INSTITUTO SUPERIOR DE CIENCIAS MEDICAS DE LA HABANA

INTRODUCCION AL ESTUDIO DE LAS BIOMOLECULAS

Lic. Gilberto Tárano CartayaProfesor Titular de Bioquímica

Sumario

1.- Composición de la materia viva.

2.- Bioelementos y biomoléculas.

3.- Fuentes de estabilidad: enlaces e interacciones.

4.- El agua.

Objetivos

Citar los principales elementos químicos que componen la materia viva.

Destacar la importancia de las fuerzas que unen los átomos en la formación de las biomoléculas.

Mencionar las principales interacciones débiles que colaboran a la estabilidad de las biomoléculas.

Citar las propiedades del agua.

¿Tenemos algo en común?

¿Tenemos algo en común?

Composición general de la materia viva.

• Composición elemental: bioelementos.

• La combinación de los bioelementos en grupos funcionales por medio de enlaces fuertes.

• Multifuncionalidad originando a las biomoléculas.

Los invito a un análisis.

• Observemos la siguiente diapositiva.

• Construya una lista de los seis principales elementos presentes en las moléculas orgánicas: biomoléculas.

La tabla periódica.

Los seis elementos básicos para las moléculas de la vida:

¿En cuales de las biomoléculas los

encontramos?

Los seis elementos básicos para las moléculas de la vida:

¿Quién cree UD que es el más abundante en nuestro organismo?

Elemento Símbolo %

Oxígeno O 63.0

Hidrógeno H 25.2

Carbono C 9.5

Nitrógeno N 1.4

total 99.1

Menos del 1% restante de la composición de nuestro organismo se reparte en otros bioelementos…

Elemento Símbolo

Fósforo P

Azufre S

Calcio Ca

Cloro Cl

Magnesio Mg

Sodio Na

Potasio K

• Otros bioelementos forman parte de nuestro organismo pero en muy

pequeñas cantidades, se les llama oligoelementos o elementos

esenciales. Para reflejar la importancia destacaremos a dos de ellos:

•El yodo y el fluor.

Su importancia tiene que ver con la cantidad adecuada como

veremos a continuación:

• Pueden causar daño cuando en nuestra nutrición se

encuentran en exceso o en defecto.

El iodo: efectos de su deficiencia nutricional.

Bocio endémico:

Tres mujeres del Himalaya con típico bocio endémico.

Una mujer del Congo con un típico bocio endémico.

CretinismoUn adulto

masculino del Congo con tres

mujeres del mismo rango

de edad (17-20 años), todos los

cuales sufren de cretinismo

mixedematoso.

Severa enfermedad deficitaria de Iodo: Una mujer enana con cretinismo con su médico de familia. Ambas con la misma edad (35 años) del Distrito de Hetian, Xinjiang, China. (Courtesía de la Dra Ma Tai of Tianjin).

Retardo MentalUn hombre de

Ecuador de 40 años de edad, sordo-

mudo, incapaz de mantenerse parado o caminar. El uso de

las manos está fuertemente

limitado a pesar de la extrema

espasticidad de las extremidades

superiores.

Minerales: efectos de su exceso nutricional.

Fluor

Fluorosis dental por exceso de fluor antes de los 8 años de edad.

Biomoléculas.

• SIMPLES: Oxígeno molecular — O2

Nitrógeno molecular – N2

• COMPUESTAS: Orgánicas --- Glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

Inorgánicas – H2O y sales minerales

¿Cómo surgen las biomoléculas?

• Como resultado de la formación de enlaces covalentes entre los átomos.

• Mediante estos enlaces surgen los grupos funcionales que caracterizan a familias de sustancias.

• A continuación estudiaremos las agrupaciones atómicas más frecuentes encontradas en las biomoléculas.

Los grupos funcionales:

Grupo funcional Representación

Hidroxilo -OH

Carbonilo = C = O

Carboxilo - C O O H

Amino - NH2

Amida - C O NH2

Sulfhídrilo - S H

Ejemplos de multifunciones:

• Aunque el hidroxilo es característico de los alcoholes y el carbonilo de los aldehídos y de las cetonas, su presencia en un mismo átomo de carbono crea un GRUPO CARBOXILO.

• Ejemplos: los ácidos orgánicos:

Ejemplos de multifunciones:

• Si un ácido orgánico presenta un grupo amino en la posición alfa se está en presencia de un aminoácido.

Ejemplos de multifunciones:

• Una cetona polihidroxilada: la fructosa, un monosacárido.

Ejemplos de multifunciones:

• Un aldehído polihidroxilado: la glucosa, un monosacárido.

Ejemplos de multifunciones:

• Un nucleótido como biomolécula multifuncional.

Fuentes de estabilidad: enlace e interacciones.

• Estos grupos funcionales son estables en medio acuoso.

• Sus átomos están unidos por medio de enlaces covalentes y esto los hace fuertes y estables.

• Estos grupos funcionales pueden establecer interacciones entre ellos.

Enlace químico e

interaccionesno covalentes

1s 1s 2s 2p 2p 2p

1s 2s 2p 2p 2p

1s 2s 2p 2p 2p

1s 2s 2p 2p 2p

H C

N

O

F

Ne1s 2s 2p 2p 2p

Estructura electrónica de algunos elementos

Enlaces covalentes

1. Compartición de electrones en orbitales moleculares2. Estado sólido, líquido y gaseoso3. Fuertes (>50 kcal/mol)4. Tantos como orbitales con electrones desapareados5. Determinan la estabilidad de la biomolécula.

1s 2s 2p 2p 2p

C

C1s sp3 sp3 sp3 sp3

Hibridación de orbitales

C

1s sp2 sp2 sp2 2p

C1s sp sp 2p 2p

Sin hibridación

sp3: tetraedro

sp2: triángulo

sp: lineal

H2C CH2

H3C CH3

HC CH

H-H 103H-Cl 102HO-H 119H2N-H 107H3C-H 102

Energía de enlaces covalentes, kcal/mol

• Fuerzas de van der Waals.

• Puentes de hidrógeno.

• Interacciones iónicas o salinas.

• Interacciones hidrofóbicas.

Interacciones débiles:

Fuerzas de van der Waals

- Son interacciones muy débiles.- En el medio biológico tienen importancia en ausencia de agua.-Rotas por detergentes.-Se establecen entre núcleos de átomos y los electrones de otros.

Puentes de hidrógeno

- Compartición de un protón entre dos pares electrónicos

- Dador: Grupo X-H - Aceptor: Grupo Y: con un par electrónico-Débil (mucho más fuerte que las interacciones de van der Waals)

N H :O

H

O H :O

N H :N

H

O H :N

Algunos puentes de hidrógeno

Algunos puentes de hidrógeno

El agua.

ADN

Estructuramantenida porpuentes de H

N

NN

N N H

H

O

N

N

O

R

R

CH3

H

Par Adenina-Timina

N

NN

N

R

N H

H

O

N

NHO

H

R

H

Par Guanina-Citosina

Proteínas:Estructura en -hélice

C

O

H

NC

O

N

H

C

C

C

C

Interacciones iónicas o salinas

- Entre grupos de carga opuesta en solución- Débiles (más fuertes que int. de van der Waals)- Los iones participantes aparecen solvatados.- Rotas por altas concentraciones salinas, por pH extremos.

Nucleosoma:

AsociaciónADN-histonas

Interacciones hidrofóbicas:

• Sumamente frecuentes en los ácidos nucleicos y las proteínas.

• Esenciales para la morfoestructuración de las membranas biológicas.

• Se establece entre los residuos de las biomoléculas que tienen características apolares.

Interacciones hidrofóbicas:

El agua

• Las biomoléculas existen en un ambiente acuoso.• Participa de muchas reacciones químicas de la

célula. • Determinar muchas propiedades biológicas de las

macromoléculas. • Propiedades extraordinarias para apoyar la vida.• La molécula está altamente polarizada. • La temperatura de fusión y de ebullición son

inusuales en compuestos semejantes. • Considerada un solvente casi universal. • Medio de intercambio de sustancias para la célula.

Resumen:

• La seres vivos estamos formados por los mismos átomos de C, H, O, N, P y S. Estos por medio de los enlaces covalentes se integran formando las biomoléculas como los lípidos, los glúcidos, las proteínas y los ácidos nucleicos, donde para estas dos últimas el papel de las interacciones débiles es esencial para poder efectuar sus funciones.

Actividades a desarrollar en relación con esta introducción.

• Clase Taller No. 1: Ácidos grasos y monosacáridos.

• Clase Taller No. 2: Nucleótidos y aminoácidos.

Bibliografía:

• Básica

Capítulo 2: Introducción al estudio de las biomoléculas. Texto Provisional de Morfofisiología I. Colectivo de autores del ICBP Victoria de Girón.

• Complementaria

Bioquímica, Cardellá-Hernández.