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INTRODUCCIÓN A LA BIOQUIMICA.
La bioquímica trata de explicar en términos moleculares el funcionamiento de los seres vivos, por tanto la bioquímica es la ciencia que estudia la química de los procesos vitales. Propiedades distintivas de los seres vivos:
- (^) Se autorreplican
- Realizan transformaciones de la energía: Los organismos vivos obtienen su energía de su entorno. Captan compuestos químicos y los oxidan. Además absorben energía de la luz solar.
El acoplamiento energético conecta las reacciones biológicas (ATP): El ATP es el intermediario químico que conecta los procesos que liberan energía con los que la requieren. Las leyes de la termodinámica rigen el comportamiento de los sistemas bioquímicos: Sistema: reactivos +productos en disolución que participa en una reacción química. Sistema cerrado intercambia energía, no materia con su entorno; el abierto todo. El desorden de los componentes de un sistema químico se expresa como entropía S Variación en el grado de desorden=variación en la entropía (aumenta en grado positiva cuando aumenta el desorden) Willard Gibbbs estudio variaciones de la energía en el transcurso de las reacciones químicas dijo que el contenido en energía libre, G, de cualquier sistema cerrado puede definirse por 3 magnitudes, entalpía, H, (refleja el nº y tipo de enlaces), S y Tª absoluta. G=H-TS. Si una reacción tiene lugar a T constante, la variación de la E libre del sistema. La E obtenida de la luz o del metabolismo se acopla a la energia requerida en las reacciones celulares. La cantidad de energia transformable en trabajo es la variacion de energia libre, AG….las reacciones se producen hasta q alcanzan el equilibrio en los sistemas cerrados….Sistema: reactivos +productos en disolución que participa en una reacción química.
- Son organismos complejos y altamente organizados: Crear y mantener el orden requiere trabajo y energía (entropía). Cada nivel de organización es estructuralmente más complejo que los niveles inferiores. En cada nuevo nivel e organización surgen propiedades emergentes. Al aumentar el nivel de organización aumenta el requerimiento energético.
- Las estructuras biológicas sirven a un propósito funcional: conservación materia/energía, perpetuación, regulación…)
EL AGUA
El agua es la sustancia más abundante de los seres vivos. Es el componente más abundante de la materia viva (502-95%). Es el disolvente general de la materia viva. ES indispensable para la actividad metabólica: al disolver sustancias facilita las reacciones químicas. Todos los organismos requieren agua más que cualquier otra sustancia para mantener sus funciones.
La molécula de agua actúa como un dipolo lo que permite que se unan dos moléculas de agua mediante un puente de hidrogeno. El enlace de puente de hidrogeno es un enlace débil, se está formando y rompiendo continuamente a temperatura ambiente... Una molécula de agua puede formar hasta 4 puentes de hidrogeno (tetraedro del hielo).
PROPIEDADES DEL AGUA FUNDAMENTALES PARA LA VIDA
El agua es liquida en un rango de temperatura mucho mayor que otras moléculas parecidas, coincide con las temperaturas ambientales de la corteza terrestre. El agua solida es menos densa que la liquida: el hielo flota, permitiendo la vida bajo la superficie congelada. Cada molécula forma puentes con 3-4 moléculas de H2O La cohesión : los enlaces de hidrogeno mantienen juntas a las moléculas de agua y generan una elevada tensión superficial.
- Resistencia a cambios de temperatura por la propiedad cooperativa de los puentes de hidrogeno
- Elevado calor especifico que absorbe o libera mucho calor sin variar su propia temperatura (amortiguador térmico).
- Elevado calor de vaporización: enfría la superficie al evaporarse (termorregulador), un mecanismo idóneo para disminuir la temperatura corporal al perder calor en la evaporación de relativamente poca agua.
- Alta conductividad térmica: se iguala con rapidez a la temperatura de distintos sectores del medio interno de un organismo o de una masa de agua.
- El agua actúa como disolvente universal de solutos cargados debido a su polaridad. Los compuestos iónicos (sales) se disocian y sus iones quedan rodeados de una capa de hidratación.
- El agua forma puentes de hidrogeno con compuestos polares: compuestos polares neutros (azucares) o grandes moléculas polares si tienen grupos o regiones iónicas o polares (proteínas). La capacidad de disolverse depende de su peso molecular y de su riqueza en grupos polares El agua rechaza a los compuestos no polares (hidrófobos). Los compuestos apolares tienden a asociarse entre ellos (interacciones hidrofobicas). Las grandes moléculas con grupos o regiones apolares se ordenan en las estructuras vivas orientando las regiones apolares según su entorno (membranas, otras proteínas)… Las partes apolares se unen entre sí para reducir el número de moléculas de agua ordenadas lo que aumenta la entropía. Cuando hay moléculas apolares en una suspensión acuosa no entran en disolución porque hay moléculas de agua ordenadas alrededor. La interacción hidrofobica es la fuerza que mantienen juntas las regiones apolares de las moléculas. La liberación de agua ordenada favorece la formación del complejo enzima- sustrato, lo que aumenta la entropía del sistema. Este tipo de interacción es el fundamental para el mantenimiento de las estructuras biológicas.
LAS PROPIEDADES DEL AGUA FUNDAMENTALES PARA LA VIDA
- La mayoría de las reacciones bioquímicas ocurren en agua
- Actúa como reactivo de las reacciones de condensación e hidrolisis
- Baja capacidad de ionización (10 -7^ M): se transfiere de H+ de una molécula de agua a otra E-. (HA= H+ + A-)
- Los ácidos más débiles tienen constantes de disociación (ionización) más bajas. Tiene ligera tendencia a ionizarse. El agua pura esta ligeramente ionizada. H libres no existen en disolución otra molécula de agua lo capta se forma un ion hidronio. Ecuación de Henderson-hasselbalch: KA= [H+] x [A-]/ [HA].
- Agregados supramoleculares: ribosomas, cromosomas
- Orgánulos y células: mitocondrias, cloroplastos
HIDRATOS DE CARBONO/GLUCIDOS
Actúan como fuente de energía, son componentes estructurales y actúan en el reconocimiento de proteínas y células
MONOSACARIDOS:
- Monómeros básicos de los glúcidos
- Polihidroxialdehiudos o polihidroxicetonas no ramificados: carbonilo terminal: aldehído. Aldosa
- Carbonilo intermedio: cetona. CETOSA
- Tienen entre 3 y 7 átomos de carbono
- Su formula basa es Cn(H2O)n
- Las formas D y L son imágenes especulares, enantiomeros. En los seres vivos se suele encontrar solo la D.
- Son fuente de carbono, base de la síntesis de otras moléculas orgánicas
- Son fuente y almacén de otras moléculas orgánicas
- Son fuente y almacén de energía
- (^) Propiedades físicas: solubles, sólidos blancos, cristalizables, actividad óptica
- Propiedades químicas: reductores (grupo carbonilo), forman enlaces hemiacetal(aldehído +alcohol) y hemicetal(ceto+alcohol)
- DERIVADOS: Esteres con acido fosfórico, amino azucares, desoxiazucares, acidos uronicos, acidos adónicos, acidos muramico, acido neuraminico…
CICLACION.
El grupo carbonilo forma un enlace covalente con el oxigeno de un grupo hidroxilo perteneciente a la misma cadena. Los monosacáridos de más de 5C presentan conformaciones cicladas en anillos tipo furano (5) o pirano( 6) que generan un nuevo carbono asimétrico (en el carbono del grupo carbonilo) el carbono anomerico. Que sea alfa o beta si la función OH queda por encima o por debajo del plano del anillo. Determina la formación de polisacáridos y la funcionalidad de la molécula que se genera.
ENLACE O-GLUCOSIDICO
Se realiza casi siempre entre hexosas. En un enlace glucosidico siempre reacciona el C anomerico de uno de los monosacáridos con un OH del otro monosacarido (anomerico o no) mediante un enlace tipo acetal-aldosas o cetal- cetosas. Gracias a ello se da la reacción de condensación (deshidratación).
LIPIDOS
FUNCIONALIDAD: Almacenan energía (grasas y aceites derivadas de acidos grasos. Son componentes estructurales de las membranas biológicas. Señales, hormonas (testosterona), vitaminas(liposolubles) y pigmentos. La unidad estructural del lípido es el acido graso(cadena hidrocarbonada y un acido carboxilo), saturados e insaturado. Los acidos grasos saturados forman estructuras ordenadas, muy rígidas, solidas como la mantequilla. Los acidos grasos insaturados son líquidos como el aceite. Los acidos grasos cuando tienen insaturaciones son de tipos -cis. Solo los vegetales forman acidos grasos poliinsaturados. Los más grandes necesitan más calor para fundirse. Tiene muy poca solubilidad que disminuye contra mas grande sean. MONOGLICERIDO: Reacción de esterificación de un AG con uno de los grupos alcohol del glicerol. Acido + alcohol= éster + agua. TRIGLICERIDOS: son esteres de ácidos grasos y glicerol. Actúan como lípidos de almacenamiento. Los lípidos estructurales de membrana son glicerofosfolipidos o FOSFOLIPIDOS que contienen: un glicerol, 2 ácidos grasos, un grupo fosfato y un radical (x). ESFINGOLIPIDOS: también son lípidos estructurales de membrana. Contienen esfingosina, acido graso y un radical (x). En función de que grupo se une tenemos los distintos tipos de esfingolipidos (ceramidas, esfingomielina….). Los cerebrosidos y globosidos son esfingolipidos donde el (x) es un azúcar (glucosa). Son estructuras típicas del cerebro. ESTEROLES-CORESTEROL: también son lípidos estructurales de membrana. Derivados son hormonas (estradiol, testosterona) vitaminas… Las partes polares quedan orientadas hacia fuera de la membrana plasmática. Los lípidos como señales son precursores, hormonas esteroides, vitaminas A, D, E, K.
LOS ACIDOS NUCLEICOS.
Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos. Los nucleótidos transportan energía química en las células ATP, GTP. Los nucleótidos forman parte de muchos cofactores: FAD, NAD, Coenzima A. Algunos nucleótidos son moléculas reguladoras: cAMP, cGMP. Un nucleótido está formado por: un azúcar, una base nitrogenada y un grupo fosfato. Si no tiene un grupo fosfato se le denomina nucleosidos. Por convenio 2’ hace referencia a la posición del azúcar. El 2 hace referencia a la posición en la base nitrogenada. La unión entre el azúcar y la base nitrogenada se establece entre las bases 1’-9 o 1’-1. El fosfato suele estar en la posición 5’. No todas las bases nitrogenadas son las mismas. Es frecuente encontrar modificaciones de la adenina, guanina, citosina, timina y uracilo. Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos. ESTRUCTURA PRIMARIA. ENLACE FOSFODIESTER. Los ácidos nucleicos están unidos mediante el enlace fosfodiester………….. ESTRUCTURA DEL DNA Está formado por una doble hebra de dos cadenas antiparalelas. TIPOS DE DNA
- DNA “B” (de Watson y crick)
Poseen una estructura tridimensional características. Las fuerzas débiles mantienen las estructuras biológicas y determinan las interacciones entre biomoleculas. FUERZAS:
- Enlace covalente
- Interacciones no covalentes
- Enlaces de hidrogeno
- Interacciones iónicas de atracción/repulsión)
- Fuerzas de van der Waals
- Interacciones hidrofobicas. El reconocimiento entre biomoleculas esta mediado por fuerzas débiles. Estas fuerzas débiles restringen a los organismos vivos a un estrecho rango de condiciones ambientales. Se da en un entorno acuoso, polar.
PEPTIDOS:
La gran variación en estructura y función de las proteínas es reflejo de su secuencia peptidica, su estructura primaria. Los aminoácidos se encuentran unidos en los péptidos y las proteínas mediante un enlace amida (-CO-NH-). El enlace peptidico es un enlace de tipo amida que necesita mucha energía para formarse y para la ruptura que necesita la participación de las peptidasas. Es casi plana, está favorecida la forma trans. Posee un carácter parcial de doble enlace del enlace C-N. Las consecuencias de la resonancia:
- Estabilidad del enlace
- Menor basicidad del átomo de nitrógeno.
- Rotación restringida del enlace CC (carácter de doble enlace)
- El 99% de los enlaces O-H son trans CARACTERISTICAS DEL ENLACE AMIDA:
- Los radicales de los aminoácidos están en posición trans para evitar el impedimento estérico.
- El enlace peptidico es casi plano y esta favorecida la forma trans. La deslocalización de los orbitales electrónicos entre O-C-N explica el carácter parcial de doble enlace del enlace C-N.
- EL plano amida tiene 6 átomos en el mismo plano
- Hay una libre rotación alrededor de los enlaces CA-CO y Ca-N
- Los ángulos de giro de los planos rígidos de las amidas depende del radical. ESTRUCTURA ESPACIAL DE UN PEPTIDO. Secuencia ordenada de los planos de enlace peptidico en el espacio. Los grupos R se alternan por encima y debajo del plano general de la molécula. Los péptidos y proteínas son moléculas orientadas (del amino al carboxilo)
La estructura primaria se refiere a la secuencia en la que están unidos los aminoácidos. Cada proteína tiene una secuencia de aminoácidos única y definida. Las proteínas tienen secuencias de aminoácidos específicos que vienen codificadas por los genes-genomica-secuenciación del DNA. Para conocer la secuencia se recure a la secuenciación del DNA como primera opción, o a la secuenciación de proteínas en su defecto. Son técnicas aplicables a pequeñas secuencias-fragmentación. La estructura secundaria es la orientación relativa de los átomos que forman “el esqueleto”. Un péptido puede adoptar muchas conformaciones según los ángulos PHI y PSI pero adopta la más favorable desde el punto de vista energético, la de menor impedimento estérico y repulsión electrostática. La rigidez de la unidad peptidica y los limites de los ángulos de enlace limitan el numero de estructuras posibles para que la cadena proteica desplegada se pliegue. Diagramas de Ramachadran:……… Para fragmentar una cadena que quieras fragmentar en parte, hay que quitar los puentes disulfuro y otros componentes de la estructura secundario, manteniendo la estructura primaria. Los puentes disulfuro se rompen con mercaptoetanol, CTT, iodoacetato, etc.
- Carboxipeptidasa A remueve el amino C-terminal
- Carboxipeptidasa B remueve los aminoácidos C-terminal de Arginina y Lisina solamente
- CNBR (bromuro de cianógeno) corta detrás de metionina. Algunas proteasas que rompen esas estructuras son el CNBr (bromuro de cianógeno) rompe por detrás de la metionina (donde la metionina aporta el amino del enlace peptidico que se va a cortar). La tripsina rompe por detrás de la lisina (donde la función carboxílica del enlace pertenece a lisina o a la argininia) La mayoría de las proteasas cortan puntos concretos de la proteína así que puedes deducir la frecuencia que tiene ese péptido en general. Si sabes la secuencia nucleotidica puede saber la secuencia péptida. A la hora de secuenciar un péptido, hay que fragmentarlo en trozos, los trozos se separan mediante las siguientes técnicas:
- TAMAÑO:
- Cromatografía de filtración en gel
- Ultracentrifugacion
- SDS-PAGE: Es un compuesto químico que polimeriza la muestra entre dos placas de vidrio. Cambiado la composición de……….. cambian los poros de la mezcla y mediante un campo eléctrico se consigue separarlas.
- CARGA IONICA (PI)
- Cromatografía de intercambio iónico: Se usan unos polímeros basados en celulosa o geles cargadas positiva o negativamente. Eso se embebe en una solución acuosa con lo que se rellena un recipiente. Al pasar lo muestra por ese recipiente las partes con carga contraria se quedan pegadas allí. SE usa cloruro de sodio para separar esas partes y recogerlas.
- Cromatografía de exclusión molecular: se rellena el soporte con el gel preparado. Se hace pasar a traves la solución de proteínas de modo que las proteínas de mayor tamaño caen antes que las pequeñas
- Isoelectroenfoque: polaridad, solubilidad, especifidad de unión etc.
Conocer los aminoácidos que forman el fragmento
- Cuales son: hidrolisis total y detección
HELICES ALFA.
Las hélices alfa: son helicoidales estabilizadas por puentes de H intracatenarios. Hélices alfa 3.613:
- 3.6 residuos de aminoácidos por vuelta)
- 13 átomos de hidrogeno del puente de hidrogeno.
- Un puente de H entre el Co de un aminoácido y el NH del cuarto por detrás: todos los aminoácidos salvo los extremos. 5.4 Armstrong (0.54 nm) de distancia entre vuelta y vuelta
- Los grupos de los bordes inferiores y superiores de la hélice no participan en los puentes de hidrogeno.
- Son dextrógiras.
- Actúa como un dipolo eléctrico de un enlace peptidico que se transmite a lo largo de la hélice-dipolo global (amino+, carboxilo-). Pueden ser polares o apolares
- Los residuos aa-R se colocan en el exterior. RESTRICCIONES A LA HELICE-ALFA
- Interacciones electroestáticas entre residuos contiguos.
- Tamaño de los grupos R
- Interracciones entre residuos separados 3-4 enlaces peptidicos
- Presencia de Pro(el radical se une a la amina) y Gly(radicales muy pequeños porque hay demasiada libertad de giro)
- Residuos cargados en los extremos Las cadenas laterales sobresalen de manera perpendicular al eje de la hélice: hélices polares y no polares. LAMINAS B: Son secuencias polipeptidicas unidas entre sí por puentes de hidrogeno en la que distintas partes se unen entre sí o distintas cadenas se unen entre sí. Una estructura de lamina beta requiere de al menos dos cadenas o dos segmentos de la misma cadena. Se estabilizan por puentes de H.
- Co y NH peptidicos forman enlaces de hidrogeno entre cadenas adyacentes.
- Cadenas paralelas y antiparalelas
- 3.4amstrong de distancia entre 2 residuos de cadenas antiparalelas
- 3.2 Armstrong de distancia entre 2 residuos de cadenas paralelas GIROS Y BUCLES Las cadenas cambian de dirección por medio de giros inversos y bucles. El CO del residuo 1 se une al NH del residuo 1+3 para estabilizar el giro: giro inverso, beta o vuelta de horquilla, lo que provoca cambios de dirección de cadena. Pueden ser inversiones de cadena, bucles o bucle omega. No tienen elemento estructural periódico regular, suelen ser rígidos. La estructura secundaria de la mayor parte de las proteínas es una combinación de hélices a y laminas b conectadas por giros. CLASIFICACION DE PROTEINAS
1. COMPOSICIÓN
- Proteínas simpes: constituidas únicamente por aminoácidos
- Proteínas conjugadas: Constituidas por aminoácidos y otros compuestos. Glicoproteínas (carbohidratos: interferon, globulina), lipoproteínas (grasas), nucleoproteínas(acido ribonucleico), fosfoproteínas (ésteres de fosfato: caseína), metaloproteinas (hierro: hemoglobina, ferritina)
- CONFORMACION (MORFOLOGIA)
- Proteínas fibrosas (insolubles): Colágeno (tejido conectivo, tendones), queratina (cabello, uñas, piel), elastina (tejido conectivo elástico.
- Proteínas globulares (solubles): Insulina (hormona reguladora del metabolismo de la glucosa), mioglobina (transporte de oxigeno), ribonucleasa: controla la síntesis del RNA. Las proteínas, según su morfología total pueden formar proteínas fibrosas o globulares PROTEINAS FIBROSAS
Las proteínas fibrosas son largas hebras u hojas repeticiones de un elemento de estructura secundaria. EL COLAGENO Adopta estructura secundaria y cuaternaria. Posee una función estructural, huesos, cartílagos, dientes, cuernos uñas. Se repite un tipo especial de hélice (no hélice alfa), la red fibrosa de tropocolageno :
- La unidad de tropocolageno esta compuesta por 3 hélices levógiras de 3 residuos por vuelta.
- Abundan pro, gly, y ala.
- Tripe hélice formada por hélices levógiras de 3 residuos por vuelta.
- Existen enlaces de puentes de hidrogeno interhelice.
- Repulsión estérica de los anillos pirrolidina de Pro e OH-Pro.
- La Gly es el único que encaja en la posición interior debido a su pequeño tamaño. Alteraciones asociadas a la alternación en la estructura del colágeno:
- Escorbuto- hidroxilacion defectuosa: fragilidad capilar, lesiones cutáneas, hemorragias
- Síndrome osteogenesis imperfecta: Gly988/Cys: huesos quebradizos, niños cristal, deformaciones del esqueleto
- Colágenos defectuosos de los ojos: esclerotica azul. Las unidades de tropocolageno se ordenan a lo largo de la fibra. Al microscopio electrónico muestran estriaciones transversales cada 60-70nm. Un mamífero tiene más de 30 variantes de colágeno ALFA QUERATINA Se caracterizan por contener gran cantidad de azufre, forman el pelo, uñas, escamas, plumas. Dos hélices dextrógiras (3.5 residuos por vuelta): forman una superhelice levógira que se mantiene unida por fuerzas de Van der Waals, fuerzas iónicas. FIBROINA
Los dominios estructurales están hechos a partir de motivos que se repiten varias veces. La enzima piruvato quinasa tiene una estructura formado por la repetición de alfa hélice. Las estructuras de los dominios se repiten en distintas proteínas. Los motivos proteicos constituyen la base de la clasificación estructural de las proteínas. La estructura terciaria se conserva más que la estructura primaria a lo largo de la cadena evolutiva. Hoy en día hay una clasificación de proteínas en familias estructurales, agrupadas en superfamilias o clanes estructurales Las proteínas de la misma familia han de tener:
ESTRUCTURA CUATERNARIA Para ser funcional una proteína necesita adquirir la estructura cuaternaria que es la suma de distintas subunidades. ASOCIACION DE SUBUNIDADES: Subunidad: Cadenas polipeptidicas separadas
- Papel regulador
- Unión a otras moléculas
- Estructural (proteínas fibrosas)
- Centro de reacciones complejas PROTEÍNAS MULTIMERICAS O OLIGOMERICAS PROTOMERO, UNIDAD DE REPETEICION ESTRUCTURAL HOMOPROTEINAS Y HETEROPROTEINAS PRIMERA PROTEINA OLIGOMERICA RESUELTA ESTRUCTURALMENTE Fue la hemoglobina Las proteínas que constan de distintas subunidades tienen una cierta simetría. La simetría puede ser
- Lineal, helicoidal
- Rotacional
- …………. Las cadenas polipeptidicas se pliegan según procesos de varias estapas. Se debe al plegado espontaneo de secuencias concretas (determinadas de la estructura primaria) y se estabiliza progresivamente por fuerzas de unión. El plegamiento esta canalizado por la termodinámica, Cuando la secuencia peptidica esta desplegada tienen un nivel de entropía máxima………… En el mantenimiento de la estructuras terciarias y cuaternarias es necesario que se establezcan enlaces covalentes (puentes disulfuro). La estructura se mantiene por la acción de fuerzas débiles es posible cambiar la estructura cuando se alteran las condiciones del medio. Lo que lleva a la desnaturalización de proteínas, es decir, la alteración de la estructura terciaria. La perdida de la estructura conduce a la perdida de función (la estructura primaria no se altera)
Un cambio de temperatura, o cambio de ph puede romper las interacciones débiles que sostienen la estructura terciaria. …….. Como ejemplo de la relación estructura-funcion tenemos la hemoglobina y que transporta el oxigeno desde los pulmones o branquias a los tejidos, y la mioglobina que almacena oxigeno. El oxigeno no se fija directamente a la proteína, sino a través de metales (hierro, cobre..). Las proteínas tampoco fijan hierro directamente, sino a través de anillos de fijación tetrapirrolico. (protoporfidina-9). El hierro a de estar unido al anillo de fijación para poder fijarse a la proteína. La mioglobina se une a histidina, la unión se produce en la histidina 93, ubicada en la hélice F, posición 8. En la unión también es importante la histidina distal que mantiene la unión.
