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Bioquímica I
Tema 1. Introducción a la bioquímica
La bioquímica es el estudio de las moléculas y reacciones químicas de la vida. Pretende describir la estructura, organización y funciones de la materia viva en términos moleculares. Describe en términos moleculares las estructuras, mecanismos y procesos químicos compartidos por todos los organismos, y proporciona los principios de organización que subyacen en todas las formas de vida.
Áreas de la bioquímica.
- Bioquímica estructural : estudia los componentes de la materia viva y la relación entre la estructura química y la función biológica. Como se organizan las biomoléculas.
- Metabolismo: estudia todas las reacciones químicas que se producen en los seres vivos. Uso de la energía en seres vivos.
- Flujo de la información biológica: estudia la química de los procesos y sustancias que almacenan, transmiten y expresan la información genética.
La bioquímica es una ciencia con identidad propia porque se encarga del estudio de la estructura y las reacciones entre las biomoléculas, las rutas metabólicas y su control y de los procesos vitales que siguen las leyes de la química. Sin embargo también es una ciencia multidisciplinar que se apoya en:
- Química orgánica : propiedades de las biomoléculas.
- Biofísica : técnicas de la física para el estudio de la estructura de las biomoléculas.
- Medicina : comprensión, a nivel molecular, de las distintas patologías.
- Nutrición : comprensión del metabolismo mediante la descripción de las necesidades alimentarias.
- Microbiología : muchas rutas metabólicas y mecanismos de regulación se han estudiado en organismos unicelulares y virus.
- Fisiología : estudio de procesos vitales a nivel tisular y de organismo.
- Biología celular : compartimentación de procesos en el interior celular.
- Genética : mecanismos que dan identidad bioquímica a una célula u organismo.
Composición química de los seres vivos
Los seres vivos están compuestos en un 98% de O, C , H, N, P, S. Forman moléculas orgánicas con grupos funcionales que les confiere unas propiedades y unas características determinadas, y condicionan la actividad química y sus propiedades físicas.
Los elementos de traza son átomos que están en algunos organismos y en otros no, y se encuentran en concentraciones muy pequeñas.
Grupos funcionales comunes en biomoléculas:
Las moléculas de agua se asocian mediantes puentes de hidrógeno.
Las atracciones electrostáticas entre los dipolos de dos moléculas de agua tienden a orientarlos de forma que el enlace O-H en una molécula de agua señala hacia un par de electrones en el átomo de O de la otra molécula de agua. Esto produce una asociación intermolecular direccional denominada puente de hidrógeno , interacción crucial para las propiedades del agua como disolvente.
Un enlace de hidrógeno puede representarse como un grupo donador ácido débil unido a un átomo que porta un par solo y que se denomina grupo aceptor y por ello es básico débil. Estos enlaces de hidrógeno distan en 0,5 A menos que la distancia de los enlaces de Van der Waals (distancia máxima de aproximación entre dos átomos no unidos).
Puede formar cuatro enlaces o puentes de Hidrógeno con otras cuatro moléculas circundantes, que ocasionan interacciones intermoleculares responsables de las propiedades de la molécula.
Propiedades del Agua:
El agua es una molécula polar. El agua es una molécula polar, el átomo de oxígeno tiene dos pares de electrones no compartidos y más electronegatividad que los átomos de hidrógeno. Los electrones están más atraídos hacia el oxígeno, que presenta carga parcial negativa, mientras que los hidrógenos presentan carga parcial positiva. El agua es muy cohesiva. Las moléculas de agua se unen entre sí mediante puentes de hidrógeno. Estás uniones son máximas en la estructura del hielo y explican las propiedades del agua. Además, las moléculas de agua pueden interaccionar con otras moléculas mediante puentes de hidrógeno e interacciones iónicas. Efecto hidrofóbico. Es una manifestación de las propiedades del agua. Cuando una molécula no puede interaccionar con las moléculas de agua, son rodeadas por “jaulas o cajas” (clatrato) que las mantienen más ordenadas que en una disolución libre. El agua como disolvente.
La solubilidad depende de la capacidad de interacción de un solvente con un soluto, de manera que ésta sea mayor que la capacidad de interacción de las partículas de soluto entre sí. Se dice que el agua es el disolvente universal porque disuelve más tipos de sustancias y en cantidades mayores que cualquier otro solvente.
Enlace de hidrógeno entre dos moléculas de agua. La fuerza de esta interacción es máxima cuando el enlace covalente O-H se dirige en forma directa a lo largo de una sola nube de par de electrones del átomo de O al que está unido el H.
En particular el carácter polar del agua hace que sea un disolvente excelente en compuestos polares e iónicos, es decir, en compuestos hidrófilos. Por otro lado las sustancias apolares son hidrófobas , pero si son solubles en disolventes no polares.
Las biomoléculas, en su mayoría, tienen segmentos polares (o con carga iónica) y apolares, por lo que son a la vez hidrofílicas e hidrofóbicas. Se dice pues que son anfipáticas. Estas moléculas tienden a formar agregados ordenador estructuralmente en el agua.
Pueden formar micelas , que son glóbulos de hasta varios miles de moléculas anfipáticas dispuestos con sus grupos hidrófilos hacia afuera de modo que interactúan con el agua, mientras que los grupos hidrófobos se asocian en el centro. También pueden disponerse en forma de bicapas , en la que los grupos polares se enfrentan en la fase acuosa, esta estructura es la base de las membranas biológicas. Las bicapas aunque normalmente son planas pueden formar una cubierta esferoidal cerrada conocida como vesícula.
Interacciones no covalentes en biomoléculas.
Las interacciones covalentes son las responsables de mantener unidos los átomos que forman las moléculas. Las interacciones no covalentes son las responsables de la estabilización y las interacciones entre macromoléculas. Forman enlaces entre 10 y 100 veces más débiles que los covalentes
Asociaciones de moléculas anfipáticas en soluciones acuosas. Los grupos de “cabezas” polares se hidratan, mientras que las “colas” apolares se agregan para excluir la solución acuosa.
Tema 2. Aminoácidos y estructura de proteínas
Las proteínas son compuestos cuaternarios formados por C,H, O y N, además puede haber otros elementos. Estas son macromoléculas de elevado volumen y peso molecular. Además en los animales son las biomoléculas más abundantes porque componen el cuerpo. Son polímeros, moléculas formadas por monómeros, que son los aminoácidos.
Los aminoácidos son las unidades monoméricas de las proteínas, a partir de estas sustancias las proteínas se sintetizan y sirven como metabolitos energéticos y nutrientes esenciales para los animales. Todas las proteínas están compuestas por los 20 aminoácidos esenciales, denominados alfa-aminoácidos por que poseen un grupo amino primario y un ácido carboxílico sustituyente en el mismo átomo de carbono, a excepción de la prolina.
Las combinaciones de estos 20 aminoácidos dan lugar a un número infinito de proteínas diferentes entre sí prácticamente infinito. Son las moléculas más variadas de la naturaleza porque aunque los aminoácidos sean iguales al estar en otro orden forman otra proteína diferente. Además pueden cambiar de forma, es decir, son capaces de formar distintas configuraciones espaciales, de ahí su nombre. En las células, se unen mediante enlaces covalentes formando largas cadenas de combinaciones específicas que producen un gran número de proteínas diferentes. La disposición lineal concreta de los aminoácidos de una proteína constituye su secuencia primaria y es esta secuencia la que va a determinar su estructura tridimensional específica que es fundamental para que desempeñe su función.
Además de ser las unidades estructurales de las proteínas, existen aminoácidos que son intermediaros de ciertas rutas metabólicas, como la citrulina y la ornitina en el metabolismo de la arginina y la prolina. Otros son precursores de muchas sustancias biológicas que contienen nitrógeno (grupo hem o , nucleótidos, coenzimas, hormonas, neurotransmisores, etc.). Por ejemplo, las catecolaminas (adrenalina, noradrenalina y dopamina) se sintetizan a partir de la tirosina, un aminoácido, en el cerebro y en las glándulas suprarrenales y actúan como neurotransmisores y como hormonas.
Los monómeros son casi todos solubles, en estado sólido cristalizables, formados químicamente por dos grupos muy diferentes entre sí, un grupo amino (NH 2 ) aceptor de protones, lo que le confiere a la molécula carácter básico, y un grupo carboxilo (COOH) dador de protones, que le confiere a la molécula carácter ácido. Ambos grupos funcionales están unidos a un carbono central (C), que comparte sus otras dos valencias con un hidrógeno (H) y un grupo radical (R), que puede ser un simple H o una cadena más compleja, que es lo que hace que los aminoácidos cambien. Este carbono es asimétrico, por lo que presenta isomerías, es decir, el grupo amino puede caer a la izquierda o a la derecha.
Otra función de propiedad de los monómeros es que son anfóteros, es decir, cuando están en un medio ácido se comportan como una base y cuando están en un medio alcalino se comportan como un ácido. Esto ocurre porque cuando están disueltos en un medio neutro el grupo carboxilo se encuentra desprotonado y el grupo amino tiene un protón de más (protonado), lo que le proporciona un comportamiento básico.
Estructura de los aminoácidos.
- Las proteínas son polímeros de aminoácidos.
- Cada aminoácido posee un átomo central, el carbono alfa , al que se unen un grupo
amino (-NH 2 ), un grupo carboxilo (-COOH) adyacente, un hidrógeno y una cadena
lateral (-R). La cadena lateral es la que confiere diferencias entre los distintos aminoácidos, que compone su clasificación.
- Los sustituyentes adoptan una disposición tetraédrica alrededor del C-
Aminoácidos esenciales:
1. Alifáticos:
5. Ácidos y sus amidas:
Aminoácidos no proteinogénicos:
Algunos aminoácidos modificados:
Clasificación de aminoácidos en función de su cadena lateral:
La unión covalente de los aminoácidos para formar las proteínas hace que los grupos funcionales amino y carboxilo de todos los aminoácidos, excepto el primero y el último, se vean modificados debido a la formación del enlace peptídico. Por este motivo, en los polipéptidos, la naturaleza química de la cadena lateral de los aminoácidos es la que va a condicionar su solubilidad en agua, su reactividad y el tipo de interacciones no covalentes que se pueden establecer.
Las cadenas laterales de los diferentes aminoácidos pueden ser de naturaleza hidrofóbica (apolar), polar sin carga, o pueden presentar carga a determinados valores de pH.
Los aminoácidos estrictamente hidrofóbicos son: Ala, Val, Leu, lie, Pro, Phe, Trp y Met. Todos tienen cadenas laterales alifáticas, menos la Phe y el Trp que, por presentar anillos aromáticos en su estructura, tienen la capacidad de absorber luz ultravioleta a determinadas longitudes de onda (alrededor de 280 nm). La prolina se caracteriza por su estructura cíclica rígida con un grupo amino secundario que le confiere un papel especial en la formación de la estructura secundaria. El aminoácido Gly, que tiene un solo hidrógeno como cadena lateral, se suele incluir en este grupo, aunque tiene unas características especiales. La presencia de azufre permite diferenciar dos aminoácidos: M et y Cys. La Met es totalmente apolar y es el aminoácido iniciador de la síntesis de proteínas. La Cys, que posee un grupo sulfhidrilo muy reactivo, puede incluirse en este grupo ya que su principal característica es la formación de puentes disulfuro entre dos Cys, un enlace covalente apolar.
Los aminoácidos presentan poder tamponante:
Como puede deducirse de la curva de titulación de la Gly, por debajo del valor de pH del p K del grupo ácido (p K x = 2,34) domina la forma totalmente protonada con carga neta positiva (NH3 — CH 2 —COOH). Por encima de este valor empieza a aumentar el porcentaje de moléculas que se encuentran en la forma del ión dipolar, con carga neta cero, hasta llegar al pl en el que es la forma dominante.
Por encima de este valor de pH el grupo NH3 va perdiendo su protón y va disminuyendo en porcentaje de la forma dipolar hasta que se iguala con la forma del ión negativo en el pH que coincide con el p Ka del grupo NH3 (p K2 = 9,6). Por encima de este valor dominará la forma con carga negativa NH2- C H 2-COO~.
Como puede observarse en la curva de titulación, en las zonas próximas a los valores de p Ka de ambos grupos (—COOH y — NH3), se necesita más cantidad de base (NaOH) para que se produzca un aumento en el pH de la so lución. Este efecto se conoce como efecto tamponante y tiene importantes consecuencias biológicas. Como se deduce de los valores de pKz y pl de los aminoácidos, sólo la His (con el p K2 de su cadena lateral de 6) puede actuar como tampón a un valor de pH cercano al pH fisiológico.
Curva de titulación del aminoácido Glicina.
La molécula cambia su estado de ionización lo que implica un cambio en su carga neta. Se destacan en sombreado las dos zonas con poder tamponante.
Se puede calcular la fracción de ionización de un grupo en función del pH porque los aminoácidos tienen poder tamponante.
Propiedades ácido-base de aminoácidos:
Un ión Zwitterión, puede encontrarse en forma ácida cediendo protones H+ o en forma básica aceptando protones H+. Esta proto-desprotonación depende del pH, como el pH se establece según la ecuación de Henderson-Hasselbalch :
- En el interior celular los aminoácidos se encuentran en forma de ión dipolar o Zwitterión, en esta forma el grupo carboxilo se encuentra disociado (COO-) y el grupo amino protonado (NH3+), pero su carga es neutra.
- Grupos ionizables de aminoácidos formados por ácidos débiles. Se puede calcular la fracción de ionización de un grupo en función del pH.
- Los aminoácidos con cadena lateral no ionizable tienen carga zwitterión a pH 7.
- Los aminoácidos con cadena lateral ionizable tienen carga zwitterión a pH dependiente de los pKa.
- La carga neta de una proteína depende del pH y repercute en sus propiedades fisicoquímicas.
Los aminoácidos con cadenas laterales con grupos ionizables tienen curvas de titulación más complejas con tres valores de p Ka. Los puntos isoeléctricos de los aminoácidos con un grupo ácido en su cadena lateral se calcularán como la media aritmética de los dos p Ka de los grupos ácidos que están implicados en los equilibrios de la molécula con carga neta cero (ión dipolar). Por el mismo razonamiento, en el caso de los aminoácidos con cadena lateral con carácter básico, el punto isoeléctrico se calculará como la media aritmética de los p Ka de los grupos básicos.
Valores aproximados de pKa de las cadenas laterales ionizables. Los aminoácidos ácidos (Asp, Glu), los básicos (Lys, Arg e His) y la Tyr y la Cys pueden presentar carga a determinados valores de pH. Debido a la influencia del entorno molecular se aportan intervalos entre los que puede variar el valor, dependiendo de las condiciones concretas.
Como los grupos ionizables son ácidos débiles aplicamos la ecuación para calcular la fracción de cada grupo ionizado a un determinado pH. En el caso del COO-:
pKa1 = [1,8 – 2,5] pKa = 1,8 +2 +1 0 - pKa2 = [8,7 – 10,3] pKa3 = [3,9 – 12,5] pH = 2,8 2,8 = 1,8 + log = 1 10 2,8^ = 2
El grupo amino NH3 al estar protonado atrae hacia si los electrones del grupo carboxilo COO- favoreciendo su desprotonación. Por lo que la forma predominante al calcular el punto isoeléctrico es la forma Zwitterión a pH neutro.
pH (1) Carga + Protonizado. pH (2) Carga 0 Con carga + en un grupo y carga – en otro grupo. pH (3) Carga - Desprotonizado.
En el ejemplo del Glutamato las cadenas o grupos laterales son siempre susceptibles de protonizarse. Con varios aminoácidos el grupo carboxilo reacciona con el grupo amino produciendo una molécula de agua y ya no son susceptibles las cadenas laterales de ganar o perder protones.
El valor del pKa puede variar con el entorno químico de la molécula:
Si comparamos los valores de p Kz de los grupos COOH y NH3 de la glicina con el de moléculas similares como el ácido acético y la metil amina podemos observar lo siguiente:
En el primer caso, el valor del p Ka del grupo carboxilo de la glicina (2,34) es mucho más bajo que el del ácido acético (4,8), lo que significa que se ioniza más fácilmente. Esto se debe a dos factores. Por un lado a que la carga positiva del grupo N H 3 del aminoácido ayuda a que se libere el protón del grupo — COOH por un efecto de repulsión de cargas. Además, la aparición de una carga negativa en la molécula tiene un efecto estabilizante ya que compensa la carga positiva del grupo amino protonado.
En el segundo caso, el valor del p KA del grupo N H3 (9,6) también es menor que el de la metilamina (10,6). En este caso se debe al efecto de atracción de los electrones por parte del oxígeno, más electronegativo, que hace que sea más fácil la pérdida del protón. Este comportamiento explica que sea muy difícil dar un valor concreto de pK z de un grupo funcional, ya que su valor puede variar dependiendo de las características de los grupos funcionales que le rodean en la molécula.
Este hecho tiene una gran importancia para explicar cómo se producen las reacciones químicas en un entorno concreto en el caso del centro activo de las enzimas.
Ionización en función del pH. Punto isoeléctrico (pI)
El estado de ionización depende del pH, y esto a su vez determina la carga neta. En el ejemplo de la Histidina:
Punto isoeléctrico (pI): es el valor de pH de la molécula (péptido) donde la carga neta es cero (forma zwitteriónica para el caso de los aminoácidos). Hay que ordenar los pKa de menor a mayor y escoger los pKa más cercanos a los de la molécula sin carga o con carga cero y se hace la media de los dos valores. Por ejemplo:
+3 +2 +1 0 -1 - pKa = 1,8 / 4,1 / 6,0 / 9,5 / 12,5 /
Punto Isoeléctrico = = 7,
Resumen del cálculo del Punto Isoeléctrico:
- Determinar los grupos ionizables del péptido y sus pKas:
- Grupo amino del primer aminoácido.
- Grupo carboxilo del último aminoácido.
- Cadenas laterales ionizables.
- Determinar la carga neta con todos los grupos protonados.
- Escribir tantos equilibrios de protonación-desprotonación como pKas (ordenados de menor a mayor), en cada uno se pierde una carga positiva o se gana una negativa.
- El pI será la media de los pKas entorno a la forma neutra.
Hidrofobicidad de los Aminoácidos:
Los aminoácidos también se pueden clasificar en función de su hidropatía ( hidrofobicidad o hidrofilicidad ). Se suele medir como la tendencia de los aminoácidos a preferir un ambiente hidrobóbico sobre un ambiente hidrofílico, es decir, su polaridad. Los aminoácidos con un valor altamente positivo se consideran hidrofóbicos, mientras que con un valor altamente negativo se consideran hidrofílicos. La hidropatía es un determinante importante en el plegamiento de las proteínas. Los aminoácidos hidrofóbicos se disponen hacia el interior y los hidrofílicos se disponen hacia el exterior.
Aminoácidos apolares Hidrofóbicos Mayor Hidropatía. Aminoácidos polares Hidrofílicos Menor Hidropatía.
Esto se demuestra porque en condiciones estándar de la Energía libre de Gibbs es positiva (∆Gº > 0), lo que quiere decir que si son apolares están en equilibrio en la membrana lipídica.
Como las proteínas están compuestas por muchos aminoácidos, están tienen tanto partes apolares como polares, porque lo que para saber su afinidad al medio acuoso se realizan perfiles de hidropatía.
