Biologia molecular

BIOLOGIA MOLECULAR

PROTEÍNAS

Aminoácidos

Las proteínas son polímeros de aminoácidos, en los que cada residuo

aminoácido esta unido al siguiente a través de un tipo de enlace

covalente.

Las proteínas se pueden degradar hasta sus aminoácidos

constituyentes mediante diversos métodos y los estudios iniciales

sobre las proteínas se centraron naturalmente, en los aminoácidos

libres procedentes de las mismas.

Aminoácidos

Los 20 aminoácidos estándar encontrados

en las proteínas son L-alfa-aminoácidos.

Aminoácidos

AminoácidosClasificación de los aminoácidos según su tipo R.

pKa es la fuerza que tienen las moléculas

de disociarse

AminoácidosClasificación de los aminoácidos según su tipo R.

Péptidos y Proteínas

Los péptidos que se encuentran en la naturaleza varían en tamaño desde

pequeñas moléculas que contienen dos o tres aminoácidos hasta moléculas

muy grandes que contienen miles do ellos. Aquí nos centraremos en las

propiedades químicas fundamentales de estos polímeros.


Existen peptídicos y polipeptídicos biológicamente activos de una gran variedad

de tamaños

Algo mayores son los polipeptidos pequeños y oligopeptidos tales como la hormona

pancreática insulina, que contiene dos cadenas polipeptídicas, una de ellas con 30

residuos aminoacidos y la otra con 21. El glucagon, otra hormona pancreática que se

opone a la acción de la insulina, tiene 29 residuos. La corticotropina es una hormona

de 39 residuos de la hipofisis anterior y estimula la corteza adrenal.


EXISTEN VARIOS NIVELES DE ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

Para macromoléculas grandes tales como las proteinas, la tarea de describir y

comprender la estructura se aborda a varios niveles de complejidad, ordenados

en una especie de jerarquía conceptual.

La estructura primaria es una descripción de todos los enlaces covalentes

(principal-mente enlaces peptidicos y puentes disulfuro) que unen los residuos

aminoácidos de una cadena polipeptidica. El elemento mas importante de la

estructura primaria es la secuencia de los residuos aminoácidos.

La estructura secundaria se refiere a disposiciones particularmente

estables de los aminoácidos que dan lugar a patrones estructurales repetitivos.

La estructura terciaria describe todos los aspectos del plegamiento

tridimensional de un polipéptido. Cuando una proteina posee dos o mas

subunidades polipeptídicas, su disposición en el espacio se denomina

estructura cuaternaria.

Resumen de Péptidos y Proteínas

• Los aminoácidos pueden unirse covalentemente mediante enlaces

peptídicos para forma péptidos y proteínas. Las células contienen

generalmente miles de proteínas diferentes, cada una de ellas con

una actividad biológica distinta.

• Las proteínas pueden ser cadenas polipeptiídicas muy largas de

100 a varios miles de residuos aminoácidos. Sin embargo, algunos

péptidos naturales tienen solo unos pocos aminoácidos. Algunas

proteínas están compuestas por varias cadenas polipeptidicas

asociadas de forma no covalente que reciben el nombre de

subunidades. Las proteínas simples generan tan solo aminoácidos

después de la hidrolisis; las proteínas conjugadas contienen algún

otro componente adicional, como por ejemplo un grupo metálico u

orgánico.

• La secuencia de aminoácidos de una proteína es una característica

propia de esa proteína que se denomina estructura promana. Este

es uno de los cuatro niveles con que generalmente se describe la

estructura de las proteínas.

GLUSIDOS

CarbohidratosLos carbohidratos son los compuestos más abundantes en la corteza terrestre. Por

fotosíntesis el anhídrido carbónico y agua son convertidos en celulosa y otros

productos vegetales. La oxidación de los carbohidratos (azúcar y almidón) es la fuente

principal de energía en las células no fotosintéticas. Forman parte de la pared celular

de bacterias, plantas y tejido conectivo de animales. Otros participan en adhesión y

reconocimiento celular, como glucoconjugados a lípidos y proteínas intervienen en

localización intracelular o destino metabólico.

Configuración universal de las

moléculas

Hay tres clases principales de

carbohidratos, los monosacáridos o

azúcares simples consisten de una

simple unidad; oligosacáridos,

polímeros cortos de estas subunidades

(los más comunes son los disacáridos,

por ej. la sacarosa dos unidades de

seis C : glucosa y fructosa, los de más

de tres no se encuentran libres en la

naturaleza sino formando

glicoconjugados) y los polisacáridos

que son polímeros lineales o

ramificados de más de 20 unidades

alcanzando cientos o miles de unidades

polimerizadas, ejemplos de ellos

incluyen glucógeno, celulosa.

Carbohidratos

Los monosacáridos como

todos los carbohidratos tienen

formula global (CH2O)n. Son

aldehidos (aldosas) o

cetonas (cetosas) con dos o

más grupo hidroxilos y

muchos centros quirales.

Son sólidos cristalinos

solubles en agua e insolubles

en solventes no polares.

Se nombran en función de su

largo y el grupo funcional.

CarbohidratosLos monosacáridos se pueden dividir en dos grupos en función de la quiralidad del C

más alejado del grupo funcional carbonilo y se nombran como en el gliceraldehido

Carbohidratos

Cetosas

Carbohidratos DISACÁRIDOS

son polimerizaciones de dos monosacáridos por un

enlace O-glicosídico por reacción de un hidroxilo con el

C anomérico de otro. Esta reacción consiste en la

formación de un acetal y se llama glucósido.

Carbohidratos

La mayor parte de los

carbohidratos se encuentran

como polisacáridos, también

llamados glicanos que difieren

en la identidad de sus unidades,

del tipo de enlaces y del grado

de ramificación. Los

homopolisacaridos sirven como

almacenamiento de energía

almidón y glucógeno otros sirven

como elementos estructurales

celulosa y quitina

Lípidos

Lípidos

Los lípidos son un grupo diverso de compuestos que se agrupan por su

capacidad de ser insolubles en agua. Su funcionalidad es tan diversa como la

química.

Las grasas y los aceites son una forma universal de almacenamiento de energía

y son derivados de los ácidos grasos, que son cadenas de hicrocarburos (de 4 a

36 con o sin dobles enlaces), que por oxidación dan anhídrido carbónico y agua

en procesos altamente exergónicos, y

contienen un grupo carboxílico.

LípidosLa región hidrocarburo da la

insolubilidad en agua que es mayor

cuanto más larga sea la cadena. A

temperatura ambiente los ácidos

grasos saturados de 12 a 24 tienen

consistencia cerosa, mientras que los

que contiene dobles enlaces son

aceites ya que no se pueden

empaquetar tan compactamente.

Los dobles enlaces se oxidan y

producen aldehídos y ácidos mas

cortos que dan gusto rancio, la

hidrogenación de los dobles enlaces

para dar simples previene ese efecto;

sin embargo produce cambios

estereoquímicos llevando los dobles

enlaces cis a trans que afectan el

equilibrio interno de lípidos (aumentan

el LDL y bajan el HDL).

Lípidos

Los triacilgliceroles son los lípidos más

sencillos que forman los ácidos grasos y

tienen el rol de almacenamiento

energético. En algunos animales los

triacilgliceroles acumulados debajo de la

piel sirven también como aislantes

térmicos (pinguinos).

Lípidos (bases químicas)

Otro grupo de lipidos estructurales son los

esteroles. Núcleo esteroideo de cuatro

anillos fusionados, plano y rígido.

El colesterol es el más conocido tiene un rol

estructural pero también de precursor de una

variedad de moléculas con múltiples

funciones como vitaminas, hormonas y

ácidos biliares, señales biológicas y

transportadores o pigmentos.

Las bacterias no pueden sintetizar colesterol.

Membrana Biológicas

Las proporciones relativas de los diferentes lípidos en las membranas biológicas

varía. Su composición está claramente regulada, no siempre se sabe cual es el

significado biológico de la composición. Por ej. Colesterol cardiolipina en membrana

plasmática y membrana mitocondrial.

Los lípidos menores, que

incluyen fosfatidilserina,

fosfatidilinositol y

fosfatidilglicerol, están

involucrados en

transducción de señales

y su contenido en las

diferentes membranas es

relativamente constante.

Nucleótidos y Ácidos Nucleicos


Los nucleótidos tiene una variedad de roles en el

metabolismo celular. Son moneda energética (ATP),

mensajeros secundarios a señales hormonales y otros

estímulos extracelulares, componentes estructurales de

cofactores en el metabolismo y constituyentes de las

macromóleculas de la información genética. La estructura

de cada proteína y en forma subsiguiente de todo

componente celular viene definida por la información

contenida en el ADN y su expresión. La habilidad para

mantener y reproducir esa información de generación en

generación es una condición fundamental de los organismos

vivos.


• Organización molecular de la

célula


La secuencia aminoacídica de las proteínas y la secuencia de

nucleótidos de cada ARN está especificada en el ADN de la

célula.

¿Qué es un gen?

El segmento de ADN que tiene la

información necesaria para la

síntesis de un producto biológico

(proteína o ARN). Veremos más

adelante limitaciones y alcances

de esta definición.


ADN almacenamiento y transmisión de

la información génica.

1940- O. Avery, C. MacLeod, M.

McCarty

DNA es la molécula responsable de

transmitir la capacidad de virulencia en

Streptococcus pneumoniae.

1952- A. Hershey , M. Chase

DNA es la molécula responsable de

transmitir información en virus de

bacterias.


El ARN tiene funciones más

amplias y se puede clasificar en

clases: ARNr, ARNm, ARNt.

Además de estos tres grupos

clásicos, se han caracterizado

una amplia variedad de otros

ARN con funciones específicas

mayoritariamente regulatorios.


Los nucleótidos tienen tres componentes

característicos.

La molécula sin el fosfato se llama

nucleósido.


Las bases, purinas y pirimidinas, son heterociclos con

dobles enlaces conjugados, aromáticas,

Los electrones se encuentran deslocalizados

generando un carácter de doble enlace en todos los

carbonos. Las pirimidinas son planares y las purinas

casi planares. Las pirimidinas y purinas libres son

bases débiles. Esencialmente hidrofóbicas, insolubles

en agua a pH neutro.

Los grupos funcionales: carbonilo, amino y nitrógeno

cíclico.

A, C, G y T en el ADN y A, C, G y U en el ARN.


La base está unida covalentemente al

azucar por el N 1 de las pirimidinas y el

9 de las purinas mediante un enlace

beta glucosídico al C1 de la ribosa.

monomeros


Las uniones para formar ácidos nucleicos

son covalentes, por enlaces fosfodiester

entre 5´y 3´, y constituyen el esqueleto

macromolecular que es de carácter

hidrofílico, grupos hidroxilo de los azúcares

y grupos fosfato. En pH 7 los fosfatos

están completamente ionizados.

Dirección 5´ fosfato a 3´OH.

Oligonucleótidos polímeros de menos de

50 nucleótidos, sino polinucleótidos.

Estructura primaria: secuencia de

nucleótidos unidos por enlaces covalentes.

Estructura secundaria: estructura estable

tomada por una región de nucleótidos

polimerizados

Estructura terciaria: plegamiento de

estructuras secundarias


Antecedentes Estructura del ADN

1940- E. Chargaff et al.

•La composición de bases varía de una especie a

otra.

• El ADN aislado de diferentes tejidos de la misma

especie tiene la misma composición.

•La composición de bases no cambia con la edad, el

estado nutricional o el ambiente.

•Independientemente de la especie el contenido de

bases cumple A=T y G=C y por lo tanto A+G=C+T


Antecedentes Estructura del ADN

1950- R. Franklin, M Wilkins

Perfil de difracción de rayos X del fibras de ADN permite deducir una

estructura helicoidal


En 1953 Watson y Crick propusieron la

estructura secundaria del ADN como una hélice

derecha formada por dos hebras.

¿Qué se entiende por hélice derecha?

Con el esqueleto fosfo hidrocarbonado hacia el

exterior y las bases hacia el interior.

En el ADN la furanosa se encuentra como

2´endo

Se caracteriza por la presencia de dos

surco diferentes uno mayor y otro menor.

En las condiciones que se analizaron,

cristales, el paso de rosca es de 10 bases,

mientras que posteriormente se determinó

que en solución es 10.4


La doble hebra del ADN es antiparalela y está estabilizada por interacciones interhebra de tipo

hidrofóbicos entre las bases y puentes de hidrógeno involucrando los grupos funcionales:

carbonilo, amino y nitrógeno cíclico.

El ARN es una simple hebra, sin embargo, este tipo de interacciones también están presentes

pero en este caso dentro de la misma hebra: intrahebra.

Noten que se forman dos puentes de

hidrógeno entre las bases A y T y tres

entre G y C. Esta diferencia resulta

importante en la caracterización de

propiedades físicas.

Noten que las hebras no son iguales

sino complementarias cumpliendo las

reglas de Chargaff. La

complementariedad es atribuida a las

interacciones por puentes de

hidrógeno. Las interacciones

hidrofobicas que no son especificas

con respecto a la naturaleza de las

bases es la contribución mas

importante para la estabilidad del ADN.


Variantes estructurales bien

caracterizadas. A en condiciones de

deshidratación, más compacto más bases

por vuelta de hélice. La forma Z es un

cambio más impresionante, es una hélice

izquierda que alcanzan algunas regiones

en el ADN de composición particular CG.

Es considerada una forma no usual.


Otra forma no usual son los

palíndromes, compuestos por

repetidos inversos. Al ser

complementarias pueden formar

hélices intrahebra formando

estructuras cruciformes,

horquillas (hairpins)


El ADN también forma codos debido a la

naturaleza intrínseca de la secuencia o por

interacciones con otros factores

Secuencia particulares de base, pueden

cambiar los angulos de asociados a los

pasos de rosca, en la estructura de

watsson y crick un paso de rosca esta

formado por 10, 4 pares de bases que

formar todo una vuelta de rosca.


Inclinación

con respecto al

esqueleto azucar-

fosfatoInclinación

con respecto al

eje de la hélice

Rotación

en el ángulo entre

pares de bases

apiladas

La naturaleza de las bases define

parámetros estructurales específicos.

La forma B es un promedio de las

contribuciones al azar, sin embargo

tramos continuos de una base pueden

agudizar deformaciones particulares.


Codos formados por la naturaleza

intrínseca de la secuencia o por

interacciones con otros factores


Región ricas en purinas y otra rica en

piramidinas. Una hebra invade una cadena de

doble hebra y otra hebra disociada.

Las interacciones de Hoogsteen son

responsables de la formación de triples hélices.

Esta estructura es más estable a bajos pH

porque requiere de la protonación de la Citosina.

Las triples hélices se forman espontáneamente

en secuencias polipu.polypi.


También existe la posibilidad de formación de

estructuras de cuatro hélices en tramos de poli

G, las hebras de las que proviene estas bases

pueden ordenarse diferentes direcciones.


Si el ADN plasmídico conforma la

estructura B con 10.4 pb por vuelta de

hélice, se encuentra relajado.

El ADN purificado está superenrollado, y

cada tipo celular tiene un grado de

superenrollamiento característico. En

general se encuentra superenrollado

negativamente.

Cada célula modifica activamente el

estado de superenrollamiento del ADN con

la ayuda de enzimas como forma de hacer

posible procesos metabolicos que implican

separación de hebras.

El estado de superenrollamiento puede ser

mantenido solo si se trata de una molécula

circular o cerrada topológicamente. Un

corte en una hebra permitiría la libre

rotación y por lo tanto desenrollaría las

supervueltas levando al estado relajado.


El linking number es una propiedad topológica que mide el número de veces que

una hebra cruza a la otra, es siempre un numero entero. Si los cruces dan lugar a

una hélice derecha son positivos y si es izquierda son negativos. El cambio en el

numero de linking puede ser modificado por enzimas que cortan los enlaces

fosfodiester rotan la molécula y vuelven a cerrar (topoisomerasas) y las

moléculas de la misma composición que varían sólo en el número de linking se

conocen como topoisómeros.


¿Qué pasa a nivel estructural con el ARN?

El ARN como candidato lógico para la función de intermediario de la información

genética surge en 1950 al haberse determinado su presencia tanto en el núcleo

como en el citoplasma y la proporcionalidad de contenido de ARNm y proteína.

En 1961 Jacob y Monod propusieron el nombre de mensajero para el ARN que

tiene la información del ADN y provee el molde para que se produzcan las

proteínas.


Los ARNm tienen tamaños definidos, el mínimo es lo necesario

para servir de molde para la producción del polipéptido que

codifican pero en general son más largos e incluyen regiones

que intervienen en la regulación. En bacterias pueden ser

mono o policistrónico (cistrón refiere a gen), en eucariotas

suelen ser monocistrónicos.


Los ARN de transferencia : son

adaptadores en la síntesis proteica, tienen

covalentemente unido un aminoácido en

uno de los extremos y se posicionan frente

al mensajero de tal forma que permiten la

polimerización de los aminoácidos cargados

por dos ARNt vecinos. El posicinamiento

viene regulado por reconocimiento

específico entre las bases por puentes de

hidrógeno y siguiendo esencialmente las

reglas de complementariedad

antemencionadas.

Los ribosomas son un complejo

supramolecular que hace posible las

interacciones que permiten la rotura y

formación de enlaces en un proceso

preciso. Los ribosomas están formados por

ARN ribosomal (Figura ARN ribosomal 16

S de E. coli)y proteínas.


Hay muchas otras funciones para las

moleculas del ARN, entre ellas la de

ribozimas (Figura b), o sea catalizadores

de reacciones biológicas, así como otras

funciones regulatorias.

La síntesis de ARN a partir de ADN recibe

el nombre de transcripción. El producto

de la transcripción es siempre simple

hebra


La síntesis de ARN a partir de ADN recibe el

nombre de transcripción. El producto de la

transcripción es siempre simple hebra que tiende

a formar una hélice derecha. Cualquier región de

ARN que resulte complementaria puede formar

doble hélices. En este caso tendremos la

formación de puentes de hidrógeno con U y no

con T.

Además otras interacciones por puentes de

hidrogeno diferentes a los de Watson y Crick

también son posibles en el ARN.


Las reglas que definen la

estructura secundaria son

termodinámicas y permiten

predecir la estabilidad de

diferentes estructuras.


Si bien es posible predecir la

estructura secundaria, esta debe ser

tomada sólo como una indicación in

silico.

La presencia de otros componentes

a nivel celular puede influir

significativamente modificando los

resultados in vivo.

El estudio de la estructura del ARN y

las relaciones entre estructura y

función es un campo de desarrollo

reciente y la importancia creciente

debido al amplio numero de

funciones que estas moléculas

cumplen

BIBLIOGRAFIA

• Lehninger Principles of Biochemistry

Nelson & Cox, 5ed, 2007

• Molecular Biology of the Cell

Alberts et al., 5 ed, 2007

• http://www.news-medical.net/health/Gene-History-(Spanish).aspx

• BIOLOGIA MOLECULAR

http://www.authorstream.com/Presentation/jrcedenom-218485-Unidad-

14-Biolog-a-Molecular-Contenido-Program-tico-Parte-1-Generalidades-

biolo-Education-ppt-powerpoint/

• BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR: Lodis, Berk, Matsudaira, Kaiser,

Krieger, Scott, Zipursky y Darnell

• Maestria en Bioquimica y Biologia Molecular

<http://www.pedeciba.edu.uy/bioinformatica/bybm/>

http://www.news-medical.net/health/Gene-History-(Spanish).aspx










http://www.authorstream.com/Presentation/jrcedenom-218485-Unidad-14-Biolog-a-Molecular-Contenido-Program-tico-Parte-1-Generalidades-biolo-Education-ppt-powerpoint/



































http://www.pedeciba.edu.uy/bioinformatica/bybm/



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