Química Orgánica
Otoño 2012
Ingeniería Ambiental
Vitamina B12
Coenzimas, obtención a partir de spirulina y aprovechamiento catabólico
Investigación
Juan Manuel
Ayala Velázquez
Martinez Cervantes Rafael
Conceptos
previos
¿Qué
son los aminoácidos?
Los α-aminoácidos están formados por
un carbono central (carbono α) unido a un grupo amino (─NH3,
─NH2), un grupo R
característico (cadena lateral) y un grupo carboxilo (-COOH) (Berg, Tymoczko, & Stryer, pág. 27) (Bruice, pág. 1017).
Debido a los cuatro
grupos distintos conectados al átomo de carbono alpha, los α-aminoácidos son
quirales (con la glicina como única excepción). La quiralidad produce dos
formas especulares: los isómeros L y los isómeros D. Sólo los L-aminoácidos
constituyen las proteínas (Berg, Tymoczko, & Stryer, pág. 27) [1]. La Figura 1 presenta las dos formas especulares de
los α-aminoácidos, el isómero L
y el isómero D.
Los aminoácidos están unidos entre sí por enlaces de
tipo amida
la Figura 2 muestra estos enlaces.
Figura 1. Representación de los isómeros L y
D aminoácidos.
Figura 2. Enlaces amida entre aminoácidos.
Si se representa a un
aminoácido en la proyección de Fischer con el grupo carbonilo arriba y el grupo
R abajo en el eje vertical y el grupo amino está a la derecha se trata de un
D-aminoácido, si contrario a ello, el grupo amino se encuentra del lado izquierdo
se tratará de un L-aminoácido. La Figura 3 hace evidente estas diferencias conformacionales.
Solamente los L-aminoácidos constituyen las proteínas[1].
Figura 3. Isómeros D y L de los aminoácidos.
Una serie de aminoácidos
unidos por enlaces peptídicos forman una cadena
polipeptídica. Dichas cadenas tienen polaridad porque sus extremos son
diferentes, con un grupo α-amino en un extremo y un grupo α-carboxilo en el
otro. Por convención se considera al extremo amino terminal como el comienzo de
la cadena polipeptídica. Las cadenas polipeptídicas están formadas por una
parte repetida regularmente llamada cadena principal o esqueleto y las partes
variables llamadas cadenas laterales (Berg, Tymoczko, & Stryer, págs. 34, 35). Las cadenas
laterales se pueden observar en la Figura 2 y en la Figura 6 como grupos Rn.
Figura 4. Cadena principal o esqueleto (en
color negro) y cadenas laterales (en color verde).
A las unidades
repetitivas de aminoácidos (contenidas en cadenas polipeptídicas) se les denomina
residuos de aminoácido (Bruice, 2008, pág. 1017). Dicho de otra
manera, cada unidad aminoacídica de un polipéptido se denomina residuo (Berg, Tymoczko, & Stryer, pág. 34).
En disoluciones a pH
neutro los aminoácidos se encuentran como iones dipolares (zwitteriones), de
manera que el protón del grupo carboxilo migra hacia el grupo amino. Cuando se
eleva el pH, el grupo carboxílico es el primero en ceder un protón, ya que el
pKa es cercano a 2. La forma dipolar permanece hasta que el pH se
acerca a 9, cuando el grupo amino pierde un protón (Berg,
Tymoczko, & Stryer, 2011, págs. 27, 28) (Chang, pág.
1046).
La Figura 7 exhibe las dos formas posibles de los
aminoácidos. La Figura 8 muestra la variación del estado de
ionización de los mismos respecto al pH.
Figura 5. Forma dipolar y no ionizada de los
aminoácidos.
Figura 6. Estados de ionización de los aminoácidos
en función del pH.
La secuencia de cadenas
de aminoácidos se escribe de izquierda a derecha, comenzando con el residuo
amino terminal y finalizando con el residuo carboxilo terminal.
¿Qué
es un péptido?
Los péptidos se dividen
en:
Dipéptidos - contienen
dos residuos de aminoácidos.
Oligopéptidos –
contienen de tres a diez aminoácidos
Polipéptidos – contienen
más de 10 aminoácidos
¿Qué es una proteína?
Las proteínas son
polímeros lineales de aminoácidos. Todas
las proteínas del cuerpo están formadas por 20 aminoácidos distintos. Las
proteínas son polipéptidos naturales formados por entre 40 y 4000 residuos de
aminoácidos. Todas las proteínas del cuerpo humano están formadas por 20
aminoácidos distintos. La composición porcentual en masa de los elementos que
las forman es notablemente constante: Carbono 50-55%; hidrógeno 7%; oxígeno
23%; nitrógeno 16% y azufre 1% (Chang, pág. 1046). Estas
macromoléculas pueden funcionar como catalizadores, transporte, almacenamiento,
apoyo mecánico, protección inmunológica, generadores de movimiento,
transmisores de impulsos nerviosos y como control del crecimiento.
Las proteínas tienen
contienen un amplio espectro de grupos funcionales (e. g. alcoholes, tioles,
ácidos carboxílicos y carboxiamidas). Las proteínas pueden interaccionar entre
sí y con otras macromoléculas biológicas (e. g. DNA). Son moléculas
tridimensionales que deben sus funciones específicas a sus determinadas
estructuras espaciales, siendo algunas muy rígidas (utilizadas como elementos
estructurales) y otras más flexibles (característica útil para la transmisión
de información y la formación de unidades complejas) (Berg, Tymoczko, & Stryer, pág. 25).
La síntesis de una
molécula de proteína a partir de aminoácidos comienza con una reacción de
condensación entre un grupo amino de un aminoácido y un grupo carboxilo de otro
aminoácido. El enlace formado para unirlos se llama enlace peptídico (Chang, pág. 1046) o enlace
amida (Berg, Tymoczko, & Stryer, pág. 34), mientras que a la
molécula formada por dos aminoácidos se le llama dipéptido. La formación de un dipéptido genera una molécula de
agua. En la Figura 7 y en la Figura 8 se puede apreciar el enlace mencionado,
donde R1 y R2 representan un átomo de H o algún otro
grupo. En la Figura 8 se puede observar la resonancia de los
electrones entre los oxígenos y el carbono del grupo carboxilo desprotonado. El
grupo ─CO─NH─ se denomina grupo amida.
Figura 7. Formación de un dipéptido.
Figura 8. Generación de una molécula de agua
al condensar dos aminoácidos.
Estructura
cis, trans del enlace peptídico.
Figura 9. Estructura Cis, Trans.
La conformación trans es
la más estable pues evita interferencias
de nubes electrónicas.
Las proteínas se dividen
en dos clases:
·
Proteínas
fibrosas (insolubles
en agua): Son formadas por largas cadenas de polipéptidos dispuestas en un haz
de fibras.
·
Proteínas
globulares
(solubles en agua): Presentan formas aproximadamente esféricas.
Algunos ejemplos de las
funciones que desempeñan las proteínas en los sistemas biológicos son las
siguientes (Bruice, pág.
1018):
·
Proteínas
estructurales (proteínas fibrosas): Fungen (para las estructuras
biológicas) como barreras o fortalezas debido a su disposición espacial (e. g.
colágeno o queratina).
·
Proteínas
protectoras: Pueden ser toxinas para la defensa ante
depredadores, proteínas coagulantes en lesiones vasculares o anticuerpos y antibióticos
peptídicos que protegen contra enfermedades (e. g. toxinas de sistemas de
defensa animal contra depredadores, coagulantes de la sangre en heridas,
anticuerpos, antibióticos).
·
Enzimas
(esencialmente todas son proteínas globulares): Son proteínas que catalizan las
reacciones que tienen lugar en los sistemas biológicos (Bruice, pág. 246) (e. g. celulasa, fumarasa).
·
Hormonas:
Algunas de ellas regulan las reacciones de los seres vivos (e. g. insulina).
· Proteínas
con funciones fisiológicas: Las funciones pueden ser el transporte y
almacenamiento de oxígeno en los organismos y músculos y la contracción de
estos últimos.
Estructura
Durante la década de
1930 Linus Pauling estudió la geometría del grupo básico que se repite, el
grupo amida. Su resonancia está dada por la siguiente representación de Lewis
(IMAGEN). El par de electrones que forman el enlace π del
carbono-oxígeno se deslocalizan mientras que el par de electrones del nitrógeno
se convierten en enlace π entre el átomo del carbono y del mismo nitrógeno.
Este proceso es reversible, convirtiéndolo en un proceso de resonancia (Chang,
pág. 1049).
¿Qué
es un cofactor?
Muchas enzimas no pueden catalizar una
reacción sin ayuda de otras sustancias que coadyuvan en la catálisis. Estas
sustancias son los cofactores, mismos que pueden ser iones metálicos o
moléculas orgánicas. Los cofactores que son moléculas orgánicas se llaman
coenzimas, éstas se derivan de las vitaminas. (Bruice 1098)
¿Qué es una vitamina?
La amina
de la vida (1) es una molécula orgánica necesaria en pequeñas cantidades en
la dieta de algunos animales superiores quienes no tienen la capacidad de
sintetizarlas.
¿Qué
es una coenzima?
Son cofactores compuestos por moléculas
orgánicas (reverté 206). Las vitaminas tienen derivados que actúan como
coenzimas.
Las coenzimas de la vitamina B12 son
5'-Desoxiadenosilcobalamina, adenosil cobalamina y metil cobalamina, cuya
reacción típica es la transferencia de metilos y el reordenamiento
intramolecular e isomerizaciones; [coenzimas y sus funciones [p 435, Wesley]
¿Por
qué es importante la vitamina B12?
Las consecuencias de su deficiencia
incluyen la anemia, la anemia perniciosa y la acidosis
metilmalónica. [página 423 bioquímica Reverté]
El metabolismo es el conjunto de
reacciones que los organismos vivos efectúan para obtener la energía que
requieren para sintetizar los compuestos que necesitan. Se dividen en
catabolismo y anabolismo.
Reacciones catabólicas: Descomponen las
moléculas complejas de los nutrientes para suministrar energía y obtener
moléculas precursoras simples para la síntesis.
Reacciones anabólicas: Requieren energía y
causan la síntesis de biomoléculas complejas a partir de moléculas precursoras
simples. (1101 Bruice)
Estructura
La estructura de la vitamina B12 fue
determinada por Dorothy Crowfoot Hodgkin usando cristalografía de rayos X. [p.
1124 Bruice] La vitamina B12 es un compuesto organometálico que tiene en su
centro un anillo tetraédrico de nitrógeno con un átomo de cobalto en el centro
(núcleo macrocíclico), a éste se le llama núcleo corrínico. El
cobalto se coordina con el dimetilbenzimidazol el cual funciona como ligando
axial. Al cobalto le rodean cuatro anillos heterocíclicos (pirrólicos) de cinco
miembros (tres de ellos formados por un nitrógeno y cuatro carbonos y uno
formado por dos nitrógenos, un cobalto y dos carbonos) [p. 9 steamgate] y a
éstos se unen amidas (RCONR'R'').
En la Figura 9 se presenta la estructura
básica de la Vitamina B12 y los grupos funcionales que pueden sustituirse en L
para dar lugar a los distintos compuestos: [info e imagen: Vitamin b12 Sand B]
Figura 9. Estructura de la vitamina B12.
1: 5'-deoxyadenosylcobalamin (5'-Desoxiadenosilcobalamina)
2: methylcobalamin
3: hydroxocobalamin
4: sulfitocobalamin
5: cyanocobalamin (cianocobalamina
cyanocobamida o vitamina B12)
Figura 10. Estructura tridimensional de la cianocobalamina.
Obtención
de la Vitamina B12
La vitamina B12 se puede extraer (en
cierta medida, como se verá más adelante) del alga (ver Anexo) spirulina.
Spirulina
La spirulina es en realidad un organismo
procariota (pertenece a la división cyanobacteria), dado que no posee un núcleo
definido y su material genético se encuentra en el nucloide. La spirulina es
entonces una bacteria (existen algunas discrepancias al respecto)[2].
Suelen utilizarse para fines alimenticios
dos especies de esta bacteria la spirulina maxima y la spirulina
platensis.
La espirulina (Spirulina maxima) tiene
forma espiral y su color verde se debe a la clorofila mientras que el azul
verdoso se debe a la ficocianina. Es un alimento que ofrece proteínas
más digeribles que las de la carne de vacuno y contiene una sorprendente
variedad de elementos nutritivos: vitaminas, macrominerales, minerales, ácidos
grasos esenciales, proteínas, ácidos nucleicos (ADN y ARN), clorofila, y una
amplia gama de fitoquímicos.[3].
Cultivo
El medio de cultivo debe tener pH entre 8
y 11 (medio básico), mientras que la temperatura debe mantenerse entre 35°C y
37°C. Se deberá agitar el medio diariamente por lo menos cuatro veces por dos
minutos. La siguiente tabla muesta algunos datos característicos de la
Spirulina Platensis[4].
Componentes
químicos
|
Concentración (g/L)
|
NaHCO3
|
8
|
NaCl
|
5
|
KNO3
|
2
|
MgSO4 • 7H2O
|
0.16
|
NH4PO4 • 12H2O
|
0.08
|
CO(NH2)2
|
0.015
|
FeSO4 • 7H2O
|
0.005
|
Más información al respecto se puede
encontrar en el Departamento de Agricultura de Estados Unidos De América[5].
[1] Se han encontrado residuos de D-aminoácidos en unos pocos antibióticos peptídicos y en algunos péptidos pequeños unidos a las paredes celulares de las bacterias (Bruice, 2008, pág. 1023).
[2] Margulis, L. y
Sagan, D. 2002. Acquiring genomes. A
theory of the origins of species. Perseus Books Group, Boston.
[3] www.espirulina.es
[4] http://www.iimsam.org/images/IIMSAM-SpirulinaCultivationManual-2007.pdf
[5] http://ndb.nal.usda.gov/ndb/foods/show/3370?fg=&man=&lfacet=&count=&max=&sort=&qlookup=&offset=&format=Full&new=
Controversia
La cianobacteria (spirulina) comercial contiene de 127 a 244 microgramos de vitamina B12 por cada 100g de masa. En estas tabletas se ha caracterizado que el 83% de los compuestos corrínicos (anillos corrínicos vitamina B12 -mismo nombre que olvidé durante la presentación) corresponde a la pseudovitamina B12 (adeninil cobamina, ver Figura 10) mientras que sólo el 17% representa la vitamina B12.
Alunas pruebas han indicado que la pseudovitamina B12 tiene dificultades para absorberse en mamíferos, en específico la vitamina B12 de la spirulina. Hebert (1998) expuso la hipótesis que la pseudovitamina puede incluso bloquear el metabolismo de la vitamina B12. Sin embargo Berg et al. (1991) demostraron que una dieta con suplementos de spirulina no induce una severa deficiencia en ratas. Watanabe (2008) concluye que son necesarios más experimentos para determinar la biodisponibilidad de la vitamina B12 en humanos.
Alunas pruebas han indicado que la pseudovitamina B12 tiene dificultades para absorberse en mamíferos, en específico la vitamina B12 de la spirulina. Hebert (1998) expuso la hipótesis que la pseudovitamina puede incluso bloquear el metabolismo de la vitamina B12. Sin embargo Berg et al. (1991) demostraron que una dieta con suplementos de spirulina no induce una severa deficiencia en ratas. Watanabe (2008) concluye que son necesarios más experimentos para determinar la biodisponibilidad de la vitamina B12 en humanos.
Figura 10. Diferencias entre la pseudovitamina B12 y la vitamina B12.
ANEXO
Taxonomía
Los organismos vivos se
clasifican en tres dominios diferentes[1]: Archaea,
Bacteria y Eukaryote[2]
(Eukarya o Eukaryota).
Existen algunas hipótesis sobre
el origen de las células procariontes y eucariontes, una de ella es que debido
a la similitud entre todas las células se piensa que todas provienen de un
ancestro común denominado en inglés last
universal common ancestor (LUCA).
La Figura A1 representa la unión
de los reinos en dominios y éstos en un ancestro único.
Figura A1. Árbol filogenético
Eucariontes: Son células con núcleo definido y comprenden el reino Animalia, Plantae, Fungi y Protoctista[3].
Bacterias: Son células sin núcleo definido (procariontes).
Arqueas: Son células procariotas. Algunas arqueas termofílicas (thermoproteus) autótrofas de hidrógeno y azufre que pueden habitar en ambientes con temperaturas de hasta 95°C, mientras que otras (halófilos) pueden sobrevivir en medios con altas concentraciones de sal. (South carolina p 2)
La Figura 2 representa la jerarquización de las categorías taxonómicas comúnmente aceptada.
[1] Clasificación biológica propuesta por el microbiólogo
y físico estadounidense Carl Woese en 1990. Esta clasificación responde a las
diferencias en los genes 16S rRNA (modelo evolutivo basado en las pequeñas
diferencias en las secuencias de nucleótidos en el ácido ribonucleico
ribosómico o ribosomal,, rRNA o ARNr).
[1] Clasificación biológica propuesta por el microbiólogo
y físico estadounidense Carl Woese en 1990. Esta clasificación responde a las
diferencias en los genes 16S rRNA (modelo evolutivo basado en las pequeñas
diferencias en las secuencias de nucleótidos en el ácido ribonucleico
ribosómico o ribosomal,, rRNA o ARNr).
[2] Clasificación específica investigada por Margulis, L.
& Whittaker, R. en 1978.
[3] Reino propuesto como Protoctista por Marguilis, L.
& Schwartz, K. en 1978 ya que incluía dentro del antiguo grupo Protista a
las algas. Anteriormente Haeckel, E. propuso en 1886 el reino Protista (sin
incluir las algas en él).
PREZI
Bibliografía
Berg, J. M., Tymoczko, J.
L., & Stryer, L. (2011). Bioquímica. Barcelona: Reverté.
Bruice, P. Y.
(2008). Química orgánica. México: Pearson Educación.
Chang, R. (s.f.).
Química.
Mathews, C. K.,
Van Holde, K. E., & Ahern, K. G. (2002). Bioquímica. Madrid:
Pearson Educación, S.A.
Watanabe, F. (2008). Vitamin B12 Sources and Bioability. Tottori University. Japan.
[1] Se han encontrado residuos de D-aminoácidos en unos pocos antibióticos peptídicos y en algunos péptidos pequeños unidos a las paredes celulares de las bacterias (Bruice, 2008, pág. 1023).
