Glúcidos 3: Polisacáridos

 

La mayoría de los glúcidos están en forma de grandes polímeros denominados también glucanos. Se pueden distinguir: homopolisacáridos y heteropolisacáridos si están formados por el mismo o diferentes monosacáridos, respectivamente.

Los polímeros de glucosa con enlaces tipo α son la reserva energética de los organismos

Los organismos almacenan glucosa en grandes polímeros. Las plantas en forma de almidón, los animales en forma de glucógeno y las bacterias y levaduras en forma de dextranos.

El almidón está formado por amilosa y amilopectina. La amilosa es un polímero lineal de glucosas unidas por enlaces (α1->4). La amilopectina también está unida por enlace (α1-->4), pero con ramificaciones cada 24-30 residuos, por enlace (α1-->6). El almidón es abundante en la patata, arroz y semillas.

El glucógeno está altamente ramificado cada 8-12 residuos de glucosa unidas por enlaces (α1-->4) mediante enlaces (α1-->6). Tiene una masa molecular muy alta y se almacena, en forma de gránulos, principalmente en el hígado y el músculo. Cada rama tiene un extremo no reductor. Las enzimas encargadas de eliminar moléculas de glucosa de los extremos no reductores pueden trabajar a la vez, haciendo que la obtención de glucosa a partir de glucógeno se haga de forma rápida. Otra ventaja del glucógeno es su baja osmolaridad. Si tuviéramos que almacenar las mismas glucosas en forma de monosacárido, la osmolaridad sería tan elevada que provocaría la entrada masiva de agua.

Los puntos menos oscuros muestran los extremos no reductores, donde actuarán las enzimas

Los dextranos son polímeros de glucosa unidos por enlaces (α1->6) con ramificaciones (α1-->3), pero pueden tenerlas además (α1-->2) y (α1-->4). Son sintetizados por bacterias y levaduras, y tienen una importancia relevante en la formación de la placa dental, dado su carácter pegajoso. Son importantes en la formación del biofilm, lo que permite que las bacterias de adhieran. También los utilizan como fuente de nutrientes.

Las paredes celulares están formadas por polisacáridos con uniones tipo β

La celulosa, que forma la pared de las células, y la quitina, que forma el exoesqueleto de los artrópodos, son homopolisacáridos que forman estructuras insolubles.

La celulosa está compuesta por polímeros lineales de glucosas unidas por enlaces (β1-->4). La quitina es igual pero difiere en que la glucosa está N-acetilada en el carbono 2. Ambos polímeros son lineales y la disposición en el espacio de los anillos de pirano, experimentan una rotación de 180º con respecto a las moléculas vecinas. Además, la alta presencia de grupos hidroxilo, permite la formación de puentes de hidrógeno intracatenarios e intercatenarios, lo que da lugar a estructuras rígidas. 

Las bacterias también tienen paredes celulares rígidas formadas por polisacáridos (β1-->4). El peptidoglucano es un heteropolisacárido formado por N-acetilglucosamina y N-acetilmurámico unidos alternados por (β1->4). A diferencia de las anteriores, estos se unen por enlace covalente, y no por puentes de hidrógeno. Estos enlaces se realizan entre las cadenas cortas de aminoácidos y los grupos –OH de los azúcares. Esto le da gran rigidez a la pared bacteriana, y la protege de los cambios del medio externo. Además, alternan aminoácidos D y L, lo que hace que sean difícilmente atacadas por enzimas, ya que solo reconocen los enlaces L-aminoacídicos.

El agar es un polisacárido de las paredes de las algas rojas marinas. Su característica principal es la capacidad para formar genes muy hidratados que se utilizan como soporte en muchas técnicas como la electroforesis, crecimiento de colonias bacterianas…

Los glucosaminoglucanos son los polisacáridos estructurales de los tejidos animales

Las células animales se encuentran rodeadas de un material gelatinoso, la matriz extracelular, que mantiene unidas a las células. Está formada por heteropolisacáridos y proteínas fibrosas como el colágeno y la elastina; y por proteínas de anclaje a las células epiteliales como la fibronectina y la laminina. La consistencia gelatinosa es provocada por los glucosaminoglucanos (GAG). Estos, proporcionan a los tejidos resistencia a la compresión y rellenan los espacios intercelulares. Además, permiten la difusión de nutrientes y oxígeno por los tejidos.

Básicamente están formados por N-acetilglucosamina o N-acetilgalactosamina unidos a un ácido urónico, normalmente D-glucurónico o L-idurónico. Algunos presentan sulfatos esterificados que aumentan las cargas negativas. La naturaleza ácida provoca una disposición en el espacio muy extendida y también promueven la asociación con moléculas que interaccionan electrostáticamente con ellas (importante en el reconocimiento específico de gran número de ligandos).

El ácido hialurónico es uno de los principales GAG de la matriz extracelular. Los enlaces que mantienen unido este polímero pueden ser degradados por la enzima hialuronidasa, que es secretada por algunas bacterias patógenas, lo que facilita que invadan tejidos.

Glúcidos 2: Oligosacáridos

Los monosacáridos se unen mediante enlace O-glucosídico

Se trata de un enlace covalente, por condensación, entre dos monosacáridos. La reacción se produce entre un hidroxilo cualquiera de un monosacárido con el grupo –OH del carbono anomérico (C-1 en aldosas y C-2 en cetosas) de otro monosacárido.

Los disacáridos pueden ser α y β dependiendo de la posición del –OH del carbono anomérico.

Este enlace permite la extensión de la molécula, ya que queda libre en la mayoría de los casos un –OH del carbono anomérico para realizar otro enlace O-glucosídico. Así se formarán los oligosacáridos o polisacáridos. Si el enlace entre dos monosacáridos deja libre un –OH del carbono anomérico, se denomina monocarbonílico. Si no queda libre ninguno se denominará dicarbonílico, lo que imposibilita la extensión de la molécula.

Si el enlace se produce entre el grupo hidroxilo del carbono anomérico y una amina, se denominará N-glucosídico. Es importante, por ejemplo, en la formación de nucleótidos.

Tanto el enlace O-glucosídico como el N-glucosídico se pueden dar entre proteínas y monosacáridos, dependiendo que radical del aminoácido se una.

Los disacáridos puede ser o no reductores

La unión de dos monosacáridos produce una gran variedad de moléculas. Las más comunes se forman con al menos una D-glucosa. El hecho de que el enlace sea del tipo α o β, dará unas propiedades muy distintas. Por ejemplo, la unión por enlace (α1-->4) de dos D-glucosa produce maltosa, pero si la unión es (β1-->4), se obtiene celobiosa. Los humanos podemos digerir con facilidad la primera, pero no la segunda, ya que carecemos de enzimas hidrolíticas que rompen sus enlaces.

También son importantes los disacáridos unidos por monosacáridos diferentes, como son la lactosa y la sacarosa. La lactosa se produce mediante uniones (β1-->4) entre la galactosa y la glucosa. La sacarosa está formada por glucosa y fructosa mediante enlace (α1-->β2).

Los disacáridos monocarbonílicos (maltosa, lactosa…) serán azúcares reductores, sin embargo, los dicarbonílicos (sacarosa…) serán azúcares no reductores. En conclusión, si presentan un carbono anomérico libre tendrán poder reductor.

Los oligosacáridos aportan “información” a las moléculas que los portan

Un oligosacárido se identificará por las moléculas que lo formen, por su secuencia, las formas anoméricas y los enlaces que lo comprendan. Esta variedad aporta una gran información a la molécula que lleve unido el oligosacárido, ya que este tipo de moléculas suele asociarse a proteínas o a lípidos.

Una característica en la naturaleza de los monosacáridos que forman estas estructuras oligosacáridas es la aparición de azúcares complejos (N-acetilglucosamina, N-acetilneuroamínico…) y de azúcares ácidos.

¿Una nueva diana en el TDAH?

Fasoracetam in adolescents with ADHD and glutamatergic gene network variants disrupting mGluR neurotransmitter signaling

El trastorno por déficit de atención e hiperactividad (TDAH) tiene una prevalencia del 8% en niños, siendo más frecuente en hombres que en mujeres (2:1). Los síntomas pueden persistir en la edad adulta. Los medicamentos utilizados es este trastorno no han cambiado en las últimas décadas, y se basan en la estimulación.

Se ha demostrado que el sistema glutamatérgico tiene un papel importante en el TDAH. Los cambios de glutamato en niños y adolescentes tratados para el TDAH muestran resultados mixtos. Esto sugiere que puede existir un subgrupo de pacientes con TDAH con actividad glutamatérgica alterada.

La molécula a estudiar ha sido la NFC-1 (monohidrato de fasoracetam). Se trata de un activador metabotrópico del receptor de glutamato. Los estudios preclínicos demostraron que afecta a la red glutamatérgica metabotrópica (mGluRs), liberación y captación de acetilcolina y GABAb, pero no a receptores adrenoceptores, serotoninérgicos o dopaminérgicos. Esto podría revertir los déficits de aprendizaje y memoria causados por la disfunción de neuronas colinérgicas centrales. También puede tener el potencial de restaurar la actividad glutamatérgica normal en TDAH con hipofunción glutamatérgica debido a mutaciones en los genes de la red mGluR.

Resultados

Para evaluar los resultados fueron estudiados 30 sujetos. Tres de estos sujetos experimentaron efectos adversos, pero ninguno fue atribuible al medicamento. Para medir la eficacia se utilizaron las escalas CGI-I, CGI-S y Vanderbilt.

En general los pacientes mostraron mejoras significativas en las 5 semanas de estudio, en comparación con la semana que recibieron placebo. Todos los sujetos tuvieron una disminución de la gravedad de los síntomas durante la intensificación de la dosis.

La mayoría de los sujetos al inicio del estudio fueron clasificados como moderadamente o severamente impedidos (había deterioro funcional). Después de las 5 semanas de estudio, más del 80% de los sujetos se clasificaron como leve o moderadamente impedidos.

Conclusión personal

Actualmente, el TDAH es tratado con fármacos que provocan diversos efectos adversos, los más eficaces son el metilfenidato y dextroanfetaminas. Ambos, bloquean la recaptación de adrenérgicos y dopamina a nivel presináptico, estimulando la liberación de monoaminas al espacio extraneuronal.

Esta investigación abre las puertas a una posible causa de este trastorno. En el pasado se investigaban las posibles variaciones de los genes dopaminérgicos, ahora se deben incluir también los genes glutamatérgicos, ya que en muchos casos, la mutación sobre ellos provoca una reactivación, logrando aparentemente mejoría en los síntomas.

Bibliografía:

1.  Elia J, Ungal G, Kao C, Ambrosini A, Jesus-Rosario N, Larsen L, et al. Fasoracetam in adolescents with ADHD and glutamatergic gene network variants disrupting mGluR neurotransmitter signaling. Nature Communications. 2018;4

Glúcidos 1: Monosacáridos

Introducción general

También llamados sacáridos, son moléculas biológicas simples que desempeñan funciones vitales. Se denominan también hidratos de carbono, ya que la mayoría de ellos responde a la fórmula estequiométrica; (CH₂O)_n.

Las unidades monoméricas de estos compuestos son los monosacáridos. La unión de dos monosacáridos, dará lugar a un disacárido. Cuando se unen unas pocas unidades tendremos un oligosacárido, y cuando se unan muchas tendremos un polisacárido. 

Monosacáridos

Los monosacáridos se clasifican según sus características químicas

Los monosacáridos son los azúcares más simples. Se sintetizan a partir de precursores obtenidos de CO₂ y H₂O por medio de fotosíntesis. Los organismos heterótrofos obtienen los monosacáridos de los alimentos.

La principal característica de estas moléculas es que responden a la fórmula (CH₂O)_n siendo n un número entre 3 y 7. Químicamente son polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas. 

Si el grupo carbonilo es un grupo aldehído se denominarán aldosas, y si es una cetona, cetosas. Según el número de carbonos podrán ser: triosas (3 carbonos), tetrosas (4C), pentosas (5C), hexosas (6C) y heptosas (7C). Así pues, dependiendo de cual sea su grupo carbonilo llevarán diferente prefijo: Aldo- para aldosas y Ceto- para cetosas.

La glucosa es el monosacárido más importante y abundante. Otros monosacáridos importantes son: la galactosa y manosa. Dentro del grupo de las cetohexosas tenemos la fructosa.

Los monosacáridos presentan isomería

Si tenemos en cuenta la fórmula (CH₂O)₃, se puede observar que es válida para una aldotriosa y una cetotriosa. La diferencia se encuentra en la posición del grupo carbonilo. Ambas moléculas son por lo tanto isómeros estructurales, ya que tienen la misma fórmula química, pero diferente localización de sus átomos y grupos funcionales. 

Una característica fundamental de los monosacáridos (menos en la dihidroxiacetona) es que presentan esteroisomería, debido a la presencia de carbonos asimétricos. Este término se emplea para moléculas que son imágenes especulares no superponibles (enantiómeros). Los carbonos asimétricos son aquellos que están enlazados a cuatro sustituyentes diferentes (también llamados centros quirales). 

Por ejemplo, el gliceraldehído tiene dos posibles isómeros ópticos del tipo enantiómero.

Cada centro quiral tendrá dos posibles configuraciones, dependiendo de la posición del grupo hidroxilo: D y L. 

También hay que mencionar los conceptos de diasteroisómero, como todo esteroisómero que no sea enantiómero, y epímero como compuesto que difiere de otro únicamente en la configuración de un carbono asimétrico.

Los monosacáridos en solución presentan un nuevo centro quiral

Los monosacáridos en solución acuosa pueden adoptar una forma ciclada, cuando uno de sus grupos hidroxilo reacciona con el grupo carbonilo del mismo. Así se forma un enlace hemiacetal (aldehído) o hemicetal (cetona).

Los anillos que se forman: si contienen 6 “lados” se conocen como piranosas, por parecerse a la molécula de pirano. Si contienen 5 “lados” se denominan furanosas, por analogía al furano. Los nuevos esteroisómeros se denominan anómeros, y la única diferencia se localiza en la posición del grupo –OH del nuevo carbono asimétrico (carbono anomérico).

De forma muy básica, se denominarán con α a las moléculas que tengan el grupo –OH del carbono anomérico hacia “abajo”, y β si está hacia “arriba”.

En solución, los anómeros pasan libremente de la forma α a β, este fenómeno se conocen como mutarrotación.

La representación de los anillos según la Proyección de Haworth simula un anillo plano. Sin embargo, estas estructuras cíclicas adoptan conformaciones más estables termodinámicamente. Se denominan conformación en silla.

Los monosacáridos modificados adquieren nuevas propiedades: Oxidaciones

La capacidad que presentan los monosacáridos de ser oxidados, hace que tengan poder reductor, siendo está una característica distintiva de los mismos. Esta propiedad se puede utilizar para identificarlos. Por ejemplo, pueden reducir los iones de Cu²⁺, haciendo que cambien de color ante la presencia de monosacáridos. 

Si la oxidación la sufre el grupo aldehído, se produce un ácido aldónico (C-1). Tomando como ejemplo la glucosa se obtiene ácido glucónico (sufijo –ónico).

Si la oxidación la sufre un alcohol primario de las aldosas (C-6) se convierte en ácido urónico (sufijo –urónico). Si tomamos como ejemplo la glucosa obtendremos ácido glucurónico. En este caso puede presentarse en forma ciclada. En condiciones fisiológicas estará en forma de ion negativo, denominándose glucuronato. Se pueden oxidar los dos carbonos de los extremos, obteniéndose así la forma aldárica (C-1 y C-6). 

Las lactonas, son una forma ciclada con enlace éster. Ocurren entre el carboxilo oxidado del carbono 1 y un alcohol de la misma molécula, generalmente el 5. Así se obtienen moléculas como el ácido ascórbico (vitamina C).

Los monosacáridos modificados adquieren nuevas propiedades: Reducciones

Los monosacáridos también pueden sufrir reacciones de reducción. Se forman así moléculas como los alditoles. Dentro de este grupo tenemos el glicerol y el mio-inositol, como parte de varios lípidos de membrana; y el ribitol, componente de la flavina adenindinucleótido (FAD). Otros son utilizados como edulcorantes, xilitol y sorbitol.

Otra forma reducida son los desoxiazúcares, en los cuales se sustituye un grupo –OH por un –H. El más importante de este grupo es la β-D-2-desoxirribosa, por ser el azúcar presente en los nucleótidos que forman el ADN. 

Los monosacáridos modificados adquieren nuevas propiedades: Esterificación

Mediante enlaces éster se pueden unir grupos hidroxilo a un ácido fosfórico. Son importantes en la oxidación de la D-glucosa, la D-glucosa-6-fosfato y el D-gliceraldehído-3-fosfato.

La incorporación del ácido fosfórico se realiza por la transferencia del grupo fosforilo en una reacción catalizada por quinasas. En esta imagen la enzima que actúa es la hexoquinasa:

Los monosacáridos modificados adquieren nuevas propiedades: Aminoazúcares

Se dan por la sustitución del grupo –OH del carbono 2, de un monosacárido, por una amina (-NH₂). Ejemplos son la D-glucosamina y la D-galactosamina. Además, pueden acetilarse mediante enlaces amida, obteniéndose así, por ejemplo, la N-acetilglucosamina. Otra molécula importante es el N-acetilmurámico, componente de la pared bateriana. También es importante mencionar el N-acetilneuramínico, por estar presente en muchos componentes glucoconjugados y glucolípidos. Sus derivados se nombran como ácidos siálicos.

Mejorando el tratamiento contra el VIH

Development of an oral once-weekly drug delivery system for HIV antiretroviral therapy

Desarrollo de un sistema de administración oral de fármacos una vez por semana, para la terapia antirretroviral contra el VIH. 

La eficacia de la terapia antirretroviral se ve comprometida por la falta de adherencia a la medicación. Para intentar combatir esto han desarrollado una forma de dosificación oral compuesta por distintas matrices fármaco-polímero, que consigue niveles farmacológicos sistémicos durante una semana. Los fármacos incluidos en esta cápsula son los antirretrovirales; dolutegravir, rilpivarina y cabotegravir, que han demostrado eficacia contra esta patología.

Es de gran importancia seguir el tratamiento. A día de hoy, las personas VIH+ tienen una esperanza de vida comparable a las personas no infectadas. No obstante, la tasa promedio de adherencia al tratamiento ronda el 70%.

Desarrollo de la cápsula

Consiste en una estructura de seis brazos unidos a un núcleo central. El núcleo está hecho de material elastomérico, que permite su plegamiento y, como consecuencia, la dosificación controlada de los fármacos que contiene la cápsula. Los brazos proporcionan rigidez y la capacidad de cargar y liberar hasta 6 fármacos.

Para una mayor garantía, se prevé equipar las formas de dosificación con un mecanismo de seguridad, que permita que se desmonte en caso de que pase antes de tiempo al intestino, gracias al cambio de pH de una región a otra. Es importante tener esto en cuenta, ya que dicha ruptura asegurará su eliminación sin riesgos.

Limitaciones del estudio

Las pruebas de farmacocinética se realizaron en cerdos. El vaciado gástrico es más rápido en humanos que en cerdos. Además, la edad y el tamaño del animal influyen de modo significativo, ya que esto puede afectar a la cantidad de fármaco absorbido.

También se deben considerar otros parámetros fisiológicos. Por ejemplo, el aclaramiento intrínseco y volumen de distribución de fármacos como la prednisolona son más altos en cerdos que en humanos. ¿Qué impide que esto ocurra también con los antirretrovirales?

¿Por qué se quiere realizar algo así?

Se ha demostrado que la adherencia en tratamientos largos es mucho mejor si las dosis son semanales en vez de diarias. Se evaluó de forma matemática el impacto de una mejor adherencia en fármacos utilizados para la profilaxis del VIH en Sudáfrica. Los datos obtenidos muestran el potencial de evitar cientos de miles de nuevas infecciones.

Además, al igual que con los antibióticos, se debe evitar la aparición de resistencias a los fármacos. Una forma de dosificación que permita un óptimo seguimiento del tratamiento ayudará a reducir un aumento de casos de resistencia.

Bibliografía:

1. Kirtane AR, Abouzid O, Minahan D, Bensel T, Hill AL, Selinger C, et al. Development of an oral once-weekly drug delivery sistem for HIV antirretroviral therapy. Nature Communications. 2018;9:2

Bases de la bioquímica 3: Las reacciones químicas en la célula

12. Equilibrio de una reacción química

En el proceso de formación de producto de muchas reacciones químicas, se llega a un punto en el cual el propio producto empieza a reaccionar para dar un nuevo reactivo. Es decir, la reacción ocurre de forma reversible. Cuando la velocidad de formación de producto y reactivo se igualan se dice que la reacción alcanza el equilibrio. La mayoría de las reacciones que tienen lugar en la célula son reacciones reversibles, y por lo tanto tienden a alcanzar dicho equilibrio químico.

En el equilibrio las velocidades se igualan y la relación entre la concentración de productos y reactivos es constante.

La termodinámica es la que ayuda a predecir si una reacción química se produce de forma espontánea o no. El cambio de energía libre de Gibbs (∆G)  de una reacción se calcula como un incremento:

Si la reacción está en equilibrio, su ∆G será igual a 0. Si la reacción tiene una ∆G positiva, el reactivo tendrá menor energía que el producto y por lo tanto, la reacción no ocurrirá de forma espontánea. En este caso se deberá utilizar energía de otra reacción para que se pueda llevar a cabo. El valor de ∆G proporciona información de la espontaneidad de la reacción, pero no sobre la velocidad a la que ocurre.

13. Reactividad de las moléculas biológicas

La presencia de grupos funcionales en las biomoléculas proporciona sitios reactivos, donde se van a poder unir a otras. Los sitios activos pueden ser nucleófilos o electrófilos, según la capacidad de atraer o no electrones.

• Centros nucleófilos (atracción por el núcleo): Son grupos ricos en electrones y pueden tener carga negativa, pares de electrones no enlazantes o poseer una densidad electrónica típica de dobles enlaces. Estos sitios atacarán a grupos cargados positivamente, ya que se sienten atraídos por ellos.
• Centros electrófilos (atracción por electrones): Tienen atracción por las cargas negativas, es decir, ricas en electrones, debido a su carencia de estos en la capa de valencia.

Hay que tener en cuenta que un grupo funcional puede general un dipolo, portando ambos tipos de centros.

Las reacciones de condensación o deshidratación son un tipo de reacciones químicas que van a tener un papel fundamental. En este tipo de reacciones participan diferentes grupos funcionales polares, que con la formación de un enlace covalente liberan agua al medio. Son determinantes para la formación de polímeros (polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). Los diferentes tipos de enlaces que darán moléculas biológicas son:

Otro tipo de reacción característica que tiene lugar en la célula es aquella en la cual se transfieren electrones de un sustrato a otro y son denominadas de oxidación-reducción o rédox. La mayoría de las reacciones que ocurren durante el metabolismo son de este tipo. Para ello se necesita un reactivo que ceda electrones y otro que los acepte. En moléculas biológicas, esta transferencia de electrones se realiza habitualmente en forma de átomos de hidrógeno.

El poder energético de las sustancias orgánicas será mayor cuanto mayor sea el poder de oxidación (cuanto más reducida esté la sustancia), por lo que, durante el proceso de oxidación, se deprenderá gran cantidad de energía.

El metabolismo celular se encarga de transformar y almacenar este contenido energético de las moléculas reducidas, que la célula usará como fuente de energía.

¿El origen de la epilepsia?

Histopathological Findings in Brain Tissue Obtained during Epilepsy Surgery

Hallazgos histopatológicos en tejido cerebral obtenidos durante la cirugía de epilepsia

Un estudio realizado por Ingmar Blumcke y su equipo, ha obtenido valiosos datos en cuanto al posible origen de la epilepsia en los adultos. Se realizaron análisis histológicos a 9523 pacientes mayores de 25 años, con convulsiones resistentes a medicamentos. Los datos se obtuvieron de hospitales locales o del Centro de Referencia de Neuropatología de Alemania para Cirugía de Epilepsia.

Resultados

El 75,9% de los pacientes empezó con convulsiones antes de los 18 años. Se detectó en el 88,7% de los adultos, esclerosis del hipocampo.

Conclusiones

La esclerosis del hipocampo es la principal causa en adultos de epilepsia focal resistente a fármacos, según los datos de este estudio. También se menciona que la displasia cortical focal es el diagnóstico más común entre los niños. Los tumores fueron la segunda lesión más común en ambos grupos.

Bibliografía

1. Blumcke I, Spreafico R, Haaker G, Coras R, Kobow K, Bien CG, et al. Histopathological Findings in Brain Tissue Obtained during Epilepsy Surgery. The new England Journal of Medicine. 2017;377:1648-1656

Bases de la bioquímica 2: El agua como principal disolvente biológico

10. La molécula de agua es un dipolo

El agua es el medio líquido fundamental en el que se van a desarrollar la mayor parte de las reacciones químicas de la célula. La molécula de agua se comporta como un dipolo: el átomo de O, que presenra una carga parcial negativa, y los dos átomos de H con una carga parcial positiva. Esta disposición es debida a la diferencia de electronegatividad entre los átomos de H y O.

La distribución de las cargas y la geometría de la molécula posibilitan la interacción entre una molécula de agua y sus vecinas. Estas interacciones se realizan mediante puentes de hidrógeno.
Gracias a este tipo de interacción se van a poder disolver, en este medio, muchas moléculas biológicas.

La formación y la rotura de los puentes de hidrógeno, a temperatura fisiológica, es constante, sin embargo, rara vez una molécula de agua se disocia en dos especies iónicas (iones hidronio e hidroxilo).

Habitualmente se denomina protón (H⁺) al catión disociado de una molécula de agua.

11. Química de los ácidos y de las bases

El comportamiento de la ionización del agua es la base para comprender el concepto de ácido y base. Se acepta la definición de Lewis, según la cual una base es una sustancia con un par de electrones disponibles para formar un enlace covalente dativo, mientras que un ácido es una molécula en la que existe un átomo capaz de aceptar un par de electrones, ya que posee un orbital externo.

En muchos casos resulta útil la definición de Bronsted-Lowry, en la que un ácido es una sustancia que puede ceder un protón y una base aquella que lo acepta. El ácido al perder el protón se convierte en una sustancia que tiende a recuperarlo, lo que se denomina base conjugada. Las sustancias que pueden comportarse como ácidos y como bases se denominan sustancias anfóteras. El agua es un ejemplo de este tipo.

11.1 El pH y el pK_a

La acidez de una solución se mide por la concentración de iones hidronio, o protones, que presente. Esta concentración abarca el rango desde 1 molar (1 M)-->disolución muy ácida, hasta una concentración de 10^-14 M --> disolución muy básica. Para evitar el uso de números tan pequeños se decidió convertir estas concentraciones a una escala logarítmica, denominada escala de pH, que comprende valores desde 0 a 14.

Se define por tanto el pH= -log₁₀[H⁺], donde [H⁺] es la concentración molar (número de moles de H⁺ por litro de disolución).

Las disoluciones ácidas tendrán un pH menor a 7, las básicas un pH mayor a 7 y las neutras un pH de 7.

11.2 Las soluciones tampón regulan el pH de la célula

Ciertos grupos funcionales presentes en las moléculas biológicas pueden comportarse como ácidos o como bases débiles. Su estado de ionización dependerá de la concentración de protones del medio. La mayoría de las enzimas contienen estos grupos ionizables, por eso son importantes en el estado de las mismas las pequeñas variaciones de pH.

Tanto en el medio intracelular como extracelular será imprescindible una regulación del pH para que las moléculas puedan operar de manera óptima. Los tampones son sistemas acuosos que tienden a amortiguar los cambios que se producen en el pH. Están constituidos por un ácido débil y su base conjugada o viceversa. Por ejemplo, una situación en la que exista un aumento de H⁺, estos podrán ser absorbidos por la base conjugada, y si se incrementa la concentración de OH^-, será el ácido débil quien ceda un protón al medio para que neutralice el ión hidroxilo.

El principal tampón biológico intracelular es el tampón fosfato, que presenta un pK_a de 6,86, y por lo tanto, es capaz de resistir los cambios de pH entre 5,9 y 7,9.

El principal tampón sanguíneo es el sistema tampón bicarbonato, compuesto por el ácido débil carbónico y la base conjugada bicarbonato. 

Bases de la bioquímica 1: Fundamentos químicos

1. La materia está constituida por átomos

La unidad fundamental de la materia es el átomo, una partícula de tamaño muy pequeño constituida por protones, neutrones y electrones.

En condiciones normales, los átomos presentan carga neta debido a que su número de protones y electrones es el mismo. No obstante, existen átomos cargados denominados iones, con una diferencia de carga. Al perder electrones, su carga será positiva (cationes), y si los gana, su carga será negativa (aniones).

Los protones y los neutrones se localizan en el núcleo del átomo, en el que se encuentra casi toda la masa. Los electrones se encuentran alrededor de éste, en los orbitales atómicos.

Cada elemento químico está formado por un tipo de átomo, que se diferencia de otro en el número de protones presentes en el núcleo. Por lo tanto, el número de protones o número atómico (Z) define a cada elemento. Sin embargo, un mismo elemento puede variar en su número de neutrones, lo que determina la existencia de los isótopos, que se definen como distintas formas atómicas de un mismo elemento, que difieren en su masa.

2. Los orbitales atómicos quedan definidos por los números cuánticos

Los electrones se localizan en orbitales atómicos, que son las zonas que rodean al núcleo y donde existe la máxima probabilidad de encontrar estos electrones. Cada orbital queda definido por un conjunto de tres números denominados números cuánticos: 

•   El primero es conocido como número cuántico principal (n): Describe el tamaño y la energía del orbital. A medida que aumenta su tamaño, lo hace su energía y su distancia al núcleo.
•  El segundo se conoce como número cuántico acimutal (l): Representa un subnivel de energía y define la forma geométrica del orbital. Se representan con las letras s, p, d y f.
•  El tercer número denominado número cuántico magnético (m_l): Define la orientación en el espacio si se fijan unos ejes de referencia (x, y, z).

Los electrones se distribuyen en estos orbitales siguiendo varios principios. En primer lugar, los electrones ocupan inicialmente los niveles de energía más bajos. Cada orbital alberga un máximo de dos electrones. Además, cuando existen varias posibilidades de localización en subniveles de la misma energía, los electrones ocupan subniveles separados, según el principio de la máxima multiplicidad de Hund.

Teniendo en cuenta esta distribución, es necesario un cuarto número que permita identificar los dos electrones del mismo orbital (numero de spín). Dicho número refleja el movimiento de los electrones respecto a un eje imaginario en un campo magnético.

3. ¿Qué determina el orden de los elementos en la tabla periódica?

Cada celda de la tabla periódica contiene un elemento identificado con un símbolo, el número másico y el número atómico. El orden de los elementos en la tabla viene determinado por dos ejes: horizontal (períodos) y vertical (grupos). Los elementos se ordenan en un período, de izquierda a derecha, según aumenta su número de protones. El último elemento de cada período tiene completo su último nivel de energía y se denomina gas noble.

4. Los elementos se combinan y forman moléculas

Un elemento es más estable cuanto más se aproxima a una configuración electrónica en la que sus orbitales estén completos. La unión entre átomos se establece a través de enlaces químicos, obteniéndose así las moléculas. Las moléculas que están constituidas por átomos de diferentes elementos se denominan compuestos (H₂O).

Los electrones de las últimas capas son los que van a participar en las reacciones químicas y se conocen como electrones de valencia.

Para entender la formación de los enlaces resulta útil la regla del octeto, basada en el comportamiento químico de los gases nobles. Según esta regla postulada por Lewis, los átomos son más estables cuando consiguen ocho electrones en la capa de valencia.

Una propiedad importante para explicar la formación de enlaces es la electronegatividad, que se define como la tendencia que tienen los átomos de atraer hacia sí el par de electrones compartido. Los átomos que tengan más electrones en su última capa son más electronegativos.

Cuando los átomos que reaccionan poseen una elevada electronegatividad, el enlace se forma porque ambos elementos comparten sus electrones de valencia hasta completar su última capa (enlace covalente). En el enlace covalente no hay una transferencia de electrones completa, como ocurre en el enlace iónico. De la combinación de los dos orbitales atómicos surge un orbital molecular que determinará las características de la unión. Estos pueden tener menor energía que los orbitales atómicos, lo que lleva a una estabilización del sistema que favorece su formación. El orbital estable se conoce como orbital enlazante. También puede tener mayor energía que los orbitales atómicos de partida, lo que provoca una desestabilización. Este tipo se conoce como orbitales antienlazantes.

La distribución específica de los electrones dentro de una molécula se denomina configuración electrónica. 

5. Orbitales híbridos. La tetravalencia del carbono

Para los elementos del segundo período de la tabla periódica (C, N, O), los orbitales s y p de la última capa están tan próximos a su nivel de energía que pueden interaccionar formando orbitales híbridos que combinan caracteres de ambos orbitales.

6. Enlace covalente coordinado o dativo

En algunos casos el par de electrones compartido procede exclusivamente de uno de los átomos, mientras que el otro aporta el orbital vacío. El resultado es una molécula con carga positiva que procede del átomo que aporta el orbital sin electrones y, por tanto, con mayor número de protones. Para que se forme este tipo de enlace, un átomo tiene que tener un par de electrones sin enlace, es decir un par solitario en su nivel más externo.

7. Polaridad y enlaces polares

Cuando dos átomos de electronegatividades muy diferentes forman un enlace covalente, los electrones no son compartidos en igual medida por los dos átomos, de forma que serán atraídos con más fuerza por el más electronegativo. En este caso se forma un enlace covalente polar. El átomo más electronegativo presenta una mayor densidad de carga negativa, mientras que el otro adquiere una densidad de carga positiva. El resultado es la formación de un dipolo, muy importante en interacciones no covalentes.

8. Los grupos funcionales determinan las interacciones entre biomoléculas

Los elementos químicos fundamentales en la reactividad de las biomoléculas van a ser el O y el N, ambos átomos electronegativos, que harán reaccionar entre sí a las moléculas que los porten.

En las diferentes biomoléculas de los seres vivos se encuentran, de forma recurrente, una serie de grupos funcionales. Son determinantes en el funcionamiento de la molécula. Los más comunes en la bioquímica son:

9. Las interacciones débiles determinan la función de la molécula

Todo proceso biológico se produce gracias a las interacciones débiles establecidas entre moléculas. La unión de enzima con sustrato o el proceso de replicación y transcripción del ADN, son ejemplos de procesos que tienen lugar gracias a una determinada orientación y unión entre las moléculas implicadas. Las interacciones son débiles, pero la suma de muchas de ellas, en la posición correcta, hará que la unión sea altamente específica y fuerte. Algunos ejemplos son los puentes de hidrógeno, los puentes salinos (enlace iónico) y las fuerzas de Van der Waals.

9.1 Puentes de hidrógeno

Este tipo de interacción es de naturaleza relativamente fuerte. Es responsable de las múltiples uniones débiles entre las moléculas de agua. Para que se forme, es necesaria la presencia de un átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo electronegativo (habitualmente O y N) que, debido a su carga parcial positiva, será atraído por el otro átomo electronegativo presente en una molécula diferente.
Solo son posibles con el oxígeno, nitrógeno y flúor.

9.2 Enlace iónico o puente salino

En la célula, los iones (Na⁺, K⁺, Cl^-…) van a establecer entre sí, interacciones del tipo electrostático (cargas opuestas).

Grupos funcionales que se comporten como ácidos o bases, van a presentar una carga (un electrón de más o de menos), lo que les convierte en un ión. Los iones en solución acuosa pueden atraerse o repelerse según la carga que porten. Este tipo de atracción es débil, ya que al estar el ión en solución acuosa se encuentra solvatado (rodeado de moléculas de agua) reduciendo la fuerza de enlace entre los iones de carga opuesta.

Debido a que la capacidad que tiene un ácido de ceder o de captar protones depende de la concentración de H⁺ que haya en la solución, los grupos ácidos o básicos no siempre van a estar en su forma ionizada. Lo grupos que se comportan como iones a pH fisiológico son, por ejemplo, los grupos amino y carboxilo.

9.3 Fuerzas de van der Waals

Son interacciones muy débiles que mantienen unidas temporalmente moléculas no polares o átomos, es decir, son dipolos temporales que se forman continuamente entre moléculas en solución, debido a que el electrón se acerca o aleja del átomo al que se está enlazado.

9.4 Interacción hidrofóbica

Difieren de las anteriores en que no presentan naturaleza electrostática. Se darán entre moléculas y grupos funcionales no polares. No habrá entre ellos ningún tipo de interacción: la unión se basa únicamente en la imposibilidad que tiene la molécula hidrofóbica de interaccionar con el agua.

Son fundamentales en la biología, ya que la naturaleza apolar de muchos componentes, les obliga a mantenerse unidos, formando distintas estructuras, para alejarse del agua. Así formarán verdaderas barreras hidrofóbicas, como las membranas lipídicas que definen las células y sus orgánulos.