Puesto
que las aplicaciones médicas y farmacéuticas abarcan un amplio espectro de
materias, es conveniente dividirlas en tres áreas importantes de interés:
terapias enzimáticas, usos analíticos y producción de compuestos farmacéuticos.
Para una mejor comprensión iniciaremos así:
Cuando un
compuesto se transforma en otro, de diferente naturaleza, se ha producido una
reacción química. El proceso de transformación ocurre a una determinada
velocidad, que depende de varios factores. Así, cuanto mayor sea la cantidad
del compuesto inicial más rápido será el proceso.
También influye la temperatura,
cuya elevación acelera las reacciones químicas.
La
presencia de un catalizador modifica la velocidad de una transformación química
Los seres vivos tienen catalizadores para las
reacciones que ocurren en sus células. Se trata de las enzimas, que son
proteínas que tienen una actividad catalítica. Todas las transformaciones que
ocurren en las células hacen uso de enzimas concretas, habiendo un número
incontable de éstas.
Actúan de diferentes modos, pero
siempre gracias a que un grupo de aminoácidos, que se encuentran próximos en la
estructura espacial de la proteína, facilitan la transformación de que se
trate. Estos aminoácidos constituyen lo que se denomina centro activo de la
enzima.
La actividad catalítica de muchas
enzimas pueden ser reguladas por efectos alostéricos.
Importancia biológica
Es
extraordinaria y radica en varias de sus particulares propiedades:
ü Actúan a muy bajas
concentraciones (10-3 a 10-6 moles de enzima/mol de
sustrato).
ü No se consumen en las
reacciones.
ü No modifican el equilibrio
del sistema de reacción, sino que sólo influyen sobre la velocidad con que se
alcanza tal equilibrio (aumentan la velocidad hasta 106 veces).
ü Son muy específicas de los
sustratos, grupos o enlaces químicos sobre los que actúan.
ü Actúan siempre a la
temperatura del ser vivo.
ü Presentan un peso
molecular elevado, porque son proteínas globulares (solubles en agua, que se
difunden muy bien en los líquidos orgánicos).
ü Su intervención es causa
de un notable ahorro energético para las células.
Experimentos
cinéticos revelan propiedades de las enzimas
La cinética enzimática proporciona
una información indirecta acerca de especificidades y mecanismos catalíticos de
las enzimas.
Los experimentos cinéticos también
revelan si una enzima está regulada.
Investigaciones
revelaron la forma en que las variaciones en las condiciones experimentales o
los cambios en la concentración de enzima o sustrato afectan las velocidades de
las reacciones.
a. Cinética
química
La base de la mayor parte de las mediciones cinéticas es la
observación de la rapidez, o velocidad (v), de una reacción, la cual varía en
forma directa con la concentración de cada reactante.
Al avanzar una reacción, la cantidad de producto ([P]) aumenta
y la cantidad de sustrato ([S]) disminuye.
La única concentración de sustrato es la que se prepara al
inicio del experimento.
La velocidad de la
reacción en el inicio preciso de la reacción: es el valor que se desea
conocer. Este valor representa la velocidad de la reacción a una concentración
conocida del sustrato antes de que cambie.
La velocidad inicial
(v0)
se puede determinar a partir de la pendiente del progreso de las curva o de las
derivadas de esas curvas.
La pendiente de la curva es
la constante de velocidad.
Constante de velocidad directa (Dirección en avance)
 |
| Se presenta como al avanzar la concentración de producto disminuye la del sustrato. |
Importante:
·
La velocidad de reacción depende: de la concentración
de sustrato limitante en la velocidad.
a.
Cinética
enzimática.
Emil Fischer, en 1894,
propuso que una enzima presenta una plantilla rígida, o cerradura, y que el
sustrato es la llave que le corresponde. Sólo los sustratos específicos se
pueden ajustar a determinada enzima.
Primeros estudios de
cinética enzimática confirmaron que una enzima (E) se une a un sustrato para
formar un complejo enzima-sustrato (ES).
Los complejos ES se forman
cuando los ligandos se unen de manera no covalente a sus lugares adecuados en
el sitio activo.
El sustrato reacciona en
forma transitoria con la proteína catalizadora (y con otros sustratos, en una
reacción multisustratos) para formar el
producto de la reacción.
Complejo enzima sustrato (ES): Unión temporal entre la E y el S, momento en el cual el S es convertido
en producto.
Sustrato (S): Es la molécula que se une al sitio activo en donde va a ser
transformada en producto.
Producto (P): El resultado de la reacción enzimática.
Sitio
activo: Es el lugar de la enzima donde
ocurre la reacción química del sustrato.
La velocidad total de una reacción enzimática depende de
las concentraciones tanto del sustrato como del catalizador.
Cuando la cantidad de
enzima es mucho menor que la cantidad de sustrato, la reacción depende de la
cantidad de enzima.
La cinética enzimática se diferencia de la cinética química simple:
1. Porque las velocidades de reacciones catalizadas
por enzimas dependen de la concentración de la enzima y ésta nunca es un
producto ni un sustrato de la reacción.
2.
Las velocidades también difieren porque el
sustrato debe unirse a la enzima para poder convertirse en el producto.
En una reacción catalizada por enzima, las velocidades iniciales se
obtienen del progreso de las curvas, igual que en las reacciones químicas
b.
Ecuación de
Michaelis- Menten
Altas concentraciones de sustrato no cambia.
La pendiente de la curva de la velocidad inicial en función de [S] es la: Hipérbola rectangular.
Característica de la hipérbola: Suelen aplanarse a concentraciones moderadas de sustrato de un valor que permanece mucho menor que la velocidad máxima.
Realizada por Leonor Michaelis y Maud Menten.
c.1. Deducción de la ecuación de Michaelis- Menten
Derivación de Estado
Estable por George E. Briggs J.B.S.
Holdane.
Postula que el
intervalo de tiempo durante el que se forma un complejo ES es la misma velocidad en la que se descompone
de modo que es constante.
La velocidad inicial
se usa en la derivación del estado estable porque se asume que la concentración
de producto ([P]) es insignificante. Tal estado estable es una condición común
para las reacciones metabólicas en las células. Al suponer que la concentración
de ES en estado estable es constante, entonces la velocidad de formación de producto depende de la velocidad de la
reacción química y de la velocidad de disociación de P para abandonar la
enzima.
c.2. Constante Catalítica:
Es cuando la concentración de sustrato es
alta, la velocidad total de la reacción es Vmáx y está determinada por la
concentración de la enzima.
Kcat
indica la cantidad máxima de moléculas de sustrato convertidas en producto cada
segundo por cada sitio activo
ü La
unidad de kcat es s -1.
ü El
recíproco de kcat es el tiempo necesario para que haya un evento catalítico.
ü Nótese
que para obtener kcat se
debe conocer la concentración de la enzima.
Si el mecanismo es más complejo, entonces
kcat puede ser una combinación de
varias y distintas constantes de velocidad. Es la causa por la que se necesita
una constante de velocidad diferente, kcat, para describir la velocidad total
de la reacción catalizada por enzimas. En la mayor parte de los casos se puede suponer que kcat
es una buena aproximación a k2.
TODO ESTOS ES NECESARIA PARA
PODER COMPRENDER EL EFECTO
Aplicación de las enzimas en análisis
clínicos
Las enzimas se emplean como reactivos estándar en los
laboratorios para el diagnóstico de enfermedades, para el control y el
seguimiento de enfermedades y de la respuesta del paciente hacia la terapia
seguida, y para la identificación y control de la concentración de drogas o sus
metabolitos en la sangre u otros fluidos corporales.
Las
técnicas de inmunoanálisis enzimático (ELISA) representan un nuevo e importante
avance al asociar anticuerpos específicos a enzimas como la peroxidasa o la
galactosidasa cuya unión genera una reacción colorimétrica (se observa color)
proporcional a la extensión de unión del anticuerpo.
Las enzimas se emplean rutinariamente para diagnosticar enfermedades
hepáticas, miocárdicas, pancreáticas y prostáticas, anemias, leucemias,
distrofia muscular, tumores y toxemias del embarazo.
Las técnicas enzimáticas también se utilizan
en la detección de
drogas, análisis de antibióticos, detección de antígenos o anticuerpos, o en la
detección de enzimas y metabolitos en los fluidos intracelulares.
Estas
técnicas son generalmente más rápidas, específicas ya baratas que otros métodos
de detección como el inmunoanálisis, los análisis fotométricos,
cromatográficos.
Uso de enzimas como productos médicos y
farmacéuticos
Las
enzimas, en las aplicaciones médicas y
farmacéuticas de las mismas requieren
generalmente pequeñas cantidades de enzimas muy purificadas. Esto se
debe a que si el destino de una enzima o de un producto obtenido por métodos
enzimáticos es su administración a un paciente, resulta evidente que el
preparado debe contener las menores cantidades posibles de material extraño
para evitar probables efectos secundarios.
Uno de los productos obtenidos mediante el uso de enzimas son los
aminoácidos. Si bien se pueden sintetizar empleando un proceso químico,
el resultado es una mezcla de dos tipos distintos (D y L isómeros). Puesto que
solamente el L-isómero es biológicamente activo, la mezcla debe ser separada en
sus dos componentes.
Además de aminoácidos, las enzimas son utilizadas para la producción de
antibióticos semi-sintéticos. Las penicilinas semisintéticas son los
principales productos farmacéuticos obtenidos por tecnología enzimática.
También se utilizan enzimas en la producción
de esteroides. Los
esteroides se utilizan en un gran número de preparados farmacéuticos
(por ejemplo en los antinflamatorios), por lo que los procesos empleados en la
producción de estas sustancias presentan una considerable importancia
económica.
Uso de
enzimas para generación de energía
Aplicación biotecnológica de las enzimas es la
producción de energía, a
partir de fuentes orgánicas en vez de
combustibles fósiles, no renovables.
Un
ejemplo clásico de biocombustible es el alcohol obtenido por fermentación de
material rico en azúcares y almidón, o de residuos orgánicos como los
forestales.
Los avances tecnológicos permitirán
en un futuro aumentar el desarrollo de estos productos biodegradables.
La tecnología enzimática tiene como
objetivo superar aquellos inconvenientes que puedan retrasar la aplicación de
las enzimas en procesos a escala industrial.
Actualmente
se utiliza en diferentes industrias, ya que implica la utilización de sistemas
enzimáticos diversos que optimizan el procesamiento en la obtención de
detergente, aditivos alimenticios, productos químicos y farmacéuticos.
La tecnología enzimática se presenta como alternativa biotecnológica
para que las industrias desarrollen productos de calidad homogénea, aprovechen
óptimamente sus materias primas, aceleren sus procesos de producción, minimicen
desperdicios y disminuyan el deterioro del medio ambiente.
Punto clave
Actualmente,
alrededor de 150 enfermedades metabólicas se han atribuido a defectos
enzimáticos específicos. En varios casos, la alteración se debe a la falta
total de la enzima, mientras que en otros, la causa es la sustitución por una
isoenzima parcialmente inactiva.
En
teoría, y una vez conocido el defecto, debería ser posible administrar la
enzima ausente al paciente y aliviar o eliminar los síntomas de la alteración.
Los
intentos para tratar las enfermedades metabólicas hereditarias mediante la
administración de enzimas exógenas han sido solo un éxito parcial. El principal
problema es que la enzima incorporada al organismo tiende a acumularse en el
hígado y el bazo.
De forma general entenderás
que en los tratamientos terapéuticos con enzimas se basa en la administración
de una enzima específica a un paciente, para producir una mejoría progresiva en
el mismo; el principal problema relacionado con este método, es la respuesta
inmunológica del organismo la cual inactiva al compuesto incorporado. Además,
si el destino de una enzima o de un producto obtenido por métodos enzimáticos
es su administración a un paciente, resulta evidente que el preparado debe
contener las menores cantidades posibles de material extraño para evitar
efectos secundarios.
La utilización de nuevos fármacos
va ligando con el metabolismo de cada individuo por ende a sus distintas
reacciones, es por ellos que, a cada punto que avance la sociedad vendrán más enfermedades y necesitaras nuevos
medicamentos que preparar, nuevas enzimas que modificar. La bioquímica, la biotecnología,
la biología molecular, la farmacia y la fisiología son
ramas que van ligada una de otra, pues ambas buscan un bien común que es el de
servir a la sociedad con cada nuevo descubrimiento que dan.
Mecanismos
enzimáticos
Con técnicas cinéticas se pueden medir los
cambios de enlaces químicos de un reactivo o solvente durante la reacción. El
estudio de cambios estereoquímicos que suceden durante la reacción puede
producir una perspectiva tridimensional del proceso. Para cualquier mecanismo
enzimático propuesto, debe coordinarse la información mecanicista de los
reactivos y productos intermedios, con la estructura tridimensional de la
enzima.
A.
Sustituciones nucleofílicas
Muchas reacciones químicas tienen
compuestos intermedios iónicos.
Hay dos tipos de intermedios iónicos:
1.
Nucleofílicas: unas especies son ricas en electrones o y otras especies, tiene una carga negativa o un par de
electrones no compartido. Suele imaginarse que el nucleófilo ataca al
electrófilo, y al mecanismo
se le llama ataque nucleofílico, o sustitución nucleofílica.
2.
Electrofílicas: son
pobres en electrones,
En general, el mecanismo de una
reacción implica un compuesto intermedio.
Otro tipo de sustitución nucleofílica consiste en el: Desplazamiento directo. En este mecanismo, el
grupo o molécula atacante se adiciona a la cara del átomo central, opuesto al
grupo saliente, y forma un estado de transición que tiene cinco grupos
asociados al átomo central. Este
estado de transición es inestable y de gran energía. Tiene una
estructura entre la del reactivo y la del producto.
Ambos tipos de
mecanismos de sustitución nucleofílica tienen un estado de transición. En el primer tipo: la reacción procede en forma escalonada, formándose una
molécula intermedia que puede tener la estabilidad suficiente para ser
detectada.
En el segundo tipo: de mecanismo,
la adición del nucleófilos atacante y el desplazamiento del grupo
saliente ocurren en forma simultánea. El estado de transición no es un
compuesto intermedio estable
B. Reacciones de ruptura
Los
enlaces covalentes se pueden romper de dos maneras:
1. Dos
electrones permanecen con un átomo, o un electrón puede permanecer con cada
átomo enlazado:
Ambos
electrones están en un átomo, por lo que se forman un intermedio iónico y un
grupo saliente. Por ejemplo, la ruptura de un enlace C—H casi siempre produce
dos iones.
ES DECIR:
ü
Si el
átomo de carbono retiene
ambos electrones, el compuesto que lo contiene se transforma en un carbanión.
ü
Si el
átomo de carbono pierde
ambos electrones, el compuesto que lo contiene se transforma en un ion
catiónico llamado carbocatión.
2. Un electrón se queda con cada producto,
y se forman dos radicales libres que suelen ser muy inestables. (Un radical libre, o radical simplemente,
es una molécula o átomo con un electrón no apareado).
C. Reacciones de óxido-reducción
Las
reacciones de óxido-reducción son fundamentales en el suministro de energía
biológica. En una reacción de óxido-reducción (o reacción redox), los
electrones de una especie se transfieren a otra.
1.
Oxidación: es la pérdida de electrones, una sustancia
que es oxidada tendrá menos electrones cuando se termine la reacción.
Un agente oxidante
es una sustancia que produce una oxidación: toma electrones del sustrato que es
oxidado. Así, los agentes oxidantes ganan electrones (es decir, se reducen).
2.
La reducción: es la ganancia de electrones, una sustancia que
gana electrones en una reacción es reducida.
Las
reacciones de oxidación y reducción siempre suceden en forma simultánea. Un
sustrato es oxidado y el otro es reducido.
Un agente reductor: es una sustancia que dona o cede
electrones (y en el proceso se oxida). Las oxidaciones pueden asumir varias
formas, como la eliminación de hidrógeno (deshidrogenación), adición de oxígeno
o eliminación de electrones.
La deshidrogenación es la forma más común
de oxidación biológica
Estabilización De Estados De Transición Mediante Catalizadores
El estado de transición: es un arreglo inestable de átomos en el
que los enlaces químicos están en proceso de formación o de ruptura. Los
estados de transición tienen tiempos de vida extremadamente cortos (de unos 10–14
a 10–13 segundos, que es el tiempo de una vibración de enlace)
El estado de transición ocurre en el máximo de la barrera de activación.
Es la cantidad de energía que debe superarse para que se efectúe la reacción.
Cuanto más baja sea la barrera, el estado de transición es más estable y la
reacción se efectúa con más frecuencia.
La
energía que se requiere para llegar al estado de transición a partir del estado
basal de los reactivos se llama energía de activación de la reacción, y con frecuencia se le llama
barrera de activación.
Los compuestos intermedios, a
diferencia de los estados de transición, pueden tener la estabilidad suficiente
para poder detectarse o aislarse.
Los catalizadores crean rutas de reacción que tienen menores energías de
activación que las de las reacciones no catalizadas. Los catalizadores
participan directamente en las reacciones porque estabilizan los estados de
transición que hay en las rutas de reacción. Las enzimas son catalizadores que aceleran las
reacciones porque disminuyen la energía total de activación. Causan aumento de
velocidad al formar una ruta de varios pasos (con uno o varios compuestos
intermedios) en el que cada uno de los pasos tiene menor energía de activación
que los estados correspondientes en la reacción no enzimática.
Paso
en una reacción enzimática:
1.
Formación de un complejo no covalente de
enzima y sustrato, ES.
Cuando los reactivos se enlazan con las
enzimas pierden mucha entropía.
En
una reacción entre A y B, la formación del complejo EAB reúne y ubica a los
reactivos haciendo que la probabilidad de la reacción catalizada por la enzima
sea mucho mayor que la no catalizada.
Una unión correcta con el sustrato
explica gran parte del poder catalítico de las enzimas.
2.
Los sitios activos de las enzimas
enlazan sustratos y productos. También se unen a estados de transición. Es probable que los estados de transición se unan a
sitios activos con mucha más fuerza de lo que lo hacen los sustratos.
La unión de sustratos,
seguida por la unión de estados de transición, permite tener el máximo aumento
de velocidad en la catálisis enzimática.
Modos químicos de la catálisis enzimática
La
formación de un complejo ES coloca a los reactivos en la cercanía de residuos
de aminoácidos del sitio activo de la enzima. Las cadenas laterales ionizables
participan en dos clases de catálisis química: catálisis ácido-base y catálisis
covalente, son los dos modos químicos principales de catálisis.
A. Catálisis
ácido-base
En
la catálisis ácido-base, la aceleración de una reacción se debe a la
transferencia catalítica de un protón. Esta catálisis ácido-base es la forma
más común de catálisis en química orgánica, y también es común en las reacciones
enzimáticas. Las enzimas que la hacen se basan en cadenas laterales de
aminoácido que pueden donar y aceptar protones en las condiciones de pH neutro
de las células. Este
tipo de catálisis ácido-base, donde intervienen agentes de transferencia de
protones, se llama catálisis ácido-base general.
Los
sitios activos de estas enzimas son el equivalente biológico de una solución de
ácido o base. Conviene usar B: para representar a una base o aceptador de
protón, y BH para representar su ácido conjugado, un donador de protón. Un
aceptor de protón puede ayudar a las reacciones en dos formas. Puede romper los
enlaces O—H, N—H, incluso algunos C—H, quitando a un protón.
B. Catálisis
covalente
En
la catálisis covalente se une un sustrato en forma covalente a la enzima y se
forma un compuesto intermedio reactivo. La cadena lateral que reacciona de la
enzima puede ser un nucleófilo o un electrófilo. La catálisis nucleofílica es
más común. En el segundo paso de la reacción se transfiere una porción del
sustrato del compuesto intermedio a un segundo sustrato.
Este
es un mecanismo común en bioquímica para acoplar dos reacciones diferentes.
Modos de enlazamiento en la catálisis enzimática
De acuerdo con estudios de catalizadores no
enzimáticos, se estima que la
catálisis ácido-base puede acelerar una reacción enzimática típica en un factor
de entre 10 a 100. La
catálisis covalente puede permitir la obtención del mismo aumento de velocidad.
Con lo importante que son estos modos químicos, sólo forman una pequeña parte
de los aumentos observados de velocidad debidos a las enzimas (típicamente de
108 a 1012). La capacidad que tienen las proteínas para unirse en forma
específica y orientar a los ligandos explica el resto. El propio enlace de los reactivos en el sitio
activo de la enzima provee no sólo la especificidad del sustrato y la reacción,
sino también la mayor parte del poder catalítico de las enzimas.
Hay dos modos catalíticos que se basan en
los fenómenos de enlace:
1.
Efecto de proximidad: es de reacciones multisustratos que es la
recolección y el posicionamiento correcto de las moléculas de sustrato en el
sitio activo, aumentando sus
concentraciones efectivas respecto a sus concentraciones en solución normal.
Del mismo modo, el enlazamiento de un sustrato cerca de un residuo en el sitio
activo disminuye la energía de activación, porque reduce la entropía y aumenta
las concentraciones efectivas de estos dos reactivos. Las altas concentraciones
efectivas favorecen la formación más frecuente de estados de transición.
Una
catálisis eficiente requiere que la unión de reactivos con enzimas sea bastante
débil, porque un enlazamiento extremadamente fuerte inactivaría a la catálisis.
2.
Estado de transición: que se produce en la interacción
ligando-enzima es el mayor enlazamiento de los estados de transición con
enzimas, en comparación con la unión de sustratos o productos. Hay un
equilibrio (no el equilibrio de la reacción) entre ES y el estado enzimático de
transición, ES‡. La interacción entre la enzima y sus ligandos en el estado de
transición desplaza este equilibrio hacia ES‡ y disminuye la energía de
activación.
Los experimentos parecen indicar que la proximidad puede hacer
aumentar las velocidades de reacción más de 10 000 veces, y que la
estabilización del estado de transición puede aumentar las velocidades de
reacción cuando menos de igual modo. Las enzimas pueden alcanzar aumentos
extraordinarios de velocidad cuando los dos efectos se multiplican por los
efectos de la catálisis química.
Enzimas requieren cationes inorgánicos
Más
de la cuarta parte de todas las enzimas conocidas requieren cationes metálicos
para tener actividad catalítica total.
Estas
enzimas se pueden dividir en dos grupos:
1.
Enzimas activadas por metal: tienen necesidad absoluta de iones metálicos adicionales,
o son estimuladas por adición de iones metálicos. Algunas de esas enzimas
requieren cationes
monovalentes, como y otras necesitan cationes divalentes
2.
Metaloenzimas: Contienen
iones metálicos firmemente unidos en sus sitios activos. Los iones que
más se suelen encontrar en las metaloenzimas son de metales de transición como
hierro y zinc, y con menos frecuencia cobre y cobalto. Los iones metálicos que
se unen fuertemente a las enzimas con frecuencia tienen funciones predominantes
en la catálisis. Los iones de algunas metaloenzimas pueden funcionar como
catalizadores electrofílicos.
Esta
enzima tiene una
velocidad catalítica muy alta, en parte debido a la simplicidad de su
mecanismo
Los iones de otras metaloenzimas pueden tener reacciones
reversibles de oxidación y reducción, al transferir electrones de un sustrato
reducido a un sustrato oxidado.
Clasificación de las coenzimas
Se
puede clasificar de la siguiente forma:
1.
Cousustrato: son sustratos en reacciones catalizadas por enzimas, un
cosustrato se altera durante la reacción y se disocia del sitio activo. La estructura original del
cosustrato se regenera en una reacción posterior, catalizada por otra enzima.
El cosustrato se recicla en forma repetida dentro de la célula, a diferencia de
un sustrato ordinario, cuyo producto, en el caso típico, sufre una
transformación posterior. Los cosustratos llevan y traen grupos metabólicos
entre distintas reacciones catalizadas por enzimas.
2.
Grupo prostético: permanece unido a la enzima durante la
reacción. En algunos casos, el grupo prostético se une en forma covalente a su apoenzima en tanto
que en otros casos está firmemente unido al sitio activo por muchas
interacciones débiles. Igual que los residuos iónicos de aminoácido del sitio
activo, un grupo prostético debe regresar a su forma original durante cada
evento catalítico total, o la holoenzima no seguirá siendo catalíticamente
activa.
Los cosustratos y los grupos
prostéticos son parte del sitio activo de las enzimas. Suministran grupos
reactivos que no están disponibles en las cadenas laterales de los residuos de
aminoácido.
VITAMINAS
MACRONUTRIENTES
Glúcidos:
polisacáridos y disacáridos
Lípidos:
triacilglicéridos, fosfolípidos, colesterol y ácidos grasos esenciales
colesterol y ácidos grasos esenciales
Proteínas:
aminoácidos esenciales y no esenciales
Fibra
MICRONUTRIENTES
Vitaminas:
hidrosolubles y liposolubles
Minerales:
calcio, magnesio, fósforo, hierro, sodio, potasio, cloruro, yodo, zinc, cobre,
manganeso, selenio, molibdeno.
VITAMINAS
•Compuestos
orgánicos que se requieren en pequeñas cantidades para cumplir diversas
funciones bioquímicas.
•En
general, no pueden sintetizarse por •En general, no pueden sintetizarse por los
organismos y deben provenir de la dieta.
•Su
rol más prominente es actuar como cofactores de reacciones enzimáticas.
Asignaciones
dietéticas recomendadas (RDA)
Nivel
de ingestión de nutrientes esenciales adecuados para prevenir la aparición de
deficiencia nutricional en al menos el 97 % de la población.
CLASIFICACIÓN
•Vitaminas hidrosolubles:se almacenan en pequeña cantidad y su
solubilidad permite eliminar rápidamente el exceso el exceso
•Vitaminas liposolubles:pueden ser almacenadas, lo cual puede
causar toxicidad cuando se acumulan en exceso.
VITAMINAS HIDROSOLUBLES
ü
•Vitamina
C-ácido ascórbico
ü
•Complejo
B
ü
•Vitamina
B1-Tiamina
ü
•Vitamina
B2 -Riboflavina
ü
•Vitamina
B2 -Riboflavina
ü
•Vitamina
B3-Niacina
ü
•Vitamina
B5-Acido Pantoténico
ü
•Vitamina
B6 -Piridoxal
ü
•Vitamina
B8-Biotina
ü
•Vit.
B12 –Cobalamina
ü
•Acido
Fólico
ü
Pirofosfato
de tiamina
Vitamina
B
Vitamina
B11
Tiamina
Presente en granos, cerdo, leguminosas, semillas y frutos secos.
Reacciones
dependientes de pirofosfato de tiamina
El
pirofosfato de tiamina es cofactor de:
•piruvato
y α-cetoglutarato deshidrogenasa (síntesis de acetil-CoA y ciclo de Krebs)
(síntesis de acetil-CoA y ciclo de Krebs)
•deshidrogenasa
de cetoácidos de cadena ramificada (metabolismo de Leu, Ile y Val)
•transcetolasa
(vía de las pentosas).
La
deficiencia severa de tiamina en la dieta compromete la capacidad de generar
energía de las células provocando graves problemas neurológicos y cardíacos.
Esta
enfermedad conocida como beriberi se Esta enfermedad conocida como beriberi se
caracteriza por causar atrofia, debilidad muscular, edemas y trastornos
cardíacos.
Presenta
elevada incidencia en regiones donde la dieta se basa en arroz descascarillado,
que tiene un contenido muy bajo de tiamina.
Vitamina B2
Riboflavina
Precursora
de FMN y FAD, grupo prostético de flavoproteínas
Presente
en lácteos, carne, pollo, pescado y legumbres.
La función de FMN y FAD es la transferencia de 1 ó 2 electrones en
reacciones redox
La
coenzima se encuentra unida fuertemente a la proteína, a veces de forma
covalente, por lo cual no pueden transferir los electrones cual no pueden
transferir los electrones difundiendo de una enzima a otra.
Versatilidad
como mediadores de una gran variedad de procesos redox, presentes en
deshidrogenasas, oxidasas y monooxigenasas
Aunque
las deficiencias de Riboflavina, son muy poco frecuentes, en dichos casos se
observa un retraso en el crecimiento, perturbaciones oculares, degeneración de
mielina y debilidad muscular.
Vitamina B3
Niacina
(Ácido nicotínico y nicotinamida)
Dan
origen a las coenzimas NAD+y NADP+
Presente
en carne roja, pollo, pescado y cereales integrales
La
niacina no es estrictamente una vitamina porque puede sintetizarse a partir del
aminoácido esencial triptofano.
La
síntesis requiere B1, B2 y B6.
Funciones biológicas del NAD+y NADP+
•NAD+es elprincipal recolector de equivalentes de reducción durante
la degradación oxidativa. En su forma reducida (NADH), transporta estos
equivalentes de reducción a la cadena respiratoria mitocondrial. respiratoria
mitocondrial.
•NADPHa pesar de llevar
a cabo el mismo proceso redox, es el encargado de donar electrones en la
mayoría de los procesos biosintéticos, participando en las rutas anabólicas.
La pelagraes una enfermedad originada
por una insuficiencia en la dieta de triptófano y niacina, asociada a poblaciones alimentadas con una dieta
en base al maíz (cuyas proteínas son muy pobres en el contenido de Trp).
Sus
síntomas característicos son: dermatitis, Sus síntomas característicos son:
dermatitis, diarreas y demencia.
Actualmente
esta enfermedad es muy poco común y se observa en alcohólicos o pacientes con
trastornos importantes en la absorción.
Vitaminas hematopoyéticas:
Taminas
hematopoyéticas:
Acido
Fólico (Ácido pteroil glutámico)
Presente
en cereales, legumbes, frutos cítricos y vegetales de hoja verde.
Dentro
de la célula, el folato (forma oxidada) se convierte en su forma activa
tetrahidrofolato (THF), mediante dos reacciones sucesivas de reducción. •El THF
puede transportar unidades monocarbonadas en diferentes estados de oxidación
unidas a N-5 (formil, formimino, metilo), a N-10 (formilo) o a ambos (metileno
o metenilo).
La
carencia de folato provoca el bloqueo en la síntesis de ADN, lo cual lleva a
que las células se detengan en fase S y a un cambio megaloblástico en el tamaño
y forma de los núcleos de las células en división.
En la
médula ósea se retarda la maduración de los •En la médula ósea se retarda la
maduración de los hematíes, produciendo anemia macrocítica (hematíes grandes
con membranas frágiles).
Moléculas
inhibidores del metabolismo de folato pueden ser usados como drogas
anticancerígenas y como agentes antimicrobianos.
Vitamina C
Ácido
L-ascórbico.
Los
humanos y otros primates han perdido la capacidad de sintetizar vitamina C.
Está
presente en cítricos, papas, brócoli, espinaca, frutillas, tomates, morrones.
Procesos en los que interviene la
Vitamina C:
•Antioxidante
hidrosoluble. Reacciona con radicales libres y oxidantes.
•Síntesis
de colágeno. Cofactor de la prolina
hidroxilasa y de la lisina hidroxilasa que participan en la formación
del colágeno. participan en la formación del colágeno. •Degradación de
tirosina.
•Síntesis
de adrenalina a partir de tirosina.
•Formación
de sales biliares.
•Síntesis
de hormonas esteroideas.
•Absorción
de hierro. Reduce el Fe(III
VITAMINAS
LIPOSOLUBLES
ü
•Vitamina
A-retinol
ü
•Vitamina
D3-calcitriol
ü
•Vitamina
E-α-tocoferol
ü
•Vitamina
E-α-tocoferol
ü
•Vitamina
K–menaquinona.
Solo se absorben bien cuando la absorción
de los lípidos es normal.
Se transportan por la sangre unidas a
lipoproteínas.
Si se consume vitamina A o D en exceso
puede haber toxicidad.
Vitamina
A
Los retinoides(retinol, retinaldehído y
ácido retinoico) constituyen la vitamina A preformada y se encuentran en
alimentos de origen animal. origen animal.
Los carotenoidesse encuentran en plantas y
constituyen la provitamina A, pues pueden ser clivados para formar los
retinoides.
El retinol y el ácido retinoico actúan como
las hormonas esteroideas, uniéndose a receptores nucleares y participando en la
regulación de la expresión génica y la diferenciación celular.
La vitamina A es fundamental para el La
vitamina A es fundamental para el mantenimiento de los tejidos epiteliales,
para la síntesis adecuada de queratina y para la síntesis de glicoproteínas que
humectan los epitelios.
La vitamina A tiene un rol antioxidante
Las
deficiencias en vitamina A conducen a:
•ceguera nocturna
•xeroftalmia (queratinización de la córnea y
pérdida de la visión)
•hiperqueratosis folicular (piel
queratinizada
•hiperqueratosis folicular (piel queratinizada
similar a la “piel de gallina”)
•susceptibilidad a infecciones y anemia.
El consumo de vitamina A en exceso, puede
resultar tóxico
Vitamina
D
Regulación
de la absorción y homeostasis del Regulación de la absorción y homeostasis del
calcio. calcio.
Actúa
vía receptores nucleares que afectan la Actúa vía receptores nucleares que
afectan.
Actúa
vía receptores nucleares que afectan la Actúa vía receptores nucleares que
afectan la expresión génica. Es de hecho una hormona. expresión génica. Es de
hecho una hormona.
Su
deficiencia lleva a raquitismo en niños Su deficiencia lleva a raquitismo en
niños (reblandecimiento y deformación en los huesos) y (reblandecimiento y
deformación en los huesos) y osteomalacia en adultos (desmineralización de los
osteomalacia en adultos (desmineralización de los huesos, más susceptibles a
las fracturas).
CARBOHIDRATOS
Los
monosacáridos son sólidos blancos, cristalinos y solubles en agua que tienen
sabor dulce. Entre los ejemplos están la glucosa y la fructosa. Desde el punto
de vista químico, los monosacáridos son polihidroxi aldehídos o aldosas, o
polihidroxi cetonas o cetosas.
Se
clasifican por el tipo de grupo carbonilo y por la cantidad de átomos de
carbono.
Todos
los monosacáridos tienen al menos tres átomos de carbono.
Conformaciones de los monosacáridos
Debido
a su simplicidad, las proyecciones de Haworth se usan con frecuencia en
bioquímica. Esas fórmulas muestran la configuración de los átomos y los grupos
en cada átomo de carbono de la columna vertebral del azúcar. Sin embargo, la
geometría de los átomos de carbono de un anillo de monosacárido es tetraédrica
(ángulos de enlace cercanos a 110°), por lo que en realidad los anillos de
monosacárido no son planos. Los monosacáridos cíclicos pueden tener diversas
conformaciones, o formas tridimensionales que tienen la misma configuración.
Los anillos de furanosa adoptan conformaciones de sobre en las que uno de los
cinco átomos del anillo (C-2 o C-3) está fuera del plano, y los cuatro
restantes son aproximadamente coplanares. Las furanosas también pueden formar
conformaciones torcidas, donde dos de los cinco átomos del anillo están fuera
del plano, uno a cada lado del plano formado por los otros tres átomos. La
estabilidad relativa de cada confórmero depende del grado de interferencia
estérica entre los grupos hidroxilo. Los diversos confórmeros de monosacáridos
no sustituidos pueden convertirse rápidamente entre sí
Derivados de los monosacáridos
Hay
muchos derivados de los monosacáridos básicos que ya se describieron en las
secciones anteriores. Entre estos derivados están los monosacáridos
polimerizados, como los oligosacáridos y los polisacáridos, igual que varias
clases de compuestos no polimerizados. En esta sección se presentarán algunos
derivados de monosacárido, incluyendo fosfatos de azúcar, desoxi y
aminoazúcares, azúcares alcoholes, azúcares ácidos y el ácido ascórbico
(vitamina C).
A.
Fosfatos de azúcar
Los
fosfatos de triosa, el 5-fosfato de ribosa y el 6-fosfato de glucosa son
ésteres alcohol-fosfato simples. El 1-fosfato de glucosa es un fosfato de
hemiacetal, más reactivo que un fosfato de alcohol.
B. Desoxiazúcares
En
esos derivados, un átomo de hidrógeno sustituye a uno de los grupos hidroxilo
del monosacárido precursor. La 2-desoxi-D-ribosa es un bloque constructivo
importante en el ADN.
C. Aminoazúcares
En
varios azúcares, un grupo amino sustituye uno de los grupos hidroxilo del
monosacárido precursor. A veces el grupo amino está acetilado. En la figura
8.15 se ven tres ejemplos de aminoazúcares. Los aminoazúcares de la glucosa y
la galactosa se suelen presentar en glucoconjugados.
D. Azúcares alcoholes
En un azúcar alcohol el oxígeno
carbonílico del monosacárido precursor se ha reducido y se produce un
polihidroxialcohol.
E. Azúcares ácidos
Los azúcares ácidos son ácidos
carboxílicos derivados de las aldosas, sea por oxidación de C-1 (el carbono
aldehídico) para formar un ácido aldónico, o por oxidación del carbono con
número mayor (el que tiene el alcohol primario) para formar un ácido aldurónico
F. Ácido ascórbico
El ácido L-ascórbico, o vitamina
C, es un enodiol de una lactona derivada del D-glucoronato. Los primates no
pueden convertir glucoronato en ácido ascórbico, y en consecuencia deben
obtenerlo en su dieta. El ácido ascórbico es un cofactor esencial para las
enzimas que catalizan la hidroxilación de los residuos de prolina y lisina
durante la síntesis de colágena.
Disacáridos y otros glicósidos
El enlace glicosídico es el
principal enlace estructural en todos los polímeros de los monosacáridos. Es un
enlace acetal, donde el carbono anomérico de un azúcar se condensa con un
alcohol, una amina o un tiol. Por ejemplo, la glucopiranosa puede reaccionar
con metanol en solución ácida, para formar un acetal. Los compuestos que tienen
enlaces glicosídicos se llaman glicósidos. Los glucósidos son una clase
especial de glicósidos, donde la glucosa aporta el carbono anomérico. Entre los
glicósidos hay disacáridos, polisacáridos y algunos derivados de carbohidrato.
Polisacáridos
Con frecuencia se divide a los
polisacáridos en dos clases extensas. Los homoglicanos (u homopolisacáridos)
son polímeros que sólo contienen residuos de un tipo de monosacárido. Los
heteroglicanos (o heteropolisacáridos) son polímeros que contienen residuos de
más de un tipo de monosacárido. A diferencia de las proteínas, cuyas
estructuras primarias se codifican por el genoma y tienen así longitudes
específicas, los polisacáridos se forman sin una plantilla, por adición de
determinados residuos de monosacárido y oligosacárido. El resultado es que las
longitudes y las composiciones de las moléculas de polisacárido pueden variar
dentro de una población.
A. Almidón y glucógeno
Todas las especies sintetizan
D-glucosa. El exceso de glucosa se puede descomponer y producir energía
metabólica. Los residuos de glucosa se almacenan como polisacáridos, hasta que
se necesitan para producir energía. El homoglicano de almacenamiento más común
de la glucosa en las plantas y los hongos es el almidón; y en los animales es
el glucógeno. Ambos tipos de polisacárido existen en las bacterias.
B. Celulosa y quitina
La celulosa es un polisacárido
estructural. Es uno de los principales componentes de las paredes celulares
rígidas que rodean muchas células vegetales. Los tallos y las ramas de muchas
plantas están formados principalmente por celulosa. Este solo polisacárido
forma un porcentaje apreciable de toda la materia orgánica en la Tierra. Igual
que la amilosa, la celulosa es un polímero lineal de residuos de glucosa, pero
en la celulosa esos residuos están unidos por enlaces b-(1 → 4) y no por
enlaces a-(1 → 4).
GENERALIZANDO
Monósacaridos: Es una unidad y ya no se sbdivide en más por hidrolisis ácida o
enzimatica.
·
Simples: Cadenas de átomos de carbono con varios grupos -OH y un grupo -O.
·
Derivados: Monósacaridos modificados.
Oligosacaridos: Formados por la unión de dos, tres o cuatro moléculas de
monósacaridos.
Polisacaridos: Son el producto de la unión de numerosas moléculas de
monósacaridos.
·
Simples: Unión de numerosas moléculas de monóacaridos.
·
complejos: Unión de moléculas de monóacaridos derivados.
Disacaridos: Es un carbohidrato formado por dos unidades de monósacaridos, estas
unidades estan unidas mediante un enlace glucosidico.
IMPORTANCIA
Los carbohidratos tienen funciones muy diversas en el
organismo; desde la transferencia de energía entre las células, como es el caso
de la glucosa que es el sustrato energético fundamental y combustible universal
para el feto, hasta la función de reconocimiento célular y proteíco pasando por
la función de reserva energética bajo la forma y resistencia de los orgánismos
vegetales en forma de celulosa. Los carbohidratos pueden ser precursores de
lípidos y de factores vitaminicos como el ácido ascorbico y el inositol de
determinados organismos.
