Catalizan la formación de enlaces carbono-carbono, pero a diferencia de liasas, requieren energía que obtienen de la hidrolisis de ATP y se denominan sintetasas. Se sabe de qué grupo se está hablando gracias al digito de los grupos (1-6).

 Mecanismo de acción de enzimas Las enzimas tienen un papel fundamental: acelerar las reacciones biológicas actuando sobre el sustrato (S) especifico que se va a transformar en el producto (P) de la reacción (E+S . E+P). Esta función la consiguen gracias a que poseen una estructura tridimensional característica, el centro activo, con un entorno químico adecuado que permite la interacción entre la enzima y el sustrato mediante la formación de un complejo binario denominado complejo enzima-sustrato (ES). En las proteínas, las características del centro activo van a estar determinadas por la naturaleza de los aminoácidos que lo forman y su distribución espacial concreta. 6

Sin embargo, hay que tener en cuenta que la transformación del sustrato a producto no es inmediata. Una vez que el sustrato adecuado interacciona con el centro activo se van a producir modificaciones que lo convierten en un estado de transición que se transformará en el producto final de la reacción. En las reacciones catalizadas por enzimas, este estado de transición, muy inestable, resulta estabilizado por los residuos del centro activo con lo que se consigue acelerar la reacción. Las enzimas no alteran el equilibro entre productos y sustratos pero, al acelerar la velocidad de reacción, consiguen que se alcance de forma mas rápida este equilibrio. De esta forma, si existe suficiente cantidad de sustrato, se podrán conseguir mayores concentraciones de producto por unidad de tiempo en presencia de enzima que en su ausencia. Para que se produzca la transformación del sustrato en producto hay que pasar por una situación intermedia que supone la distorsión de enlaces y la orientación de grupos funcionales que lleva a la formación del estado de transición, que se encuentra en un nivel energético superior al estado del que parte el sustrato. Esto implica que, aunque la reacción sea espontanea, se tiene que superar una barrera energética que se conoce como energía de activación. La catálisis enzimática se consigue rebajando esta barrera mediante la ventaja energética que supone la creación del complejo enzima-sustrato.

 La cinética  Cinética de las reacciones de un solo sustrato Se distinguen: -Cinética de orden uno. Una velocidad lineal a bajas concentraciones de sustrato. -Cinética de orden intermedio. Una etapa curvilínea, a concentraciones se sustrato intermedias, en la que hay un descanso en la respuesta al aumento de la concentración de sustrato. -Cinética de orden cero. Por mucho que se aumente la concentración de sustrato, no aumentará la velocidad debido a que las enzimas están saturadas (todas están ocupadas). La ecuación de Michaelis-Menten explica el comportamiento de las reacciones en las que la concentración del complejo enzima-sustrato permanece constante y la concentración de sustrato es muy superior a la de la enzima. -Vmax.: velocidad máxima, obtenida con concentraciones de sustrato elevadas. -Km: constante de Michaelis-Menten. Aunque no es una verdadera constante de afinidad, en algunas ocasiones su valor puede servir de referencia para estimular si existe una buena interacción enzima-sustrato. -Kcat: representa el numero de moléculas de sustrato que resulta transformado en producto en unidad de tiempo con una sola molécula de enzima cuando la concentración de sustrato es elevada. Un elevado valor supone una elevada capacidad de transformación de sustrato en producto y una elevada afinidad aparente de la enzima por el sustrato. La catalasa es la enzima con mayor actividad. En algunas ocasiones resulta útil transformar la ecuación de Michaelis-Menten en una expresión algebraica que aporte datos numéricos concretos para los parámetros cinéticos (Vmax. y Km). Una transformación habitual consiste en representar los inversos de Vo frente a los inversos de concentración del sustrato. Se obtiene:

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Esta ecuación, conocida como la ecuación de Lineweaver-Burk se representa la gráfica de dobles recíprocos: El punto de corte de esta recta con el eje X se corresponde con el valor de -1/Km y el punto de corte con el eje Y con el valor de 1/Vmax. Una vez representados los valores obtenidos experimentalmente, se puede calcular el valor de Vmax. que solo se podía obtener de forma aproximada en la representación hiperbólica tradicional.

 Reacciones multisustrato Existen numerosas reacciones catalizadas por enzimas en las que intervienen dos o más sustratos. En este tipo de reacciones los sustratos pueden unirse a la enzima de forma simultánea o sucesiva. Existen dos mecanismos que explican este comportamiento: -Mecanismo secuencial. En algunas...