Metabolismo Celular y Bioquímica: Conceptos Clave y Procesos
1. Efecto Hidrofóbico y su Influencia en la Estructura de las Proteínas
El efecto hidrofóbico es un fenómeno crucial en la biología molecular que afecta a la estructura compacta de las proteínas. Se basa en la exclusión de moléculas de agua del interior de la proteína, donde se agrupan los residuos hidrofóbicos, mientras que los residuos polares se exponen al exterior, en contacto con el agua. La ausencia de agua en el interior de la proteína facilita las interacciones iónicas y los enlaces de hidrógeno, contribuyendo a la estabilidad de las estructuras terciarias y cuaternarias.
2. Estructura Secundaria de las Proteínas: Hélice Alfa y Lámina Beta
La estructura secundaria de las proteínas, aunque teóricamente podría adoptar innumerables conformaciones debido a los grados de libertad de los enlaces peptídicos, se organiza principalmente en dos tipos: la hélice alfa y la lámina beta. Estas estructuras se estabilizan mediante puentes de hidrógeno entre los grupos carbonilo (CO) y amino (NH) del esqueleto peptídico.
- Hélice alfa: Conformación helicoidal dextrógira con ángulos φ ≈ -60° y ψ ≈ -40° a -50°. Los grupos peptídicos forman puentes de hidrógeno intracatenarios, y las cadenas laterales se proyectan hacia el exterior, permitiendo interacciones.
- Lámina beta: Segmentos polipeptídicos extendidos que se alinean formando una lámina plegada. Los puentes de hidrógeno se establecen entre cadenas adyacentes, que pueden ser paralelas o antiparalelas.
La preferencia por estas dos estructuras se debe a restricciones estéricas. Los impedimentos estéricos entre los grupos NH, CO y R limitan las conformaciones posibles, como se visualiza en el diagrama de Ramachandran.
3. Vitamina C y la Estructura del Colágeno
La vitamina C (ácido ascórbico) es esencial para la correcta formación de la estructura del colágeno. Actúa como cofactor en la hidroxilación de residuos de prolina y lisina, una modificación postraduccional catalizada por la prolil hidroxilasa. Esta hidroxilación permite la formación de puentes de hidrógeno intercatenarios que estabilizan la triple hélice del colágeno.
4. Regulación Alostérica de la Hemoglobina por el 2,3-BPG
El 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) es un regulador alostérico de la hemoglobina. La regulación alostérica es un mecanismo de control rápido y reversible de la actividad enzimática. El 2,3-BPG se une a la forma T (desoxihemoglobina) de la hemoglobina, estabilizándola y disminuyendo su afinidad por el oxígeno. Esto facilita la liberación de oxígeno en los tejidos.
5. Catálisis Enzimática y la Hipótesis del Estado de Transición
La hipótesis del estado de transición explica la catálisis enzimática desde una perspectiva termodinámica. Las enzimas aceleran las reacciones al disminuir la energía de activación, facilitando la formación del estado de transición (S*), un intermedio de alta energía entre el sustrato (S) y el producto (P). El centro activo de la enzima es complementario al estado de transición, estabilizándolo.
6. Aminoacil-tRNA Sintetasas y su Capacidad de Corrección
Las aminoacil-tRNA sintetasas son enzimas que catalizan la unión de un aminoácido específico a su correspondiente ARNt. Son esenciales para la traducción del código genético. Estas enzimas poseen capacidad de corrección de errores (prueba de lectura), asegurando que se incorpore el aminoácido correcto al ARNt.
7. Código Genético: Características y Significado
El código genético es la relación entre la secuencia de bases en el ADN (o ARNm) y la secuencia de aminoácidos en las proteínas. Sus características principales son:
- Organizado en codones (tripletes de bases).
- Lectura a partir de un punto de inicio (AUG).
- Pauta de lectura continua y sin solapamientos.
- Degenerado: varios codones pueden codificar el mismo aminoácido.
- Codones de terminación (UAA, UAG, UGA).
- Casi universal, con algunas variaciones en mitocondrias y protozoos.
8. Intercambio Iónico en el Apatito Dental
El apatito dental, principal componente mineral del esmalte, presenta propiedades dinámicas, como el intercambio iónico. Este proceso implica el intercambio de iones de la superficie del cristal con iones de la saliva. Puede ser:
- Isoiónico: Intercambio con iones de la misma carga (ej., Ca2+ por Ba2+, Na+, Mg2+).
- Heteroiónico: Intercambio con iones de diferente carga, como la incorporación de fluoruro (F–) al hidroxiapatito, formando fluorapatito, más resistente a la desmineralización.
9. Regulación del pH Bucal por la Saliva y su Importancia
La saliva regula el pH bucal mediante varios mecanismos:
- Dilución de ácidos.
- Efecto tampón:
- Tampón bicarbonato: Actúa cerca de pH 6,1.
- Tampón fosfato: Regula el pH en medio acuoso.
Esta regulación es crucial para prevenir la desmineralización del esmalte, que ocurre a un pH crítico de 5,5.
10. Biomineralización del Esmalte y la Dentina: Diferencias y Similitudes
La biomineralización es la formación de minerales en los seres vivos. En los tejidos dentarios, está controlada por células que:
- Regulan el aporte de iones.
- Aportan vesículas con núcleos de cristalización.
- Facilitan la nucleación epitáxica mediante una matriz orgánica.
En la biomineralización dental intervienen:
- Proteínas hidrofóbicas insolubles: Colágeno (dentina) y amelogeninas (esmalte), que controlan la formación del cristal.
- Proteínas aniónicas: Glicoproteínas y fosfoproteínas, que interactúan con Ca2+ y actúan como superficie de nucleación.
11. Hormona Paratiroidea (PTH) y la Homeostasis del Calcio y Fosfato
La PTH se libera en respuesta a la disminución de la concentración de calcio en sangre. Su función principal es aumentar la calcemia. Actúa sobre:
- Hueso: Estimula la resorción ósea por los osteoclastos, liberando calcio.
- Riñón: Aumenta la reabsorción tubular de calcio e inhibe la reabsorción de fosfato. Activa la enzima que realiza la segunda hidroxilación de la vitamina D.
- Intestino: Favorece la absorción de calcio y fosfato (indirectamente, a través de la vitamina D).
12. Vías de Transducción de Señales de Glucagón e Insulina
Insulina:
- Estimula el almacenamiento de combustibles (glucógeno, ácidos grasos) y la síntesis de proteínas.
- Promueve la entrada de glucosa en células musculares y adiposas.
- Favorece la captación de aminoácidos ramificados por el músculo y la síntesis de proteínas musculares.
Glucagón:
- Se secreta en respuesta a niveles bajos de glucosa en sangre.
- Actúa principalmente en el hígado.
- Estimula la degradación del glucógeno e inhibe su síntesis.
- Favorece la gluconeogénesis y bloquea la glucólisis.
- Inhibe la síntesis de ácidos grasos.
13. Cofactores Transportadores de Electrones en las Células
Las reacciones redox son fundamentales en el metabolismo. Los electrones se transfieren desde especies con menor potencial de reducción a aquellas con mayor potencial. Las enzimas redox utilizan transportadores universales de electrones:
- NAD+/NADH: Participan en reacciones catabólicas.
- NADP+/NADPH: Participan en reacciones anabólicas.
- FAD/FADH2 y FMN/FMNH2: Grupos prostéticos de enzimas redox.
El poder reductor (NADH, NADPH, FADH2) se utiliza para la síntesis de ATP en la cadena respiratoria.
14. Regulación del Ciclo del Ácido Cítrico (Ciclo de Krebs)
El ciclo de Krebs está regulado principalmente por:
- Control de la entrada de Acetil-CoA.
- Regulación alostérica de enzimas:
- Isocitrato deshidrogenasa (IDH): Inhibida por ATP y NADH, activada por ADP.
- α-cetoglutarato deshidrogenasa (α-KGDH): Inhibida por succinil-CoA, NADH y ATP.
15. Entrada de Glucosa en la Célula y Destinos Metabólicos de la Glucosa-6-Fosfato
La glucosa entra en la célula mediante transportadores específicos. La hexoquinasa (y la glucoquinasa en el hígado) fosforila la glucosa a glucosa-6-fosfato. Los posibles destinos de la glucosa-6-fosfato son:
- Glucólisis (para obtener energía).
- Síntesis de glucógeno (almacenamiento).
- Vía de las pentosas fosfato (para generar NADPH y ribosa-5-fosfato).
16. Regulación de la Degradación del Glucógeno
- a) Aumento de Ca2+ en la fibra muscular: Activa la fosforilasa quinasa (regulación alostérica), aumentando la degradación del glucógeno.
- b) Liberación de glucagón: Aumenta la degradación del glucógeno en el hígado.
- c) Aumento de glucosa en sangre: Disminuye la actividad de la fosforilasa A (efecto alostérico negativo) en el hígado, disminuyendo la degradación del glucógeno.
- d) Desfosforilación de fosforilasa quinasa: Disminuye la degradación del glucógeno.
18. Destino del Nitrógeno de los Aminoácidos en el Músculo
El nitrógeno de los aminoácidos liberados en la degradación de proteínas en el músculo se transfiere al glutamato y luego a la alanina. La alanina se transporta al hígado, donde se convierte en glutamato y piruvato. El glutamato se desamina, liberando amonio (NH4+), que se convierte en urea en el ciclo de la urea. El piruvato se utiliza para la gluconeogénesis.
19. Metabolismo Hepático de la Glucosa
a) Posibles destinos o rutas metabólicas:
- Glucólisis (para obtener energía).
- Síntesis de glucógeno.
- Síntesis de ácidos grasos, colesterol y sales biliares.
- Vía de las pentosas fosfato (para generar NADPH y ribosa-5-fosfato).
- Mantenimiento de la glucemia (liberación de glucosa).
b) Rutas metabólicas más activas en el hígado:
- Estado post-absortivo: Síntesis de glucógeno, lipogénesis.
- Ayuno temprano: Degradación de glucógeno, gluconeogénesis.
20. Mediadores Tisulares de la Inflamación
- De acción rápida: Aminas vasoactivas (histamina, serotonina).
- De acción lenta:
- Derivados del ácido araquidónico (prostaglandinas, leucotrienos, tromboxanos).
- Factor activador de plaquetas (FAP).
- Óxido nítrico (NO).
- Citoquinas.
Procesos Metabólicos (Esquema)
- 1: Glucólisis
- 2: Piruvato deshidrogenasa
- 3: Acetil-CoA carboxilasa
- 4: Síntesis de ácidos grasos
- 5: Síntesis de ácidos grasos
- 6: Alanina aminotransferasa
- 7: Ciclo de Krebs
- Enzimas reguladoras del proceso 1 (Glucólisis): Fosfofructoquinasa y piruvato quinasa.
- Procesos que utilizan o generan poder reductor:
- Generan: Glucólisis (NADH), Piruvato deshidrogenasa (NADH), Ciclo de Krebs (NADH, FADH2).
- Utilizan: Síntesis de ácidos grasos (NADPH).
- Procesos que consumen/producen ATP:
- Consumen: Acetil-CoA carboxilasa.
- Producen: Glucólisis, Ciclo de Krebs.
- Otros destinos metabólicos del Acetil-CoA: Formación de cuerpos cetónicos, síntesis de colesterol.