La biofisicoquímica La biofisicoquímica o cómo es que la física, la química y la biología se o cómo es que la física, la química y la biología se

comunican para enriquecer el conocimiento científicocomunican para enriquecer el conocimiento científico

Dr Raúl Alva GarcíaDr Raúl Alva García

BiofisicoquímicoBiofisicoquímico

alva@xanum.uam.mx alva@xanum.uam.mx

http://investigacion.izt.uam.mx/alva/http://investigacion.izt.uam.mx/alva/

Universidad Autónoma MetropolitanaUniversidad Autónoma Metropolitana

Unidad IztapalapaUnidad Iztapalapa 13 de octubre de 201113 de octubre de 2011

XXI Semana de Biología ExperimentalXXI Semana de Biología Experimental

Parteaguas de la BiologíaParteaguas de la Biología

Charles DarwinCharles Darwin

Gregor MendelGregor Mendel

““Imposible” sintetizarImposible” sintetizar

Friedrich Wöhler virtió cianato de plata Wöhler virtió cianato de plata en cloruro de amonio; filtró el cloruro de en cloruro de amonio; filtró el cloruro de plata y evaporó el cianato de amonio; plata y evaporó el cianato de amonio; esperaba cristales de sal pero halló esperaba cristales de sal pero halló otros con la misma composición de la otros con la misma composición de la ureaurea

Dedicó el resto de su vida a la química Dedicó el resto de su vida a la química inorgánicainorgánica

¿Qué es la vida?¿Qué es la vida?

UbUbicación:icación:c1992. / QH331 S3.7c1992. / QH331 S3.7

EnergíaEnergía

E = 1/2 mvE = 1/2 mv22

E = E = h h νν

E = m cE = m c22

Transformación de Transformación de energía biológicaenergía biológica

puede ser explicada por puede ser explicada por

medio de las leyes de la medio de las leyes de la

química, ya que son química, ya que son

evidentes las evidentes las

transformaciones transformaciones

químicas de la materia químicas de la materia

biológicabiológica

GlucolisisGlucolisis

CC66HH1212OO66 + ADP -> CH + ADP -> CH33COCOCOCO

22−− + H + H++ + ATP + ATP

The Mechanism of Oxidative PhosphorylationThe Mechanism of Oxidative Phosphorylation

Despite intensive Despite intensive investigations in many investigations in many laboratories over the past laboratories over the past quarter century we still lack a quarter century we still lack a detailed molecular picture of detailed molecular picture of the mechanism by which the the mechanism by which the oxidoreduction energy of oxidoreduction energy of electron transport is electron transport is converted into the phosphate-converted into the phosphate-bond energy of ATP. Three bond energy of ATP. Three hypotheses have gained wide hypotheses have gained wide attentionattention…*…*

*Lehninger, AL. *Lehninger, AL. 19751975. . BiochemistryBiochemistry. . 22ndnd ed. Worth Publ. Inc., NY. p 524. ed. Worth Publ. Inc., NY. p 524.

Hipótesis Quimiosmótica 1961Hipótesis Quimiosmótica 1961

"In the exact sciences, cause and effect are no more than "In the exact sciences, cause and effect are no more than events linked in sequence. . . if the processes that we call events linked in sequence. . . if the processes that we call metabolism and transport represent events in a sequence, not metabolism and transport represent events in a sequence, not only can metabolism be the cause of transport, but also only can metabolism be the cause of transport, but also transport can be the cause of metabolism"transport can be the cause of metabolism"

Peter Mitchell, Peter Mitchell, NatureNature, 1961, 1961

Berton Pressman y Sergio Estrada descubrieron los Berton Pressman y Sergio Estrada descubrieron los ionóforos peptídicos y carboxílicos que demostraron ionóforos peptídicos y carboxílicos que demostraron que la translocación iónica en organelos energéticos que la translocación iónica en organelos energéticos es electroforética y define la anisotropía de las es electroforética y define la anisotropía de las membranas biológicas. Los estudios en mitocondrias, membranas biológicas. Los estudios en mitocondrias, cloroplastos, bacterias quimiótrofascloroplastos, bacterias quimiótrofasy fotótrofas, demostraron que ely fotótrofas, demostraron que elpotencial de membrana es la fuerza motriz que potencial de membrana es la fuerza motriz que impulsa a la síntesis biológica de ATP y que realiza la impulsa a la síntesis biológica de ATP y que realiza la translocación de iones necesaria para el metabolismotranslocación de iones necesaria para el metabolismo

Confirmada por ionóforosConfirmada por ionóforos

... el problema central ... el problema central

de la fosforilación de la fosforilación

acoplada a la oxidación y acoplada a la oxidación y

el transporte de iones el transporte de iones

[...] había sido, al fin, [...] había sido, al fin,

resueltoresuelto

Efraim RackerEfraim Racker

Con la Teoría Quimiosmótica...Con la Teoría Quimiosmótica...

The Nobel Prize in Chemistry 1978The Nobel Prize in Chemistry 1978Peter MitchellPeter Mitchell

"for his contribution to the "for his contribution to the understanding of biological energy understanding of biological energy transfer through the formulation of transfer through the formulation of

the chemiosmotic theory"the chemiosmotic theory"

Estructura de proteínasEstructura de proteínas

Estructura del ADNEstructura del ADN

La biofisicoquímica La biofisicoquímica emplea técnicas emplea técnicas usadas en física y usadas en física y química para estudiar química para estudiar la estructura de la estructura de sistemas biológicos. sistemas biológicos. Se incluyen métodos Se incluyen métodos espectroscópicos espectroscópicos como rayos X y NMRcomo rayos X y NMR

SupraestruSupraestructuras biológicascturas biológicas

Por ejemplo, el Por ejemplo, el Premio Nobel de 2009 Premio Nobel de 2009 se entregó a tresse entregó a tres

químicos por el estudio químicos por el estudio de la superestructura de la superestructura de los ribosomas por de los ribosomas por difracción de rayos xdifracción de rayos x

El más antiguo instituto de biofisicoquímica es el Max El más antiguo instituto de biofisicoquímica es el Max Planck Institute para Biofisicoquímica en Göttingen Planck Institute para Biofisicoquímica en Göttingen creado en 1971 con la fusión del Institute for Physical creado en 1971 con la fusión del Institute for Physical Chemistry, fundado en 1949, y el Institute for Chemistry, fundado en 1949, y el Institute for Spectroscopy; fue de los primeros en aplicar métodos Spectroscopy; fue de los primeros en aplicar métodos fisicoquímicos en estudios biológicos y en diferentes fisicoquímicos en estudios biológicos y en diferentes campos de las ciencias naturales, como cinética rápida campos de las ciencias naturales, como cinética rápida de reacción, aplicación de técnicas de registro canales de reacción, aplicación de técnicas de registro canales iónicos, etciónicos, etc

Instituto Max Planck de BiofisicoquímicaInstituto Max Planck de Biofisicoquímica

Biofisicoquímica: publicacionesBiofisicoquímica: publicaciones

Yale Biophysical ChemistsYale Biophysical Chemists

Flexibilidad iónica-estructuralFlexibilidad iónica-estructural

La llave ya no abreLa llave ya no abre

La función de las osmoenzimas depende de su La función de las osmoenzimas depende de su flexibilidad estructural y su variable afinidad flexibilidad estructural y su variable afinidad iónica regulada por factores fisicoquímicos iónica regulada por factores fisicoquímicos intrínsecos y ambientales, así como una intrínsecos y ambientales, así como una manopla de baseball puede tomar pelotas de manopla de baseball puede tomar pelotas de distinto tamaño...distinto tamaño...

La fisicoquímica de las osmoenzimasLa fisicoquímica de las osmoenzimas

JJii = f(pH = f(pHambamb, pK, pKaa, a, aii, , aeaeii, , EE°°ii, r, rii, q, qii, [A], [A]mm, F, FAA, , µµAA, K, Kss, Cp, CpLL, D, DLL, , µµmm, K, Kdd))

regula la translocación iónica catalizadaregula la translocación iónica catalizada

Antiporters NaAntiporters Na++/H/H++

¿Cómo funcionan los antiporters?¿Cómo funcionan los antiporters?

Alineado de secuencias de NHE...Alineado de secuencias de NHE...

muestra divergencia evolutivamuestra divergencia evolutiva

El enfoque puede El enfoque puede partir desde la partir desde la física, la química física, la química o la biologíao la biología

En este caso En este caso parte de los parte de los mecanismos de mecanismos de evolución evolución biológicabiológica

Ésta y la Ésta y la convergencia evolutiva...convergencia evolutiva...

...dependen de la estructura-función...dependen de la estructura-función

En toda la escala filogenéticaEn toda la escala filogenética

es la revisión del mayor número de antiporters es la revisión del mayor número de antiporters NHE proteicos existentes en la literatura NHE proteicos existentes en la literatura (http://www.nih.nlm.ncbi.gov); alineamiento y (http://www.nih.nlm.ncbi.gov); alineamiento y búsqueda de homologías químicas y analogías búsqueda de homologías químicas y analogías fisicoquímicas de residuos, lo que sugerirá vías fisicoquímicas de residuos, lo que sugerirá vías evolutivas divergentes o convergentes que evolutivas divergentes o convergentes que cumplan la relación estructura-actividad.cumplan la relación estructura-actividad.

El criterio que orienta esta hipótesis es el El criterio que orienta esta hipótesis es el principio de Occam.principio de Occam.

Biofisicoquímica en la UAMBiofisicoquímica en la UAM

La flexibilidad iónica-estructural de los La flexibilidad iónica-estructural de los poliéteres corona son fundamento poliéteres corona son fundamento

para la nanociencia y la para la nanociencia y la nanotecnologíananotecnología

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Microestructuras biomiméticasMicroestructuras biomiméticas

Biomimetic Microstructure Formation of Biomimetic Microstructure Formation of

High Performance Silk Films and FibersHigh Performance Silk Films and Fibers

Award Amount: $99,981.00 (FY 2001)Award Amount: $99,981.00 (FY 2001) The complex biological processing and spinning operations used by the The complex biological processing and spinning operations used by the silkworm and spider to create silk fibers lead to a morphology that yields silkworm and spider to create silk fibers lead to a morphology that yields exceptionally high combinations of strength, stiffness, and extensibilityexceptionally high combinations of strength, stiffness, and extensibility

TThe material is likely well suited for highly optimized large space structures he material is likely well suited for highly optimized large space structures such as solar sails or space telescopes. Foster-Miller is currently working on such as solar sails or space telescopes. Foster-Miller is currently working on large deployable structures for the Air Force and NASAlarge deployable structures for the Air Force and NASA

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De la fisiología vegetal al origen de la vidaDe la fisiología vegetal al origen de la vida

By the year 2000, I started to pay more attention to fundamental By the year 2000, I started to pay more attention to fundamental questions related to the origin of life... However, in at least one questions related to the origin of life... However, in at least one way, the study of membranes composed of prebiotic building way, the study of membranes composed of prebiotic building blocks such as fatty acids was perfect for me, since this field blocks such as fatty acids was perfect for me, since this field was filled with important yet technically addressable questionswas filled with important yet technically addressable questions

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Depto Ciencias de la SaludDepto Ciencias de la SaludUniversidad Autónoma MetropolitanaUniversidad Autónoma MetropolitanaUnidad IztapalapaUnidad Iztapalapa