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Tema 1.- Estudio de las reacciones químicas de las
células vivas.
1.- Concepto y perspectivas de la bioquímica.
Las moléculas de las células vivas que constituyen los organismos vivos interaccionan para mantener las funciones vitales rigiéndose por las leyes físicas y químicas que rigen el universo. La bioquímica es el conocimiento de la vida en términos moleculares y el estudio de las moléculas que participan en la actividad y función de las células vivas: Estructura y función de las moléculas. Interacciones entre estas moléculas para formar estructuras supramoleculares organizadas (Células, tejidos, organismos). Control de las reacciones químicas en las células vivas. Obtención y utilización de energía del entorno. Transmisión de la información necesaria para mantener las estructuras, crecer y reproducirse de forma exacta. Participación de esas moléculas en procesos de reproducción, crecimiento y muerte de células y organismos. La estructura y función de estas moléculas deben justificar las características distintivas de los organismos vivos: Elevado grado de complejidad química y organización microscópica. Sistemas para la extracción, transformación y uso de energía del entorno. Funciones definidas para cada uno de los componentes de un organismo y la regulación de las interacciones entre ellos. Capacidad de autorreplicarse y autoensamblarse. Mecanismos para detectar y responder a las alteraciones de un entorno. Capacidad de cambiar a lo largo del tiempo mediante evolución gradual. Los seres vivos son uniformes : contienen las mismas macromoléculas (glúcidos, ácidos nucleicos), utilizan el ATP como moneda energética, poseen los mismos tipos de reacciones y, además, el código genético es prácticamente universal. Las proteínas más conservadas en la evolución son las histonas debido a la cromatina, que ésta no cambie de unos individuos a otros. También es muy conservada en la evolución la tubulina, que participa en la división celular. En cuanto a la clasificación de los organismos, aparecen fototrofos (autótrofos, utilizan el carbono del CO2 y heterótrofos, que utilizan el carbono de componentes orgánicos) y quimiotrofos. No solo es importante el estudio de las reacciones químicas sino la energía obtenida del exterior (luz solar, nutrientes…). Mediante una serie de transformaciones, la energía puede ser utilizada para la síntesis química,
trabajo mecánico… Esta energía permite también procesos de transporte a través de membrana y puede también eliminar calor. Así, los organismos mantienen su estructura a través del consumo de energía, con lo que se vence el incremento del desorden (entropía) y manteniendo la estructura de las células como las conocemos y evitando su deterioro. Para utilizarla, debe ser superada la barrera energética en las reacciones químicas (azul), la energía de activación para que se puedan obtener los productos deseados. Los catalizadores reducen la barrera energética (rojo) para que sea más fácil de superar. En cuanto a los niveles estructurales , cada tipo de tejido está conformado por células distintas, con sus determinadas estructuras y macromoléculas. Los organismos procariotas tienen una característica principal que es la ausencia de membrana nuclear, que no independiza el nucleoide (ADN circular) del citoplasma. También presentan cilios y flagelos. Las células eucariotas son más complejas, su ADN está separado del citoplasma mediante una membrana nuclear y tienen orgánulos como peroxisomas, etc. En las vegetales, aparecen cloroplastos con pigmentos fotosintéticos. Existen cuatro niveles estructurales en una célula:
Fuerzas que mantienen la estructura de biomoléculas: Enlaces covalentes fuertes : El enlace está formado por dos electrones, cada uno perteneciente a uno de los átomos que se enlazan y que se comparten en un orbital molecular común a ambos átomos. Interacciones no covalentes débiles : o Electrostáticos : Iónicas : Interacciones carga-carga o entre dipolos.
Fuerzas de van de Waals : Moléculas sin carga se atraen mutuamente por fluctuaciones de su carga electrónica (apilamiento de bases). Enlaces de hidrógeno : Interacción entre un H de un grupo donador (-OH, -NH) y un par de electrones de un grupo aceptor (O=CH-, -N=). Hidrofóbicas : Entre grupos hidrofóbicos.
3.- Bioquímica del agua.
El agua es la única sustancia que se encuentra de forma natural en tres estados (sólido, líquido y gaseoso) y en ella se originó la vida, lo que guarda relación con que sea la molécula más abundante de los seres vivos. Además, es el disolvente de las moléculas biológicas, condicionando su estructura y su función. El agua proporciona un entorno fluido que permite la movilidad de las moléculas y su interacción en los procesos metabólicos.
3.1.- Estructura y propiedades.
Está conformada por dos electrones en los orbitales más externos del oxígeno que intervienen en los enlaces covalentes con los átomos del hidrógeno. Los dos pares de electrones restantes son aceptores de enlaces de hidrógeno. La molécula es un dipolo: el oxígeno (electronegativo) atrae a los electrones hacia sí, quedando con carga parcialmente negativa, mientras que los hidrógenos quedan con carga parcialmente positiva. El agua líquida aparece formando agrupaciones fluctuantes. Los enlaces de hidrógeno se rompen y se forman al azar. Tiene una vida media de 1-20 pc (1ps = 10^- s).
base de la que provengan. Ej.- HCl, HBr, HI, HNO3, H2SO4, HClO4. HCl + H2O Cl- + H3O+ Los ácidos y bases débiles se disocian parcialmente. Existe un equilibrio entre el ácio y su base conjugada (acepta un H+ y forma de nuevo el ácido). Ej.- CH3COOH + H2O ↔ CH3COO- + H3O+. Aparece la constante de disciación (Ka); pKa = -log Ka; Ka = [CH3OO-][H3O+]/[CH3OOH].
3.4.- Ionización del agua.
El agua puede actuar como ácido y como base débiles: el H+ de una molécula de agua “salta” sobre otra molécula de agua formando H3O+ (protón hidratado), esto se denomina ionización del agua. H2O + H2O ↔ H3O+ + OH- ¿Cuántos H+ y OH- existen en el agua? Muy pocos, la proporción de H+ y OH- en el agua neutra es de 1 : 10^9 (se ioniza poco). La constante de equilibrio (Keq) de la ionización de agua es: Keq = [H3O+][OH-]/[H2O]. La [H2O] es muy alta (55.5 M) por lo que se incluye en la constante: KW= Keq [H2O] = [H3=+] [OH-] KW es el producto iónico del agua. Para el agua neutra es 10^-14 M^2 a 25ºC. [H+] = [OH-] = 10^-7 M. pH = - log [H+]
3.5.- pH.
El pH refleja la concentración de H+.
Soluciones tampón o Amortiguadoras (Buffer).
Son soluciones de ácidos débiles y de sus bases conjugadas o de bases débiles y sus ácidos conjugados. Los amortiguadores resisten tanto a la adición de ácidos como de bases. Sirven para mantener el pH, de forma que la [H+] apenas varía al añadir ácidos o bases fuertes.
Cada ácido-base conjugado posee una zona de tamponamiento que coincide con su pKa. Alrededor del pKa, el pH no varía casi al añadir grandes cantidades de ácido o base.
Si el pH de la sangre no está adecuadamente tamponado, se produce acidosis o alcalosis metabólica. Cuando el pH sanguíneo es muy alto se elimina bicarbonato por el riñón.
Tema 2.a- Estructura y propiedades de los
aminoácidos.
1.- Proteínas.
Son las macromoléculas más abundantes de la naturaleza y están presentes en todas las células y en todos los compartimentos subcelulares. Son polímeros formados por cadenas de monómeros llamados aminoácidos (por 20 aa). Tienen una estructura definida y función propia (la disposición de los aa determinará su estructura tridimensional y su funcionalidad), así como una gran variedad de funciones , las cuales están definidas para cada uno de los componentes de un organismo y la regulación de las interacciones entre ellos: Estructural: glucoproteínas, histonas, colágeno… Enzimática: deshidrogenasas, isomerasas, ligasas… Hormonal: Insulina, glucagón, hormona del crecimiento… Defensiva: Inmunoglobulinas, trombina… Transporte: hemoglobina, hemocianina… Reserva: Ovoalbúmina, gliadina… Motilidad: Actina, miosina… Transducción de señales: receptores, quinasas, factores de transcripción… Características: Elevado grado de complejidad química y organización microscópica. Sistemas para la extracción, transformación y uso de la energía del entorno. Capacidad de autorreplicarse y autoensamblarse. Mecanismos para detectar y responder a las alteraciones de un entorno. Capacidad de cambiar a lo largo del tiempo mediante evolución gradual.
2.- Aminoácidos.
Están constituidos por un Cα unido a un H, a un grupo amino y a otro carboxilo. Varían en función de su cadena lateral. El grupo carboxilo puede perder protones (pKa = 2) y el amino ganarlos (pKa = 10). La molécula forma un tetraedro. El Cα es asimétrico o quiral (con cuatro sustituyentes distintos), esto le permitirá formar isómeros y, por tanto, presentará actividad óptica (si incide sobre la molécula un rayo de luz polarizada, ésta será desviada a izquierda o derecha según sea L o D). Así, existen dos esteroisómeros que difieren en la disposición espacial de los sustituyentes. *Los enantiómeros son esteroisómeros son imágenes especulares y, por tanto, no superponibles entre sí.
Se denomina isómero D (es dextrógiro y desvía la luz polarizada a la derecha) al que presenta el grupo funcional a la derecha del espectador e isómero L (es levógiro y desvía la luz polarizada a la izquierda) al que lo tiene hacia la izquierda. En los aminoácidos se considera grupo funcional al grupo amino. Los aminoácidos se pueden abreviar. A su vez, los aminoácidos proteicos se pueden dividir en: Alifáticos : Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Pro. Cuanto más larga es la cadena lateral, más apolar es el aminoácido. La prolina es un aa cíclico, cuya
Básicos : His, Arg, Lys. La Lys y Arg tienen unos pK muy elevados, mientras que His es más neutral. Ácidos y sus amidas : Asp, Glu, Asn, Gln. Estos aa pueden dar lugar a amidas. Son muy polares y tienen carga negativa. Las amidas de estos aa ácidos son polares.
Aminoácidos apolares: Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Pro. Aminoácidos alifáticos no polares: Gly, Ala, Pro, Val, Ile, Leu, Met. Aminoácidos polares sin carga: Ser, Thr, Cys, Tyr, Asn, Gln. Aminoácidos polares con carga (positiva) básicos: His, Lis. Aminoácidos polares con carga (negativa) ácidos: Asp, Glu. Aminoácidos modificados (más relevantes): 4-Hidroxiprolina y 5-hidroxilisina: han sido hidroxilados y aparecen en el colágeno. Si no se forman, el colágeno es débil. Fosfoserina, etc: Una forma de las proteínas de regular su actividad enzimática es fosforilándose. Si esto se produce, se forma una fosfoproteína. Esto fosforilación ocurre en muchas proteínas de las rutas de señalización celular. γ-carboxiglutamato: importante en proteínas cuya función consiste en Ca2+ y vinculante, incluyendo varias proteínas implicadas en la coagulación de la sangre.
3.- Formación de puentes disulfuro.
Son enlaces covalentes y, por ello, muy fuertes, por lo que hay que utilizar una gran energía para romperlos. Además, proporcionan estabilidad a moléculas como la insulina. Si los enlaces se producen en una cadena son intracatenarios y si son entre dos distintas, intercatenarios.
4.- Equilibrios de protonación-desprotonación de aminoácidos.
A un pH bajo, tenemos que el aminoácido está en estado de máxima protonación (como hay muchos protones, su forma iónica es la del cuadradito rosa). Al subir el pH, al haber más grupos OH, alguno se puede desprotonar, siendo éste el carboxilo, que pasa a ser carboxilato (cuadradito azul). Al llegar al punto isoeléctrico, la gran mayoría de las moléculas tendrán carga cero, son zwitteriones ya que tienen cargas proteínas y negativas y se compensan. El siguiente grupo en perder un protón será el amino cargado. Así, la molécula adquiere carga negativa (cuadradito verde).
Donde pKR es el pK del radical.
Tema 2.b.- Estructura primaria: Enlace peptídico.
1.- Enlace peptídico.
La estructura primaria de una proteína es la secuencia de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Por ejemplo: -Ala-Glu-Val-Thr-Asp-Pro-Gly-. El enlace peptídico es plano y rígido, aunque hay libre rotación alrededor de los enlaces Cα-C y Cα-N. Las estructuras secundarias surgen de los valores de los ángulos. Para que se forme un enlace peptídico se elimina una molécula de agua. Según el número de aminoácidos que se unan: Oligopéptido: <20 aa. Péptido: 20-50 aa. Polipéptido: >50 aa. Proteínas: >50 aa. Propiedades de los enlaces peptídicos: Es más corto y rígido que un enlace C-N simple, con cierto carácter de doble enlace (por lo que casi no permite la rotación). Los átomos que participan en el enlace (C, O, N, H) están en el mismo plano. Los enlaces -C=O y -N-H- son paralelos. Con respecto a su carácter parcial de doble enlace, puede considerarse un híbrido de resonancia (deslocalización de e-p sobre los átomos O-C-N).
Un polipéptido puede ser considerado como una sucesión de planos peptídicos y su conformación espacial se define por los ángulos Φ y ψ de cada Cα. Adoptará la conformación más favorable energéticamente, que suponga menor impedimento estérico y menor repulsión electrostática. Este tipo de enlace no está favorecido termodinámicamente y la reacción sin catalizar es muy lenta. Su formación está acoplada a la hidrólisis de ATP e interviene la enzima aminoacil tRNA sintetasa, que une el aminoácido a su tRNA correspondiente.
2.- Péptidos.
Los polipéptidos son polianfolitos que contienen grupos ionizables en las cadenas laterales de los aminoácidos además del grupo N y C terminales. pI =
pK 1 + pK 2
El punto isoeléctrico (pI) es el pH en el que la disolución de un
aminoácido neutra no tiene carga (forma AH).
Péptidos con actividad biológica: Hormonas Insulina (30 aa + 21 aa) Oxitocina (9 aa) Glucagón (29 aa) Antibióticos Gramidicina S (9 aa cíclico) Venenos α-amanitina (8 aa cíclico) Antioxidantes NAC (N-acetil-L-cisteína) Neurotransmis ores Encefalinas (5 aa) Β-Endorfinas (31 aa) Sustancia P (10 aa) Péptidos Angiotensina II (8 aa)
vasoactivos Bradiquinina (9 aa)
3.- Estructura primaria: Secuencia de aminoácidos.
La función de una proteína depende de su estructura primaria: Cada proteína tiene un número y secuencia de aa característicos definida genéticamente. La estructura primaria determina la estructura tridimensional, y ésta determina la función. Proteínas con funciones distintas tienen secuencias distintas. Proteínas con funciones similares tienen secuencias similares. Alteraciones de la secuencia (mutaciones) modifican la función. Pueden existir pequeñas variaciones de secuencia, conservadoras, denominadas polimorfismos. Así, las proteínas con funciones idénticas o similares en la misma o distintas especies se llaman proteínas homólogas.
4.- Hidrólisis química de proteínas.
Ácida con HCl 6N a 110ºC destruye Trp, se pierde algo de Tyr y Ser, Asn se transforma en Asp y Gln se transforma en Glu. Básica con NaOH concentrado se destruye Cys, Ser y Thr. Solo se emplea para valorar el Trp. Para la obtención de fragmentos proteolíticos se utilizan:
