2014_Tema_1

ESTRUCTURA Y FUNCION DE

BIOMOLÉCULAS. ENZIMOLOGÍA

1. Introducción a la bioquímica.

Componentes inorgánicos y orgánicos. El

agua

2. Aminoácidos y Péptidos

3. Proteínas: estructura tridimensional.

Propiedades

4. Proteínas: Relación estructura-función

5. Enzimas

6. Glúcidos

7. Lípidos

8. Nucleótidos y ácidos nucleicos

9. Vías de transmisión de señales

Tema 1.

Introducción.

Componentes

inorgánicos y

orgánicos. El agua

Tema 1:Introducción a la bioquímica.

Componentes inorgánicos y orgánicos. El agua

1. Objetivos de la bioquímica

2. Fundamentos de los seres vivos

3. Bioelementos

4. El agua

4.1. Estructura y propiedades físicas: los puentes de H y otros

enlaces débiles; el agua como solvente.

4.2. Ósmosis y presión osmótica

4.3. Propiedades químicas: Producto iónico del agua; concepto de

pH y pKa; Ecuación de Henderson-Hasselbach

5. Titulación de ácidos débiles

6. Soluciones amortiguadoras

7. El agua como reactivo

1. Objetivos de la bioquímica

Felix von Hoppe-Seyler (1825-1895)

Cátedra de Química Fisiológica

Universidad de Tübingen (Alemania)

¿Qué es la bioquímica?

• “Parte de la química que estudia la composición y las

transformaciones químicas de los seres vivos”

• “Estudio de la estructura y de la función de los

compuestos químicos constituyentes de los seres

vivos”.

• “Ciencia que estudia los constituyentes químicos de

los seres vivos, sus funciones y transformaciones, así

como los procesos que controlan éstas”

• “Ciencia que explica la vida utilizando el lenguaje de la

química, estudia los procesos biológicos a nivel

molecular y estudia la naturaleza y comportamiento de

la materia viva usando técnicas química, físicas y

biológicas”

¿Cuál es el objetivo de la bioquímica?

“Estudiar la estructura, la

organización y las funciones de

los seres vivos desde un punto

de vista molecular”

La bioquímica puede dividirse en:

1. Bioquímica estructural

2. Bioquímica metabólica o

metabolismo

3. Biología molecular o genética

molecular

Desarrollo histórico de la bioquímica•WOHLER (1828): sintetizó por primera vez la urea

•FISCHER (1852-1919): utilizó la fenilhidrazina para esclarecer las estructuras de los glúcidos. Proteínas son polipéptidos

formados por aminoácidos.

•HOPPE-SEYLER (1864): cristalizó la primera proteína: la hemoglobina.

•BUCHNER (1897): fermentación alcohólica en un extracto de levaduras

•FISCHER (1894): propuso el conocido como modelo de "llave y cerradura".

•MICHAELIS y MENTEN (1913): sentaron las bases de la cinética enzimática

•SUMMER (1926): cristaliza la primera enzima (la ureasa)

•NORTHROP y KUNITZ (1930-1931): cristalizan la tripsina, quimotripsina y sus precursores inactivos.

•FISKE y SUBBAROW (1931): aíslan el ATP y la creatina del músculo

•EMBDEN y MEYERHOFF (1933): definieron el proceso glucolítico

•HANS KREBS (1937): postuló el ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del citrato

•1937-1949: Purificación de enzimas del TCA (BELITZER y TZIBAKOWA, y OCHOA). La relación entre el NADH formado en

las reacciones de deshidrogenación y su oxidación (LEHNINGER). Modelo quimiosmótico de MITCHELL.

•PAULING, COREY y BRANSON (1951): propusieron la hélice a como estructura de las a-queratinas

•WATSON y CRICK (1953):elucidaron la estructura/función de la molécula de ADN.

•OCHOA (1955): descubre la enzima polinucleótido fosforilasa en 1955.

•KORNBERG (1956): descubre la ADN polimerasa fue descubierta.

•MESSELSON y STAHL (1958): demostraron la replicación semiconservativa del ADN.

•1960s: Descubrimiento del código genético

•JACOB y MONOD (1961): regulación genética basado en el concepto de operón

•JACOB, MONOD y CHANGEAX (1961): teoría de la función y acción de las enzimas alostéricas

•BOYER, COHEN y BERG (1972 y 1973): técnicas de clonación del ADN

•SANGER y CONSON/MAXAM y GILBERT (1970s): Secuenciación del ADN

•CECH (1980s): la existencia de un ARN autocatalítico

•MULLIS (1985): desarrolló la reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

•1980s: Técnicas de mutación dirigida, modelos Knock-out

•2001: Secuenciación de genoma humano

2. Fundamentos de

los seres vivos

“Todo lo que ha resultado ser

cierto en E. coli también

debe ser verdad en los

elefantes”

Jacques Monod , 1954

“Unidad bioquímica”

Características diferenciales de los seres vivos

1. Complejidad química y organización microscópica

2. Sistemas para extraer y usar energía del entorno

3. Funciones definidas para cada componente del

organismo

4. Detectar y responder a las alteraciones del entorno

5. Capacidad de autorreplicarse y autoensamblarse

6. Capacidad de cambiar a lo largo del tiempo

(evolución)

Células

1. Procarióticas vs eucarióticas

2. Animales vs vegetales

3. Todas las células tienen:

3.1. una barrera que separa la célula de su

entorno

3.2. un interior que difiere químicamente del

entorno y que albergue la bioquímica de la

vida

Jerarquía estructural en la organización de las células

3. Bioelementos

Alrededor de 30 elementos químicos son

esenciales para los seres vivos

Bioelementos:

1. Bioelementos primarios: H, O,

C, N (99,3%)

2. Bioelementos secundarios: Ca,

P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe (0,7%)

3. Oligoelementos: Mn, I, Cu, Co,

F, Mo, Se, etc

Función de los Bioelementos:

1. Plástica o estructural: H, O, C,

N, P, S

2. Esquelética: Ca, Mg, P, F, Si

3. Energética: C, O, H, P.

4. Catalítica: Fe, Co, Cu, I

5. Osmótica y electrolítica: Na+,

K+, Cl-

Los bioelementos primarios no son los más

abundantes en la corteza terrestre

¿Por qué H,O, C y N son los bioelementos

más abundantes?

•La facilidad de formar enlaces covalentes

entre ellos.

•Esqueletos carbonados tridimensionales

(carbono tetraédrico).

•Multiplicidad de enlaces (dobles y triples).

•Pueden dar lugar a una gran variedad de

grupos funcionales, con propiedades

diferentes.

Bioelementos primarios: H, O, C, N

ELEMENTO % TOTAL % PESO SECO

Hidrógeno 63 5,7

Oxígeno 25,2 9,3

Carbono 9,5 61,7

Nitrógeno 1,4 11

Versatilidad de enlace del carbono

Distribución tetraédrica del C

Libertad de rotación de los enlaces C-C

Longitud media = 0,154 nm

Los enlaces C=C son más cortos y más rígidos

Longitud media = 0,134 nm

¿Por qué el C?

Grupos funcionales

Diferentes grupos funcionales en una única

biomolécula

Biomoléculas:

1. Inorgánicas: H2O, gases (O2,

CO2), sales inorgánicas (PO4H2-,

CO3H-, NH4

+)

2. Orgánicas: glúcidos, lípidos,

proteínas, ácidos nucleicos,

metabolitos

Jerarquía de las biomoléculas:

1. Precursores (≤ 50 Da): H2O, CO2, NH3, etc

2. Intermedios metabólicos (50-200 Da):

piruvato, OAA, citrato, etc

3. Unidades estructurales (100-300 Da):

monosacáridos, aa, nucleótidos, glicerol,

ácidos grasos, etc

4. Macromoléculas (103-106 Da): polisacáridos,

proteínas y ács nucleicos,

5. Supramacromoléculas (106-109 Da):

ribosomas, cromatina, membranas, etc

Jerarquía estructural en la organización de las células

4. El agua

4. El agua

4.1. Estructura y propiedades físicas: los

puentes de H y otros enlaces débiles; el

agua como solvente.

Propiedades físicas del agua

OTRAS PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGUA

•Densidad máxima a 4ºC (hielo, 0.92 g/ml; agua líquida a 0ºC, 1.0

g/ml)

•Elevada densidad

•Elevado punto de ebullición

•Elevado punto de fusión

•Elevada viscosidad

•Elevada tensión superficial

•Elevada constante dieléctrica

•Altos calor de evaporación y capacidad calorífica

(termorregulación)

Estructura de la molécula de agua

El núcleo del oxígeno atrae

fuertemente a los e-

Molécula de agua: 2 dipolos

Enlaces de H o puentes de H

Enlances de H en el agua líquida y en el hielo

H2O (sólido) → H2O (liquido)

DH = +5,9 kJ/mol

H2O (liquido) → H2O (gas)

DH = +44,0 kJ/mol

La rotura de los enlaces de H

requiere un aporte de calor

DG = DH - T DS

Los enlaces de H no son exclusivos del agua

Algunos enlaces de H biológicamente

importantes

Direccionalidad de los enlaces de H

El agua es un disolvente polar

El agua disuelve sales

DG = DH - T DS

El agua es un disolvente polar

DG = DH - T DS

Interacciones desfavorables entre

el agua y moléculas apolares

Compuestos anfipáticos en solución

acuosa

Efecto hidrofóbico

Hydrophobic bonds cause nonpolar

molecules to adhere to one another

Nonpolar molecules (e.g., hydrocarbons) are insoluble in water and are termed

hydrophobic

Since these molecules cannot form hydrogen bonds with water, it is energetically

favorable for such molecules to interact with other hydrophobic molecules

This force that causes hydrophobic molecules to interact is termed a hydrophobic

bond

Phospholipids are amphipathic molecules

Compuestos anfipáticos en solución

acuosa

Phospholipids spontaneously assemble via

multiple noncovalent interactions to form different

structures in aqueous solutions

van der Waals interactions are caused by

transient dipoles

When any two atoms approach each other closely, a weak nonspecific attractive

force (the van der Waals force) is created due to momentary random

fluctuations that produce a transient electric dipole

Interacciones de van der Waals

Interacciones débiles cruciales para la

estructura y función de macromoléculas

Noncovalent bonds

• Several types: hydrogen bonds, ionic bonds, van der

Waals interactions, hydrophobic bonds

• Noncovalent bonds require less energy to break than

covalent bonds

• The energy required to break noncovalent bonds is only

slightly greater than the average kinetic energy of

molecules at room temperature

• Noncovalent bonds are required for maintaining the three-

dimensional structure of many macromolecules and for

stabilizing specific associations between macromolecules

Multiple weak bonds stabilize large

molecule interactions

Multiple noncovalent bonds can confer

binding specificity

4. El agua

4.2. Ósmosis y presión osmótica

Tipos de disoluciones:

Disoluciones moleculares o “no electrolíticas”:

•El soluto no se disocia

•Nº partículas en solución = nº de moléculas de soluto

•No conducen la corriente eléctrica

•Ej: Disoluciones de glúcidos, alcoholes, urea, etc

Disoluciones iónicas o “electrolíticas”:

•El soluto se disocia en forma de iones

•Nº partículas en solución nº de moléculas de soluto

•Conducen la corriente eléctrica

•Ej: Disoluciones de sales (NaCl)

Disoluciones o dispersiones coloidales:

•El tamaño de la partícula intermedio entre dispersiones

y verdaderas disoluciones

•Ej: disoluciones de prots, polisacáridos, Acs nucleicos

Los solutos afectan a las propiedades

físicas de las disoluciones acuosas:

• Propiedades coligativas: presión de vapor, punto de

ebullición, punto de fusión (punto de congelación) y

presión osmótica

• La concentración de agua es inferior en las

disoluciones que en el agua pura: Tª de

congelación y P de vapor; Tª de ebullición

• El efecto del soluto sobre las propiedades coligativas

depende únicamente del nº de moléculas del soluto

• La ósmosis es un factor fundamental en la vida de las

células

Medida de la presión osmótica

Ecuación de van't Hoff

Ecuación de van't Hoff

P= icRT

P = RT (i1c1 + i2c2 + … + incn)

ic: osmolaridad de la disolución

i: factor de van't Hoff

c: concentración molar del soluto

La ósmosis es un factor fundamental en la vida

de las células

Estrategias para evitar la lisis osmótica:

• Plantas y bacterias: Pared celular rígida

• Protistas de agua dulce: vacuola contráctil

• Animales pluricelulares:

[Albúmina] en plasma

Bombas de iones en las células

Tipos de disoluciones:

Disoluciones moleculares o “no electrolíticas”:

•El soluto no se disocia

•Nº partículas en solución = nº de moléculas de soluto

•No conducen la corriente eléctrica

•Ej: Disoluciones de glúcidos, alcoholes, urea, etc

Disoluciones iónicas o “electrolíticas”:

•El soluto se disocia en forma de iones

•Nº partículas en solución nº de moléculas de soluto

•Conducen la corriente eléctrica

•Ej: Disoluciones de sales (NaCl)

Disoluciones o dispersiones coloidales:

•El tamaño de la partícula intermedio entre dispersiones

y verdaderas disoluciones

•Ej: disoluciones de prots, polisacáridos, Acs nucleicos

4. El agua

4.3. Propiedades químicas: Producto

iónico del agua; concepto de pH y pKa;

Ecuación de Henderson-Hasselbach

Ionización del agua

Salto de protones

El producto iónico del agua (Kw) es constante

El producto iónico del agua (Kw) es la

base de la escala de pH

5. Titulación de ácidos

débiles y soluciones

amortiguadoras

Constante de ionización o constante ácida de

disociación. pKa

Cálculo del pKa: Curvas de titulación

6. Soluciones

amortiguadoras

Solución amortiguadora o tampón

Solución amortiguadora acético-acetato

Ecuación de Henderson-Hasselbalch

• The Henderson-Hasselbalch equation relates the pH and Keq

of an acid-base system

• The pKa of any acid is equal to the pH at which half the

molecules are dissociated and half are neutral (undissociated)

• It is possible to calculate the degree of dissociation if both the

pH and the pKa are known

The Henderson-Hasselbalch equation

pH = pKa + log —[A-]

[HA]

Tampones biológicamente importantes:

Ionización de la Histidina

Tampones biológicamente importantes


Sistema tampón del fosfato


Sistema del bicarbonato


Sistema tampón del bicarbonato

6. El agua como reactivo

Participación del agua en reacciones

biológicas

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