TEMA 6: ÁCIDOS NUCLEICOS Y PROTEÍNAS

1 La Estructura del ADN y la Replicación 1.1 LA ESTRUCTURA DEL ADN Al final de cada hebra hay un grupo fosfato unido al átomo de carbono 5 de la desoxirribosa. Este es el terminal 5’.

Los enlaces de hidrógeno (mostrados como ) unen a las bases. Se forman dos enlaces entre adenina y timina y tres enlaces entre guanina y citosina. Sólo estos pares pueden formar enlaces de hidrógeno. adenina

timina

guanina

citosina

Dos de las bases en el ADN son purinas: adenina y guanina. Ellas tienen dos anillos en sus moléculas. Otras dos bases en el ADN son pirimidinas. La citosina y la timina son pirimidinas. Ellas tienen un solo anillo en sus moléculas. Sólo una purina más una pirimidina ocuparán el espacio entre las columnas de azúcar-fosfato.

Los nucleótidos adyacentes están unidos por un enlace entre el grupo fosfato de un nucleótido y el átomo de carbono 3 del otro nucleótido.

Al final de cada hebra hay un grupo hidroxilo unido al átomo de carbono 3 de la desoxirribosa. Este es por lo tanto el terminal 3’.

Hay dos hebras que tienen sus terminales 3’ y 5’ en extremos opuestos, no son paralelos. La replicación de ADN sólo puede suceder en una dirección 5’ 3’ de modo que se necesita un método diferente para las dos hebras.

1.1 ESTRUCTURA DEL ADN

1.2 EL ROL DE LAS ENZIMAS EN LA REPLICACIÓN DEL ADN 1. La célula produce muchos nucleótidos libres para la replicación de ADN. Cada uno tiene 3 grupos fosfato, ellos son trifosfatos desoxirribonucleótidos. Los fosfatos se sacan durante la replicación para liberar energía.

3. El ADN polimerasa III agrega nucleótidos en la dirección 5’ 3’. Una hebra se mueve en la misma dirección que en la replicación, cerca de la hélice. La otra hebra se mueve en la dirección opuesta.

2. La helicasa desenrolla la doble hélice de ADN y la separa en dos hebras originales.

4. El ARN primasa agrega un trozo de ARN (unido por bases apareadas) a la hebra original de ADN. Este actúa como un detonador, permitiendo que el ADN polimerasa se una y comience la replicación.

BIOLOGÍA BI

5. El ADN polimerasa III comienza la replicación próxima a ARN mensajero y agrega nucleótidos en una dirección 5’ 3’. Por lo tanto se aleja de la replicación en esta hebra.

6. Se forman cortas tiras de ADN entre los ARN detonadores en esta hebra, llamados fragmentos Okazaki.

8. El ADN ligasa tapa el 7. El ADN polimerasa I espacio haciendo otro remueve al ARN enlace azúcar-fosfato. detonador y lo reemplaza con ADN. Queda un espacio donde aún no se conectan los dos nucleótidos.

1

TEMA 6: ÁCIDOS NUCLEICOS Y PROTEÍNAS

2 El ADN en Eucariontes y Procariontes Todos eucariontes y procariontes usan el ADN como su material genético y usan el mismo código genético, pero hay diferencias en la forma en que se usa el ADN. ?En los eucariontes el ADN se asocia con las proteínas para formar nucleosomas, mientras que en los procaiontes el ADN está desnudo. ?La replicación del ADN comienza en puntos especiales de iniciación. Los eucariontes tienen muchos de estos puntos de iniciación a lo largo de cada cromosoma. La mayoría de los procariontes tienen sólo un punto en la molécula de ADN donde se inicia la replicación. ?La mayor parte del ADN en los eucariontes consiste en secuencias de bases repetitivas. Estas secuencias no son genes. Ellas son útiles para perfilar el ADN, pero su rol en los eucariontes es incierto. Los procariontes usualmente no tienen secuencias repetitivas. ?Muchos genes en los eucariontes contienen intrones. Estas son secuencias no codificadas que son transcritas, pero no traducidas. Ellos se encuentran en el nuevamente transcrito ARNm, pero son removidos. El ARNm maduro no contiene intrones. Las secuencias que no son removidas se llaman exones. Los procariontes usualmente no tienen intrones en sus genes. ?La expresión genética involucra la transcripción de un gen y la traducción del ARNm producido por la transcripción. En cualquier célula, en un tiempo particular, algunos genes se expresan y otros no. Esto se llama regulación genética. Cada gen en un eucarionte usualmente se regula en forma separada. En los procaiontes algunos genes se ordenan en grupos y se regulan juntos. Estos grupos se llaman operones. El Lac Operon, encontrado en Escherichia coli es un ejemplo. La siguiente figura muestra cómo funciona.

2.1 ESTRUCTURA DEL NUCLEOSOMA

el núcleo del nucleosoma está compuesto de ocho moléculas proteicas llamadas histonas

ADN enrollado dos veces alrededor del núcleo del nucleosoma

BIOLOGÍA BI

unión de ADN

la unión del ADN continúa hacia el próxima nucleosoma

otra histona mantiene al nucleosoma unido

2

TEMA 6: ÁCIDOS NUCLEICOS Y PROTEÍNAS

EL LAC OPERON

Promotor: el lugar donde el ARN polimerasa empieza la transcripción

Operador: el lugar donde se une el represor proteico

Regulador genético: códigos para el represor proteico

Tres genes que codifican a dos enzimas y una proteína de transporte, necesarios cuando la célula está usando lactosa Lac Z

Lac Y

Lac A

transcripción Represor proteico

ARNm traducción

SIN LACTOSA El ARN polmerasa no puede unirse al promotor para comenzar la transcripción

CON LACTOSA

El represor proteico se une al operador

Los tres genes no se transcriben y la célula no pierde energía o materiales al hacer estas proteínas cuando no hay lactosa disponible

El ARN polmerasa se une a un promotor y transcribe los tres genes, formando una molécula de ARNm

La lactosa se une al represor proteico, cambiando su conformación y previniéndola de unirse al operador

transcripción Las enzimas y las proteínas de transporte se producen por la traducción del ARNm

traducción

traducción

traducción

3 La Expresión Genética en los Eucariontes 3.1 ESTRUCTURA DEL NUCLEOSOMA El proceso por el cual un gen tiene un efecto sobre una célula se llama expresión genética. Aunque una célula en un organismo pluricelular contiene todos los genes del organismo, sólo algunos de ellos se expresarán en la célula. Esta es la clave para controlar el desarrollo y la diferenciación de las células. Por ejemplo, en los humanos sólo las células B del páncreas expresan los genes para hacer insulina. La expresión genética involucra varias etapas: ?Transcripción de genes ?Proceso del ARNm para remover los intrones (modificación post-transcripcióon) ?Traducción del ARNm para producir una proteína ?Modificación de la proteína dentro del retículo endoplasmático o dentro del aparato de Golgi (modificación post-traduccióon) En cualquiera de estas etapas, se puede regular la expresión de los genes. La regulación de la transcripción es la etapa más importante.

BIOLOGÍA BI

3

TEMA 6: ÁCIDOS NUCLEICOS Y PROTEÍNAS

3.2 REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN La regulación de la transcripción en las células eucarióticas es un proceso complejo. ?Los genes sólo son transcritos si el ARN polimerasa se une a una región del ADN cerca del inicio del gen llamado promotor. ?La mayoría de los genes tienen varias secuencias de bases en su promotor que estimula la unión del ARN polimerasa. Hay una amplia variedad de estas secuencias. ?Algunas secuencias de bases siempre estimulan la unión, para permitir una expresión continua de genes. ?Otras secuencias de bases se ubican donde una proteína reguladora se puede unir al promotor. El ARN polimerasa se une sólo si la proteína reguladora está presente. Muchas diferentes proteínas reguladoras están involucradas en la regulación de la transcripción. ?Algunas proteínas reguladoras sólo se llegan a activar si una hormona esteroídea u otro mensajero químico se une a ellos. 3.3 ROL DEL PROMOTOR Y EL TERMINADOR EN LA TRANSCRIPCIÓN 5’ 3’

5’ 3’

5’ 3’

5’ 3’

la molécula de ARNm completa se libera y desplaza hacia el citoplasma

ARN polimerasa lugar de inicio

región del Promotor. Una secuencia de bases en el sentido de la hebra que causa que el ARN polimerasa se una y comience a transcribir la hebra en el sentido opuesto.

comienza la síntesis del ARNm lugar de inicio

sentido de la hebra hebra en sentido opuesto

Terminador: una secuencia de bases en el sentido de la hebra que causa que la ARN polimerasa detenga la transcripción.

lugar donde se detiene

el ARN polimerasa se libera después de la transcripción del terminador.

BIOLOGÍA BI

4

TEMA 6: ÁCIDOS NUCLEICOS Y PROTEÍNAS

4 La Transcripción y la Transcripción Opuesta 4.1 EL ARN POLIMERASA Y LA TRANSCRIPCIÓN el ADN se divide en dos hebras por el ARN polimerasa. Una de estas hebras forma la plantilla para la transcripción. La secuencia de bases del ARNm es complementaria a él. La otra hebra tiene la misma secuencia de bases que el ARNm (excepto para T en vez de U) y es por lo tanto llamado el sentido de la hebra. La hebra que forma a la original y es transcrita se llama hebra en sentido opuesto .

el ADN es desenrollado por el frente de la ARN polimerasa

Parte del ADN de un gen

El ADN es enrollado en una doble hélice por la parte de atrás de la ARN polimerasa

5’

3’ 3’

3’

5’

ARN polimerasa

sentido de la hebra sentido opuesto de la hebra 5’ Los nucleótidos trifosfatos libres son usados por la ARN polimerasa para extender el crecimiento de la molécula de ARNm. Los fosfatos son removidos de modo que se unan, convirtiéndolos en nucleótidos de ARN. El terminal 5’ del nucleótido es agregado al terminal 3’ de la cadena en crecimiento: la transcripción así se mueve en dirección 5’ 3’.

molécula de ARNm producida por la ARN polimerasa

4.2 LA TRANSCRIPTASA REVERSA Y SU ROL EN EL VIH El VIH y otros retrovirus contienen una enzima que cataliza la producción de ADN desde el ARN. Esta enzima se llama transcriptasa reversa. El genoma del retrovirus consiste en ARN. Cuando un retrovirus entre a la célula huésped hace una copia del ADN del genoma usando a la transcriptasa reversa (ver figura). La copia del ADN se llega a insertarse en los cromosomas de la célula huésped. En el caso del VIH, el ADN viral puede permanecer inactivo en los cromosomas de los linfocitos por largos periodos. Cuando el linfocito replica su ADN, el ADN viral también se replica. Eventualmente el ADN viral com ienza a transcribirse, produciendo un ARNm viral que es traducido para producir proteínas virales. La transcripción también produce copias del genoma viral completo. Las proteínas virales y el ARN se unen para formar nuevas partículas de VIH, las cuales se liberan desde el linfocito. El linfocito subsecuentemente muere. 4.3 EL USO DE LA TRANSCRIPTASA REVERSA EN LA BIOLOGÍA MOLECULAR La transcriptasa reversa se usa para obtener copias de los genes para usarlas en transferencia genética. ?Se obtienen las células que están transcribiendo el gen requerido y desde él se extraen las copias del ARNm del gen. ?Las copias de las hebras simples de ADN del ARNm se hacen usando la transcriptasa reversa.

BIOLOGÍA BI

5

TEMA 6: ÁCIDOS NUCLEICOS Y PROTEÍNAS

?La ADN polimerasa se usa para convertir la hebra de ADN simple en una hebra de ADN doble. Los genes pueden ser transferidos en otros organismos. Los genes producidos no tienen intrones, de modo que si ellos son transferidos a una bacteria, la cual no genera intrones, nunca se producirá la proteína correcta.

5 La Traducción del Código Genético Los mensajeros de ARN llevan la información necesaria para sacar polipéptidos desde el núcleo al citoplasma de las células eucarióticas. La información está una forma codificada, la cual es decodificada durante la traducción. Los ribosoma, moléculas de ARNt y enzimas activas de ARNt se necesitan para realizar esta decodificación.

La transcripción reversa en células infectadas por retrovirus 3’

La transcriptasa reversa sintetiza una hebra de ADN compelmentaria al ARN 3’ 5’

?Las proteínas y moléculas ribosómicas del ARN forman parte de la estructura. ?Hay dos subunidades, una grande y una pequeña. ?Hay lugares de unión para el ARNt en la superficie del ribosoma. Dos moléculas de ARNt se pueden unir al mismo tiempo al ribosoma. ?Hay un lugar de unión para el ARNm en la superficie del ribosoma. La figura (a la derecha) muestra la forma de un ribosoma in outline y los dos lugares de unión del ARNt.

5’ b’

La transcriptasa reversa rompe la hebra de ARN

5.1 LA ESTRUCTURA DE LOS RIBOSOMAS Los ribosomas tienen una estructura compleja, con las siguientes características principales.

5’

5’ La transcriptasa reversa sintetiza una hebra de ADN complementaria a la otra hebra de ADN 5’ 3’

3’ 5’ El ARN del retrovirus está en el sentido de la hrebra, de modo que la primera hebra de ADN es la hebra que está en sentido opuesto y la segunda sintetizada está en el sentido de la hebra

Forma del ribosoma subunidad grande

Lugares de unión para el ARNt (uno al otro lado no se muestra)

BIOLOGÍA BI

subunidad pequeña

6

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5.2 EL ARNt Y LA ENZIMA DE ACTIVACIÓN DEL ARNt El ARN de transferencia tiene un rol vital en la traducción del código genético. Hay muchos tipos diferentes de ARNt en una célula. ?Todas las moléculas de ARNt tienen: ?Un triplete de bases llamado anticodón, en un anillo de siete nucleótidos ?Otros dos anillos ?La secuencia de bases CCA en el terminal 3’, el cual forma un lugar para unir un aminoácido ?Secciones que se hacen hebras dobles mediante el apareamiento de bases. Estas características permiten que todas las moléculas de ARNt se unan a los sitios activos en el ribosoma y al ARNm. La secuencia de bases de las moléculas de ARNt varían y esto causa algunas variaciones características en su estructura. ?Algunas veces se presenta un pequeño anillo extra ?Algunas veces las secciones de bases apareadas forman hélice Las características variables dan cada tipo de ARNt una forma tridimensional distintiva y propiedades químicas distintivas. Esto permite que el aminoácido correcto se una al terminal 3’ mediante una enzima llamada enzima de activación del ARNt. Hay 20 enzimas de activación del ARNt diferentes; una para cada uno de los 20 aminoácidos diferentes. Cada una de estas enzimas se une a un aminoácido en particular a todas las moléculas del ARNt que tienen un anticodón correspondiente a ese aminoácido. Las enzimas de activación del ARNt reconocen a estas moléculas de ARNt por su forma y sus propiedades químicas. La figura (a la derecha) es una vista bidimensional de la estructura de las moléculas de ARNt y la figura (más abajo) muestra un ejemplo de la estructura tridimensional formada cuando una molécula de ARNt se repliega. La energía del ATP es necesaria para la agrupación de aminoácidos. Se crea un enlace de gran energía entre el aminoácido y el ARNt. Más tarde se usa la energía de este enlace para unir al aminoácido a la cadena de polipéptidos en crecimiento durante la traducción.

Estructura del ARNt

secciones de hebras dobles unidas por un par de bases

5’

anillo de ocho nucleótidos

A B C

lugar donde se une el aminoácido Anillo de siete nucleótidos

anillo extra anillo anticodón anticodón

Vista tridimensional del ARNt anillo de siete nucleótidos

sección de la hélice 5’

anillo de ocho nucleótidos

3’

lugar donde se une el aminoácido

anillo anticodón

5.3 EL CÓDIGO GENÉTICO Aunque el código genético aparece completamente al azar al principio, hay algunas reglas, las cuales siempre o casi siempre se siguen (véase tabla en la página 8).

BIOLOGÍA BI

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TEMA 6: ÁCIDOS NUCLEICOS Y PROTEÍNAS

Primera base de codón (terminal 5’)

Segunda base de codón en el mensajero ARN

Tercera base de codón (terminal 3’)

U Fenilalanina Fenilalanina Leucina Leucina

C Serina Serina Serina Serina

A Tirosina Tirosina PARA PARA

G Cistina Cistina PARA Triptófano

U C A G

C

Leucina Leucina Leucina Leucina

Prolina Prolina Prolina Prolina

Histidina Histidina Glutamina Glutamina

Arginina Arginina Arginina Arginina

U C A G

A

Isoleucina Isoleucina Isoleucina Metionina/ini cio

Treonina Treonina Treonina Treonina

Aspargina Aspargina Lisina Lisina

Serina Serina Arginina Arginina

U C A G

G

Valina Valina Valina Valina

Alanina Alanina Alanina Alanina

Ácido aspártico Ácido aspártico Ácido glutámico Ácido glutámico

Glicina Glicina Glicina Glicina

U C A G

U

6 Los Polisomas y La Elongación Polipeptídica La figura (a la derecha) es una micrografía electrónica que muestra grupos de ribosomas llamados polisomas (o poliribosomas). Un polisoma es un grupo de ribosomas que se mueven a lo largo del mismo ARNm, de manera que lo traducen simultáneamente. Cada ribosoma sigue una serie de pasos que se repite muchas veces para traducir el ARNm. Se agrega un aminoácido a la elongación de polipéptidos cada vez que el ciclo de pasos se repite (más abajo). Como los ribosomas se mueven a lo largo del ARNm hacia el terminal 3’, el polipéptido se alarga gradualmente.

BIOLOGÍA BI

(x 180.000)

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6.1 ELONGACIÓN POLIPEPTÍDICA 1. Uno de los lugares de unión para el ARNt está vacante. La subunidad pequeña del ribosoma asegura que sólo un ARNt con el anticodón que es complementario al próximo codón se una a él.

4. El ARNt mostrado a la izquierda ha sido desplazado desde su lugar de unión, así que se desprende del ribosoma. Puede ser usado nuevamente en una traducción después que la enzima activadora del ARNt haya agregado otro aminoácido a él.

2. La subunidad grande del ribosoma avanza hacia la subunidad pequeña y se une al polipéptido desde el ARNt mostrado a la izquierda. El polipéptido se une mediante un enlace peptídico a un aminoácido atrapado por el ARNt mostrado a la derecha.

3. La subunidad pequeña se desliza a través de la subunidad grande. Al mismo tiempo se mueven tres nucleótidos a lo largo del ARNm en dirección 5’ a 3’. La traducción siempre ocurre en una dirección 5’ a 3’ a lo largo del ARNm.

7 Inicio y Detención de la Traducción Se necesitan pasos especiales para comenzar el proceso de traducción y detenerlo. Estos pasos se llaman inicio y finalización. Las tres etapas de la traducción entonces son el inicio, alargamiento y finalización. BIOLOGÍA BI

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TEMA 6: ÁCIDOS NUCLEICOS Y PROTEÍNAS

7.1 INICIO DE LA TRADUCCIÓN el ARNt con el anticodón complementario se unen a la pequeña subunidad del ribosoma al comienzo del codón

(a)

(b)

(c)

la pequeña subunidad, que lleva al ARNt, se une al terminal 5’ del ARN mensajero

Terminal 5’

Terminal 3’

AUG

la pequeña subunidad slides a lo largo del ARNm hasta que alcanza al comienzo del codón, el cual muestra donde debe comenzar la traducción

Terminal 5’

AUG

Terminal 3’

AUG

Terminal 3’

la subunidad grande del ribosoma se une a la subunidad pequeña (d) Terminal 5’

(e) Terminal 5’

otro ARNt, c on el anticodón complementario al próximo codón del ARNm, se une al ribosoma. La elongación del polipéptido puede come nzar ahora.

Terminal 3’

AUG

7.2 FIN DE LA TRADUCCIÓN el ribososma se mueve a lo largo del ARNm en dirección 5 3, traduciendo cada codón en un aminoácido de la elongación polipeptídica

(W)

terminal 3’

desde el terminal 5’

el ribososma alcanza una detención del codón. La molécula de ARNt no tiene el anticodón complementario

(x)

terminal 3’ desde el terminal 5’ (y)

El polipéptido liberado usualmente ya ha comenzado a plegarse para formar la forma final de la proteína desde el terminal 5’

la subunidad grande avanza sobre la subunidad pequeña. El polipéptido se libera desde el ARNt terminal 3’

El ARNt se desenrolla y se separan la subunidad grande, la subunidad pequeña y el ARNm

(z) desde el terminal 5’

terminal 3’

Las proteínas sintetizadas por los ribosomas libres en su mayoría permanecen y se usan en el citoplasma. Las proteínas sintetizadas por los ribosomas unidas al RE, en su mayoría son secretadas desde la célula y son usadas en los lisosomas

BIOLOGÍA BI

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TEMA 6: ÁCIDOS NUCLEICOS Y PROTEÍNAS

8 Enlaces Intramoleculares en Proteínas Los polipéptidos tienen una cadena principal que consiste en una secuencia repetitiva de átomos de carbono y nitrógeno enlazados por enlaces covalentes: N – C – C – N – C – C, y así sucesivamente. Cada átomo de nitrógeno tiene un átomo de hidrógeno enlazado a él (N – H). Cada segundo átomo de carbono tiene un átomo de oxígeno enlazado a él (C = O).

H

O

N C C N C C H

O

Los enlaces de hidrógeno se pueden formar entre N – H y grupos C = O, si ellos están cerca. Por ejemplo, si las secciones de polipéptidos corren en paralelo, se pueden formar enlaces de hidrógeno entre ellos. La estructura que se desarrolla se llama laminar plegada ? . Si el polipéptido se retuerce en una hélice de mano derecha, se pueden formar los enlaces de hidrógeno entre las vueltas adyacentes de la hélice. La estructura que se desarrolla se llama hélice ? . Debido a que los grupos que forman los enlaces de hidrógeno están espaciados regularmente, las estructuras secundarias siempre tienen las mismas dimensiones. En adición a los enlaces de hidrógeno en láminas plagadas ? y hélice ? , hay muchos otros tipos de enlaces. La mayoría de éstos involucran a los grupos R de los aminoácidos. La figura (más abajo) muestra algunos de estos enlaces. HÉLICE ?

Los ángulos de enlace dan a la lámina una forma plegada

BIOLOGÍA BI

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Tipos de Enlaces Intramoleculares en las Proteínas los aminoácidos ácidos tienen grupos R que pueden perder un ión H+ y por lo tanto estar cargados negativamente

los enlaces iónicos se pueden formar entre grupos R cargados positivamente y negativamente

Alanina Lucina Cistina los aminoácidos básicos tienen grupos R que pueden aceptar un ión H+ y por lo tanto estar cargados positivamente

puentes disulfuro, que son fuertes enlaces covalentes que se pueden formar entre pares de cistinas

Lisina Ácido aspártico Ácido glutámico

Isoleucina

Arginina Aspargina Serina

Metionina

Valina

Cistina

Glutamina

las interacciones hidrofóbicas, las cuales son enlaces débiles, pueden formarse entre los grupos R que no son polares incluyendo todas estas proyecciones hacia dentro los enlaces de hidrógeno se pueden formar entre algunos grupos R

9 La Estructura de las Proteínas Las proteínas tienen una estructura compleja, la cual puede ser explicada definiendo cuatro niveles de estructura: estructura primaria, secundaria, terciaria 9.1 ESTRUCTURA PRIMARIA La estructura primaria es el número y secuencia de aminoácidos en un polipéptido. La mayoría de los polipéptidos consiste de 50 a 100 aminoácidos. La estructura primaria está determinada por la secuencia de bases del gen que codifica al polipéptido. La figura (más abajo) muestra la estructura primaria de la ?endorfina, una proteína constituida por un solo polipéptido de 31 aminoácidos que actúan como un neurotransmisor en el cerebro.

BIOLOGÍA BI

Estructura Primaria de la ? -endorfina Alanina

Isoleucina

Isoleucina

Lisina

Aspargina

Alanina

Histidina

Lisina

Lisina

Glicina

Glutamina

Treonina

Glicina

Glicina

Fenilalanina

Metionina

Treonina

Serina

Ác. glutámico

Lisina

Serina

Glutamina

Treonina

Prolina

Leucina

Valina

Treonina

Leucina

Fenilalanina

Lisina

Aspargina

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TEMA 6: ÁCIDOS NUCLEICOS Y PROTEÍNAS

9.2 ESTRUCTURA SECUNDARIA Las estructuras secundarias son estructuras regulares repetidas , incluyendo a la laminar plegada ? y a la hélice ? estabilizadas por los enlaces de hidrógeno en los grupos en la cadena principal del polipéptido. En muchas proteínas, partes del polipéptido forman las estructuras secundarias y otras partes no. En lagunas proteínas las estructuras secundarias no se forman del todo. En algunas pocas proteínas casi todas del polipéptido forman estructuras secundarias. Por ejemplo caso todas las moléculas de miosina son hélice ? y casi todas las de fibrina (proteína de la seda) son laminar plegada ? . La figura (más abajo) la posición de las estructuras secundarias en lo lisosomas, usando el modelo de cinta. Las secciones de hélice ? están representadas por cintas helicoidales y las secciones de lámina plegada ? son representadas por flechas.

Modelo cinta de lisosoma

9.3 ESTRUCTURA TERCIARIA La estructura terciaria es la conformación tridimensional de un polipéptido. Se forma cuando el polipéptido se repliega después de ser producido por la traducción. La conformación se estabiliza por los enlaces intramoleculares que se forman entre los aminoácidos en el polipéptido, especialmente entre sus grupos R. Estos incluyen enlaces iónicos, enlaces de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y puentes disulfuro. Los enlaces intramoleculares a menudo se forman entre los aminoácidos que están ampliamente separados en la estructura primaria del polipéptido, pero los cuales están unidos durante el proceso de plegamiento. La figura a la derecha muestra la estructura terciaria del lisosoma usando el modelo salchicha.

Modelo salchicha de lisosoma

9.4 ESTRUCTURA CUATERNIARIA La estructura terciaria es la conformación tridimensional de un polipéptido. Se forma cuando el polipéptido se repliega después de ser producido por la traducción. La conformación se estabiliza por los enlaces intramoleculares que se forman entre los aminoácidos en el polipéptido, especialmente entre sus grupos R. Estos incluyen enlaces iónicos, enlaces de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y puentes disulfuro. Los enlaces intramoleculares a menudo se forman entre los aminoácidos que están ampliamente separados en la estructura primaria del polipéptido, pero los cuales están unidos durante el proceso de plegamiento. La figura a la derecha muestra la estructura terciaria del lisosoma usando el modelo salchicha.

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Modelo salchicha de la hemoglobina cadena alfa

cadena alfa

cadena beta

grupo hemo

cadena beta

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10 Funciones de las Proteínas Las proteínas tienen un gran rango de funciones en los organismos vivos. Algunas proteínas se ubican en las membranas. Las funciones de las proteínas en las membranas se muestran en el Tema 1 Células. Seis de las funciones de las proteínas que no corresponden a membranas se muestran más abajo. Las proteínas también se pueden usar como almacenes alimenticios, por ejemplo, la caseína en la leche, como pigmentos, por ejemplo, la opsina en la retina y como las toxinas en el veneno de serpientes. Función

Ejemplo

Detalles

Enzimas

Catalasa

La función de la catalasa es catalizar la conversión del peróxido de hidrógeno, un producto de desecho tóxico del metabolismo, en agua y oxígeno.

Globular

Estructural

Colágeno

La función del colágeno es fortalecer los huesos, tendones y piel. Todos estos tejidos producen fuertes fibras de colágeno en los espacios entre sus células.

Fibrosa

Transporte

Hemoglobina

La función de la hemoglobina es unirse al oxígeno en los pulmones y transportarlo a los tejidos respiratorios.

Globular

Movimiento

Miosina

La función de la miosina (con otra proteína llamada actina) es causar la contracción de fibras musculares y como resultado causar el movimiento en animales.

Fibrosa

Hormonas

Insulina

La función de la insulina es unirse a los receptores en las membranas plasmáticas de las células blanco y estimularlos a remover la glucosa desde la sangre.

Globular

Inmunoglobulina

La función de la inmunoglobulina es actuar como anticuerpo. Parte de la molécula de inmunoglobulina puede variar, de modo que se puede producir una variedad casi interminable de diferentes anticuerpos.

Globular

Defensa

Forma

.

10.1 PROTEÍNAS FIBROSAS Y GLOIBULARES La tabla (más arriba) indica la forma de cada una de las proteínas nombradas. Las proteínas se pueden dividir en dos tipos de acuerdo a su forma, fibrosas y globulares. Las proteínas fibrosas tienen una forma alargada y estrecha. Son en su mayoría insolubles en agua. Las proteínas globulares tienen una forma redonda. Son en su mayoría solubles en agua. 10.2 AMINOÁCIDOS POLARES Y NO POLARES EN LAS PROTEÍNAS Los aminoácidos se pueden dividir en dos tipos de acuerdo a las características químicas de su grupo R. Los aminoácidos polares tienen grupos R hidrofílicos y los aminoácidos no polares tienen grupos R hidrofóbicos. La distribución de los aminoácidos polares y no polares en una molécula proteica influye, en el lugar donde se ubica la proteína en una célula y en la función que pueda realizar.

BIOLOGÍA BI

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Posiciones de las proteínas adentro y afuera de las membranas

los aminoácidos polares en la superficie de las proteínas las hacen solubles en agua.

Superóxido dismutasa – enzima encontrada en todos los microorganismos aeróbicos

aminoácidos no polares en el centro de las los aminoácidos proteínas no polares causan solubles en agua estabilizan que las proteínas permanezcan su estructura. embebidas en las membranas.

Un anillo de aminoácidos con grupos R cargados negativamente, repelen a los iones de superóxido cargados negativamente y los ayudan a dirigirse hacia el sitio activo.

el sitio activo es una hendidura que contiene aminoácidos con grupos R cargados positivamente, los cuales atraen a los iones de superóxido que son el sustrato de la enzima.

Lipasa – enzima que trabaja en el intestino delgado Parte de la molécula de la enzima actúa como una tapa tipo bisagra que puede cubrir el sitio activo cuando no se usa, ocultando los grupos R no polares. región no polar

región polar

los aminoácidos polares crean canales a través de los cuales se pueden difundir las sustancias hidrofílicas.

los aminoácidos polares causan que las proteínas salgan de la membrana. Las proteínas de transmembrana tienen dos de esas regiones.

el sitio activo es una hendidura que contiene aminoácidos con grupos R no polares, los cuales se enlazan a los triglicéridos no polares.

Un cofactor proteico se une a la enzima, y ayuda a la lipasa a unirse a la superficie de gotas de lípidos debido a que tienen grupos R no polares en su superficie.

11 Las Enzimas y la Energía de Activación 11.1 EL CAMBIO ENERGÉTICO DURANTE LAS REACCIONES QUÍMICAS Durante las reacciones químicas, los reactantes se convierten en productos. Antes que una molécula de un reactante tome parte en una reacción, tiene que ganar algo de energía. Es se llama energía de activación de una reacción. Se necesita la energía para romper los enlaces en el reactante. Después, durante el proceso de la reacción, la energía se da como los nuevos enlaces que se forman. En las reacciones exergónicas esta cantidad de energía es más grande que la energía de activación. En las reacciones endergónicas es menor. Las enzimas reducen la energía de activación de las reacciones que ellas catalizan y por lo tanto hacen que las reacciones ocurran más fáciles. Cambios de energía durante reacciones exergónicas

Energía de activación sin enzima

sustrato producto Proceso de la reacción

La cantidad de energía liberada por la reacción no cambia por la enzima

Energía de activación con enzima

Energía

Energía de activación con enzima

Energía

Energía de activ ación sin enzima

Cambios de energía durante reacciones endergónicas

producto sustrato

La cantidad de energía absorbida por la reacción no cambia por la enzima

Proceso de la reacción

En organismos vivos, las reacciones endergónicas se acoplan con las reacciones exergónicas, por ejemplo la hidrólisis del ATP. Después la reacción ocurre más fácil. BIOLOGÍA BI

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El ambiente químico dado por el sitio activo para el sustrato causa cambios en la molécula del sustrato, las cuales debilitan sus enlaces. El sustrato cambia en un estado de transición, el cual es diferente del estado de transición durante la reacción cuando la una enzima no está involucrada. El estado de transición logrado durante la unión al sitio activo tiene menos energía y esto es cómo las enzimas son capaces de reducir la energía de activación de las reacciones. 11.2 EL MODELO DE AJUSTE INDUCIDO DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Los bioquímicos han investigado muchas enzimas y encontraron que el modelo de la llave y cerradura no explica completamente la unión del sustrato al sitio activo. Hasta que el sustrato se une, el sitio activo no se ajusta al sustrato con precisión. A medida que el sustrato se aproxima al sitio activo, la forma del sitio activo cambia y sólo después se ajusta al sustrato. El sustrato induce al sitio activo a cambiar, debilitando los enlaces en el sustrato durante el proceso y reduciendo así la energía de activación. La figura (más abajo) muestra el modelo de ajuste inducido de la actividad enzimática. Algunas enzimas pueden tener especificidad completamente amplia, por ejemplo algunas proteasas. El modelo de ajuste inducido explica esto mejor que el modelo de la llave y cerradura. Si la forma de un sitio activo se altera cuando el sustrato se une, varios sustratos diferentes pero similares podrían unirse fácil y exitosamente a él. sustrato

sitio activo de la enzima

sustrato enlazado al sitio activo de la enzima

A medida que se enlaza el sustrato, se altera la conformación de la proteína y la forma del sitio activo se hace complementaria a ese sustrato

12 La Inhibición Enzimática Algunas sustancias químicas reducen la actividad de las enzimas o casi la previenen completamente. Estas sustancias se llaman inhibidores enzimáticos. Algunos inhibidores enzimáticos son competitivos y otros son no competitivos. Las figuras más abajo, son comparación de estos tipos de inhibidor, con u ejemplo de cada uno. Inhibición competitiva

Inhibición no competitiva

?El sustrato y el inhibidor químicamente son muy similares. ?El inhibidor se une al sitio activo de la enzima.

?El sustrato y el sitio ac tivo no son similares. ?El inhibidor se une a la enzima en un lugar diferente del sitio activo.

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?Mientras el inhibidor ocupa el sitio activo, evita que el sustrato se una y así se evita la actividad de la enzima hasta que el inhibidor se aparte. Sustrato

Inhibidor El sustrato no puede unirse

El inhibidor se une al sitio activo

?El inhibidor cambia la conformación de la enzima. El sustrato aún puede ser capaz de unirse, pero el sitio activo no cataliza la reacción, o la cataliza a una tasa más baja. El sustrato se une, pero no es convertido a producto

Sin inhibidor el sustrato es convertido a producto en el sitio activo

El inhibidor se une a la enzima lejos del sitio activo

Sitio activo

Se altera el sitio activo

Enzima

sin inhibidor

Tasa de la reacción

Tasa de la reacción

sin inhibidor

con inhibidor compet itivo

con un inhibidor no competitivo

Concentración de sustrato

Concentración de sustrato

?Con una baja concentración fija del inhibidor, que aumenta en la concentración de sustrato, gradualmente reduce el efecto del inhibidor. ?El inhibidor y la sustancia compiten por el sitio activo. Cuando el sustrato se une al sitio activo, el inhibidor no se puede unir, de modo que la cantidad de las moléculas de la enzima que son inhibidas llega a ser cada vez menor. Cuando hay muchas más moléculas de sustrato que moléculas del inhibidor, el sustrato siempre gana la competencia y se une al sitio activo. Después se alcanza la misma tasa de actividad enzimática máxima, como cuando no hay inhibidor.

EJ EMPLO

EJ EMPLO Succinato

Fumarato

COO-

COO-

CH

CH

2

CH

2

2

Succinato deshidrogenasa

COO-

?Con una baja concentración fija del inhibidor, que aumenta en la concentración de sustrato, aumenta la actividad enzimática. Sin embargo, el sustrato y el inhibidor no están compitiendo por el mismo sitio. El sustrato no puede prevenir la unión del inhibidor, incluso a concentraciones de sustrato muy altas. Algunas de estas moléculas enzimáticas por lo tanto permanecen inhibidas y la tasa de actividad enzimática máxima alcanzada es más baja que cuando no hay inhibidor.

CH

2

C OO-

Malonato

COOCH

2

Los iones metálicos incluyendo cobre (Cu2+), 2+ + mercurio (Hg ) y plata (Ag ) actúan como inhibidores no competitivos de muchas enzimas mediante la unión reversible a los grupos –SH de la cisteína, el aminoácido que forma los puentes disulfuro. Esto rompe la estructura de la enzima: +

-SH + Ag

+

-S – Ag + H

El succinato deshidrogenasa es inhibido por el malonato COO-

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13 El Control de las Rutas Metabólicas 13.1 LAS RUTAS METABÓLICAS Las rutas metabólicas características:

tienen

éstas

?Ellas consisten en muchas reacciones químicas que son realizadas en una secuencia particular. ?Una enzima cataliza cada reacción. ?Todas las reacciones ocurren dentro de las células. ?Algunas rutas construyen compuestos orgánicos (rutas anabólicas) y algunas las rompen (rutas catabólicas). ?Algunas rutas metabólicas consisten en cadenas de reacciones. La glucólisis es un ejemplo de una cadena de reacciones. Una cadena de diez reacciones controladas por enzimas convierten a la glucosa en piruvato. ?Algunas rutas metabólicas consisten en ciclos de reacciones, donde un sustrato del ciclo es continuamente regenerado por el ciclo. El ciclo de Krebs es un ejemplo.

La figura (a la derecha) muestra el patrón general de reacciones en una cadena y un ciclo. Cadenas y ciclos de reacciones sustrato inicial

sustrato

intermediario intermediario

producto terminal / sustrato

intermediario intermediario

intermediario intermediario intermediario

intermediario

intermediario producto producto terminal

13.2 LA ALOSTERÍA Y EL CONTROL DE LAS RUTAS METABÓLICAS En muchas rutas metabólicas, el producto Inhibición del producto final de la última reacción en la ruta inhibe a la enzima que cataliza a la primera reacción. El sustrato podría No es posible que el El sustrato se une Esto se llama inhibición de producto sustrato se una al sitio al sitio activo y es unirse al sitio activo, convertido en ya que el sitio activo, ya que el final. La enzima que es inhibida por los inhibidor está enlazado producto alostérico está vacío productos finales es un ejemplote enzima al sitio alostérico alostérica. Las enzimas alostéricas dos sitios de unión no sobrepuestos. Uno de estos es el sitio activo. El otro es el sitio alostérico. En este caso el sitio alostérico es un sitio de unión para el producto terminal. Cuando se une, la estructura de la enzima se altera tanto, que es menos probable que el sustrato se una al sitio activo. Esto es cómo el producto terminal actúa como un inhibidor. La unión del El sustrato de la primera enzima en la ruta inhibidor es reversible y si retaches, la metabólica es convertido por la ruta en un enzima regresa a su conformación inhibidor de la enzima original, de modo que el sitio activo puede unirse al sustrato fácilmente de nuevo (a la derecha). La ventaja de este método en el control de las rutas metabólicas es que si hay un exceso del producto terminal, la ruta completa se desconectará y los intermediarios no se construirán. Contrariamente, a medida que el nivel del

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producto final cae, más y más enzimas que catalizan la primera reacción comenzarán a trabajar en la ruta completa que llegará a activarse. La inhibición del producto final es un ejemplo de retroalimentación negativa (ver ejemplo abajo). Ejemplo de la inhibición del producto final CH3 H NH2 C

O COOH

CH2

treonina deshidratasa

COOH

C COOH CH2 CH3

OH

C

O

C

COOH

H OH

CH2 CH3

C C

H3 C

O COOH

C

OH CH2 CH3

H COOH

NH2 C

CH H3C

CH2

COOH

CH H3C

CH3

CH2 CH3

isoleucina la isoleucina es el producto final de la ruta e inhibe a la treonina deshidratasa que cataliza el primer paso

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