Bioquímica (Ud 1 a Ud 6) PDF

lOMoARcPSD|47538059 TEMA 1: CONCEPTO Y ÁMBITO DE LA BIOQUÍMICA 1. CONCEPTO Y ÁMBITO DE ESTUDIO DE LA BIOQUÍMICA 1.1. Definición de Bioquímica La bioquímica es la ciencia que explica la vida utilizando el lenguaje de la química, es decir, estudia la vida a nivel molecular. Se relaciona con otras disciplinas como la biología celular, la genética, la inmunología, la microbiología, la farmacología y la fisiología. En la bioquímica se parte desde un resultado para poder saber su composición inicial, es decir, a partir de la composición de una sustancia que hemos encontrado somos capaces de conocer su función y de lo que forma parte. El objeto de esta ciencia es estudiar la composición química de los seres vivos, cómo la estructura y conformación de estas moléculas determinan su función y cómo las relaciones entre dichos materiales que constituyen la base de las estructuras celulares, los tejidos y el organismo. Todo ser vivo está constituido por las cuatro biomoléculas: glúcidos, lípidos, proteïnas y ácidos nucleicos. También está constituido por un 70% de agua, minerales y otras moléculas. La vida se constituye gracias a las reacciones químicas que ocurren en los medios, estas transformaciones son dadas gracias a la acción de las enzimas, que tienen capacidad reguladora y que actúan con los coenzimas. Estas transformaciones pueden funcionar con O2 (aeróbicas) o sin O2 (anaeróbicas). La regulación y el funcionamiento de estos procesos para la obtención de energía y nuevos materiales sirve para mantener el funcionamiento del organismo. Las bases moleculares de la conservación, transferencia y expresión de la información genética y su regulación, conjuntamente, repercuten en la fisiología de los organismos. Cuando todo este complejo entramado no funciona de manera adecuada da lugar a la aparición de enfermedades. MÉTODO CIENTÍFICO Para cubrir estos objetivos de la Bioquímica, los bioquímicos hemos tenido que aislar las numerosas moléculas que componen las células, determinar sus estructuras y analizar la forma en que funcionan. Teniendo siempre presente que es una ciencia experimental, empírica, es decir, que todo lo que estudiamos deriva de hipótesis concebidas en base a observaciones y contrarrestados por experimentos, utilizando lo que se conoce como Método Científico. 1 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 El Método Científico consiste en elaborar una hipótesis a partir de un problema, realizar un diseño experimental y diferentes técnicas y métodos que nos llevan a unas conclusiones las cuales nos presentan nuevos problemas. El diseño experimental se fundamentará en toda una serie de técnicas y métodos, que permitirán llevar a cabo la fase experimental, a partir de cual se obtendrá una serie de resultados. El principal problema de esta ciencia es que los humanos no somos capaces de apreciar directamente lo que ocurre en la célula, por lo que normalmente utilizamos métodos indirectos, de manera que en la investigación bioquímica utilizamos métodos y técnicas que nos permiten apreciar e inferir que es lo que ocurre en el interior de la célula. Ante la incapacidad de poder percibir, a través de nuestros sentidos, lo que ocurre en un ser vivo en los niveles celular y molecular, han debido desarrollarse una serie de técnicas concretas para ello. A través de una instrumentación y unas técnicas específicas, se pueden obtener toda una serie de datos que permiten discernir lo que ocurre en diferentes niveles en un ser vivo, desde niveles superiores, como son el organismo completo y los tejidos (donde aún son también válidos nuestros propios sentidos) hasta complejos niveles subcelulares y moleculares, pudiéndose llegar, incluso, a postular modelos sobre la estructura de moléculas vitales como, por ejemplo, la del ADN o la de una proteína determinada. 1.2. Ámbito de estudio de la Bioquímica El campo de la bioquímica es tan amplio como la vida misma. Donde quiera que hay vida, ocurren procesos químicos y físicos, por lo tanto, todo lo que hay en la vida se explica gracias a ella. Los bioquímicos estudian estos procesos en microorganismos, vegetales, insectos, peces, aves, mamíferos inferiores y superiores y el hombre. Además, se encuentra en todos los ámbitos de la ciencia como: MEDICINA: gracias a que los bioquímicos sabemos qué es lo que causa una patología, los médicos són capaces de ayudar a curar a los pacientes. GENÉTICA: estudia qué hay en el adn, qué nos hace distintos. FISIOLOGÍA: estudia cómo funcionamos. INMUNOLOGÍA FARMACOLOGÍA: se encarga del diseño de compuestos que actúan como medicamentos. TOXICOLOGÍA: estudia cómo funcionan las drogas. PATOLOGÍA: se encarga de describir cómo son las enfermedades, qué pasa molecularmente. NUTRICIÓN: indica qué debo comer para que mi cuerpo funcione correctamente, para tener un estado de salud óptimo. MICROBIOLOGÍA: se encarga del estudio de los microorganismos. FISIOLOGÍA VEGETAL: describe cómo funcionan las plantas (fotosíntesis). 2 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 ZOOLOGÍA: describe cómo funcionan los animales, cómo se adaptan al entorno. BOTÁNICA: estudia cómo son las plantas, qué nutrientes necesitan. El proceso viviente se explica en términos químicos y físicos, es decir en términos de materia y energía. 2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES 2.1. Atributos de los seres vivos Químicamente, los seres vivos tienen la misma composición química que los seres inanimados ya que ésta no es la que determina si estamos vivos o no, es decir, no es lo que nos diferencia de los seres inanimados. Externamente somos diferentes, pero química y físicamente somos iguales. No hay diferencias en la base química, lo único que se distingue es el adn, es decir, las diferencias suficientes para poder sobrevivir. En resumen, las bases son las mismas, luego hay que interpretar las adaptaciones. En cambio, lo que nos diferencia de los seres inanimados es que los seres vivos son estructuralmente complicados y altamente organizados; los organismos vivos no extraen, transforman y usan la energía del entorno; tienen la capacidad de autoreplicarse y autoensamblarse; y, cada uno de los organismos vivos tiene una función. La base de todo es la evolución. Las mejores moléculas són las que han logrado adaptarse mejor al entorno y sobrevivir hasta hoy en día. Respondemos a los cambios del entorno. Somos la máquina que ha encontrado la mejor manera de adaptarse al entorno y por eso hemos evolucionado tanto. Todos interaccionamos con el entorno, cogemos energía y material de él para cumplir con nuestras necesidades físicas. Los animales no somos capaces de generar energía y materia, por eso, esta ya generada por otra energía y materia. 2.2. Principios de la lógica molecular del estado vital Todos los organismos vivos poseen las mismas clases de subunidades monoméricas. La identidad de cada organismo queda preservada por la posesión de un conjunto distintivo de ácidos nucleicos y proteínas, es decir, por el ADN. Cada una de las moléculas que forman el organismo tiene un propósito y una función (o a veces más de una) específica. FUNCIONALIDAD MOLECULAR: cada una de las partes de la materia viva cumple un propósito o función específica. EXCITABILIDAD: es la capacidad de los seres vivos o de sus partes, de reaccionar frente a un estímulo del medio externo. REPRODUCCIÓN: es la capacidad de los seres vivos de producir una réplica igual de si mismos. 3 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 FUNCIONES METABÓLICAS: la capacidad de los seres vivos de extraer y transformar la energía de su entorno a partir de materias primas sencillas, para edificar y mantener sus propias e intrincadas estructuras, así como poder ejercer otras formas de trabajo útil, como la locomoción, esto se consigue mediante cuatro funciones básicas. NUTRICIÓN: es el aporte de sustancias alimentarias del exterior al interior del ser vivo. Los materiales que son asimilados para formar materia propia (anabolismo), o bien ser consumidos (catabolismo). El conjunto del catabolismo y el anabolismo constituye el metabolismo. RESPIRACIÓN: es el proceso por el que se libera la energía contenida en la materia orgánica por oxidación controlada de la misma, en el organismo de un modo análogo a la combustión, pero de una manera gradual y con un mayor aprovechamiento de la energía, para evitar que se libere toda de golpe. Esta energía es utilizada por el anabolismo, locomoción, etc. EXCRECIÓN: es la liberación de materiales degradados como resultado del catabolismo y cuya presencia en el organismo puede ser nocivo o molesto. CRECIMIENTO: es el aumento de tamaño de los seres vivos, manteniendo en todo momento su estructura. Implica fundamentalmente dos procesos: - Auxesis: aumento de volumen sin que aumente el número de células HIPERTROFIA. - Meresis: aumento del número de células pero no del volumen HIPERPLASIA El crecimiento de los tejidos está muy controlado porque tenemos la capacidad de regenerar los tejidos cuando se rompen. 2.3. Los seres vivos cumplen las leyes de la química y la física Aparentemente parece que los seres vivos contradicen la segunda ley de termodinámica, ya que evolucionan consiguiendo un mayor grado de organización. Sin embargo, al considerar el proceso global el ser vivo y su entorno, el resultado neto es un aumento de la entropía: Si está ordenado se almacena mucha energía y si está desordenado se almacena poca energía. Los seres vivos tendemos al desorden ya que gastamos mucha energía al estar contínuamente en movimiento. Mantenemos nuestro orden interno al desordenar el entorno. Somos un sistema abierto, de manera que entra materia y energía de fuera y sale materia y energía de dentro. Si entra más que sale engordamos y al revés, si sale más que entra adelgazamos. La cantidad de materia que entra tiene que ser la misma que sale al igual que la energía. Y gracias a que son sistemas estacionarios es posible la vida, porque de esta manera las reacciones que tienen lugar en un ser vivo se encuentran alejadas del equilibrio, y es el retorno a la situación de equilibrio, que nunca se alcanza, lo que permite la vida. Las reacciones químicas son aquellas que provocan la formación o destrucción de enlaces covalentes. Hay que tener en cuenta que en muchos casos están mediadas por enzimas, pero en otros no lo están. 4 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 Las reacciones o procesos físicos són aquellos que no implican la formación de enlaces covalentes. Hay dos grandes grupos de reacciones físicas que son las translocaciones y las uniones de ligando. 3. ORGANIZACIÓN CELULAR Para hablar de la organización celular primero hay que decir que la célula se encuentra compartimentada, esto quiere decir que dentro de la misma hay diferentes partes (orgánulos), las cuales llevan a cabo diferentes funciones, todas ellas relacionados gracias al citoplasma, que es un medio interno formado mayoritariamente por agua y que permite la movilidad. El agua nos da el medio idóneo para que se den las reacciones químicas y físicas. Cabe resaltar también el papel de la membrana celular, encargada de compartimentar la célula, regular el intercambio de sustancias, etc. 4. CONCEPTO GENERAL DEL METABOLISMO: ANABOLISMO Y CATABOLISMO El metabolismo es el conjunto de todas la reacciones físicas y químicas que tienen lugar en un ser vivo, teniendo en cuenta que estas reacciones tienen lugar en un determinado compartimiento de la célula y que tiene existir un control de las mismas. Gracias al metabolismo somos capaces de formar y degradar moléculas en función de nuestras necesidades corporales. Las diferentes moléculas degradadas dan moléculas comunes como el piruvato que se convierte en un Acetil-CoA que entra en el ciclo de Krebs. Todas las reacciones que se llevan a cabo són intervenidas por enzimas, de manera que se producen más rápidamente. El tamaño del conducto donde se realizan las reacciones químicas determinará la rapidez con la que se producen éstas a través de las necesidades de nuestro cuerpo. Las miles de reacciones químicas catalizadas por enzimas en el interior de las células se encuentran organizadas en muchas secuencias diferentes de reacciones consecutivas denominadas rutas o vías, en las que el producto de una reacción pasa a ser el sustrato de la siguiente. El conjunto de todas las rutas metabólicas se conoce con el nombre de red metabólica. 5 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 Hay dos tipos de vías metabólicas que són las catabólicas (participan en procesos degradativos y se libera energía) y anabólicas (participan en procesos biosintéticos, ensamblan las moléculas y se pierde energía). Algunas de estas secuencias de reacciones catalizadas por enzimas degradan nutrientes orgánicos transformándolos en productos finales simples, con el fin de extraer de ellos energía química y convertirla en una forma útil para la célula. El conjunto de estas reacciones degradativas, productoras de energía libre, se denomina en su conjunto catabolismo. Otras rutas catalizadas por enzimas parten de pequeñas moléculas precursoras convirtiéndolas en moléculas progresivamente mayores y más complejas, entre las que se incluyen las proteínas y los ácidos nucleicos; estas rutas sintéticas requieren invariablemente un aporte de energía, y en su conjunto se denominan anabolismo. La compleja red de reacciones catalizadas por enzimas constituyen el metabolismo celular. Los polímeros que ingerimos pasan del estómago donde se degradan en nutrientes que van a la sangre y són redistribuidos por todas las células donde se van a volver a ensamblar o se van a seguir degradando para ser eliminados. La moneda de transferencia de energía es el ATP, esta molécula transporta energía química entre las diferentes rutas metabólicas gracias a ser un reactivo intermediario capaz de acoplar reacciones endergónicas con exergónicas. El ATP aporta la energía necesaria para realizar diferentes actividades en el organismo (biosíntesis, trabajo mecánico, trabajo de transporte). El ATP activa el anabolismo y el ADP activa el catabolismo. 4.1. Homeostasis Se entiende por homeostasis al conjunto de todos los procesos fisiológicos coordinados, por medio de los cuales el organismo se mantiene en estado estable. Todos tenemos las mismas cantidades de sustancias, de manera que si este nivel sube o baja no es posible la vida, por lo tanto se deduce que hay algo que regula, estos reguladores són los que mantienen esta igualdad en todos los organismos. En los organismos unicelulares la composición interna debe ser constante; la exposición al ambiente (susceptible de sufrir grandes variaciones) le obliga a mantener finos mecanismos de control metabólico. Su medio interno es la célula. 6 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 El medio interno de los organismos pluricelulares es el agua que se encuentra intersticialmente entre las células, por donde viajan los nutrientes y demás sustancias como las que se tienen que eliminar. 4.2. Mecanismos de regulación homeostática Existen dos maneras principales por las cuales se lleva a acabo la homeostasis, estas son los cambios predecibles (se van a repetir diariamente, mensualmente, etc.) y los cambios impredecibles o inesperados (ejemplo: cuando comemos). Los mecanismos de control se mantienen gracias a que unos tejidos envían señales que activan nuestros sentidos para que nos envíen las sustancias que necesitamos. Si un cambio ambiental es predecible, el organismo puede adoptar unas funciones cíclicas, sincronizadas con las variaciones del medio de forma que se puede dar una respuesta interna periódica a la fluctuación conocida. Este tipo de regulación da lugar a ritmos biológicos, que pueden ser diarios (se les conoce con el nombre ritmos circadianos) o de mayor duración (ritmos lunares, menstruación, ovulación, ciclos reproductores). Son ritmos endógenos más o menos acoplados con los cambios ambientales: reloj interno, la comida, el sueño. Los cambios impredecibles hacen que el interior del organismo reciba un aviso, de modo que cualquier alejamiento excesivo de una norma deseable actúa como señal para iniciar una respuesta. Este tipo de mecanismos se conocen con el nombre de mecanismos de regulación FEED-BACK o RETROALIMENTACIÓN y pueden ser negativos y positivos. El control de Glucosa se lleva a cabo gracias al páncreas que al haber niveles altos de glucosa crea insulina que se envía al hígado (donde de almacena la glucosa), al músculo (donde se almacenan las proteínas) y al tejido adiposo blanco (donde se almacenan los lípidos), de manera que les indica que la glucosa que están formando debe ser utilizada o bien almacenada hasta que se equilibren los niveles. En cambio, si bajan los niveles de glucosa, el páncreas produce una hormona llamada glucagón que indica al hígado, músculo y tejido adiposo que es necesario crear glucosa. Cuando se gasta glucosa se lleva a cabo un proceso catabólico, a diferencia de si se produce glucosa, que se lleva a cabo un proceso anabólico. Los elementos de FEED-BACK o RETROALIMENTACIÓN de los mecanismos són: - DETECTOR: es el que detecta el cambio ambiental y envía el aviso. En el caso de la glucosa es el páncreas. Cuando la concentración de glucosa es elevada las células β de los islotes de Langerhans liberan insulina. Mientras que cuando la concentración de glucosa es baja las células α de los islotes de Langerhans liberan glucagón. - CONTROLADOR: descifra el aviso y activa una respuesta induciendo la acción del efector. Siguiendo con el ejemplo sería el páncreas que liberaría la insulina y/o glucagón. - EFECTOR: ejecuta la respuesta. En este caso la insulina alcanza los diferentes tejidos y provoca los efectos de activar la utilización de la glucosa e inhibir la producción de la misma. Mientras que el glucagón tendría los efectos contrarios, inhibiría la utilización de glucosa y activaría su producción. 7 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 Las HORMONAS TIROIDEAS són aquellas que activan el metabolismo y, por tanto, controlan el ritmo al cual se ampara la glucosa para generar calor corporal y energía química. Cuando tenemos frío se activa el hipotálamo que envía TRH a la hipófisis para que envíe la hormona TSH a los tiroides, que són los que crean las hormonas T3 y T4, que se trasladan a las células para generar calor. Cuando ya se ha generado suficiente calor, los tiroides utilizan las hormonas T3 y T4, que viajan hasta el hipotálamo para comunicarle que deje de producir para que haya un equilibrio. De manera que el producto (T3 y T4) también actúa de inhibidor. 8 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 TEMA 2: COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS SERES VIVOS Los seres vivos están constituidos fundamentalmente por agua, elementos inorgánicos y elementos orgánicos. 1. BIOELEMENTOS Los elementos químicos, considerados como parte integrante de los seres vivos, se denominan bioelementos o biogenéticos. De los 104 elementos de la tabla periódica sólo unos 95 de ellos se encuentran en los seres vivos, y de estos unos 16 se encuentran en todas las especies. Casi todos ellos se encuentran situados en la primera mitad del sistema periódico. Mayoritariamente somos hidrógeno, ¼ de oxígeno y nitrógeno. Hemos “elegido” algunos elementos específicos porque permiten la vida. 1.1. Principales bioelementos y funciones Las funciones de los bioelementos se pueden englobar en tres categorías: - FUNCIONES PLÁSTICAS: hay elementos que integran la arquitectura del cuerpo humano (huesos, tejidos fibrosos, tegumentos, vísceras, etc.) entre ellos cabe citar carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y calcio. - FUNCIONES CATALÍTICAS: elementos muy variados, a veces en concentraciones pequeñísimas, desarrollan funciones catalíticas específicas. - FUNCIONES OSMÓTICAS: varios elementos intervienen, en forma iónica, en fenómenos osmóticos (distribución de agua en compartimentos intra y extracelulares), mantenimiento de potenciales de membrana, y otros efectos relacionados. 1 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 BIOELEMENTOS En los seres vivos el carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno constituyen alrededor del 95% de la materia viva. La evolución química ha seleccionado estos cuatro elementos para formar sus estructuras, posiblemente debido a la gran versatilidad que presentan los cuatro: - Son los elementos de menor peso atómico que forman enlaces covalentes. - La estructura electrónica del carbono permite la existencia de un gran número de tipos de moléculas orgánicas. Las funciones de los bioelementos se pueden englobar en tres categorías: funciones plásticas o estructurales, funciones catalíticas y funciones osmóticas. 2. BIOMOLECULAS Los seres vivos están constituidos por una gran variedad de biomoléculas. El tamaño y la masa de estas biomoléculas es muy variable desde el agua, de una masa molecular de 18 dalton, hasta el ácido desoxirribonucleico (DNA), de varios millones de daltons. Con un criterio químico, podemos distinguir las biomoléculas inorgánicas y orgánicas. INORGÁNICAS AGUA: H2O GASES: O2, CO2 ANIONES: Fosfatos (HPO4-, HPO4=), Bicarbonato (HCO3-) CATIONES: Amonio (NH4+) 2 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 ORGÁNICAS AZÚCARES: Glucosa, Ribosa, Almidón, etc. LÍPIDOS: Ácidos grasos, Colesterol, Fosfolípidos, etc. PROTEÍNAS: Insulina, Colágeno, Hexoquinasa, etc. ÁCIDOS NUCLEICOS: ADN y ARN. OTRAS: Ácido Nítrico, Urea, Piruvato, etc. En una persona, la molécula más abundante es el agua, la segunda son las proteínas, la tercera son los lípidos, los azúcares y los minerales. PROTEÍNAS -> Aminoácidos. LÍPIDOS -> Ácidos grasos, glicerol, etc. ADN -> Ribosa, fosfatos, bases nitrogenadas. POLISACÁRIDOS -> Glucosa y otros azúcares. A pesar de la gran diversidad de las biomoléculas todas están formados en gran parte por 20 aminoácidos, 5 bases nitrogenadas (adenina, guanina, citosina, timina y uracilo), unos pocos ácidos grasos (palmítico, acético, oleico, etc.), glicerol, colina (alcohol nitrogenado -amina-) y unos pocos azúcares (glucosa, ribosa). Podemos hablar de unas biomoléculas primordiales a partir de las que derivan las demás. Dentro de este contexto podemos hablar de una organización molecular de las células. Las biomoléculas de los organismos se hallan ordenadas en una jerarquía de complejidad molecular creciente. Todas las biomoléculas derivan en último término de los precursores. CLASIFICACIÓN Necesitamos formar materia orgánica porque no somos capaces de reproducirla. PRIMER ESTADIO: moléculas precursoras - CO2 , H2O, N2 -en forma reducida-, NO2-, NO3-, NH3 -en forma oxidada-. - SO4= y PO4 (3-). - Son moléculas de peso molecular bajo y son captadas del exterior para convertirse en materia orgánica a través de secuencias de intermediarios. SEGUNDO ESTADIO: moléculas intermediarias - En ellas se transforman los precursores. - Tienen gran actividad química. - Piruvato, citrato, malato, etc. - Dan lugar a los sillares estructurales. 3 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 TERCER ESTADIO: sillares estructurales básicos - Aminoácidos, nucleótidos, monosacáridos, ácidos grasos, glicerol. - Son los precursores de las macromoléculas. CUARTO ESTADIO: macromoléculas - Proteínas (aminoácidos). - Ácidos nucleicos (nucleótidos, ribosa y fosfatos). - Polisacáridos (monosacáridos, glucosa, fructosa, galactosa, etc.). - Lípidos (ácidos grasos, glicerol, colesterol, otros). QUINTO ESTADIO: supramoléculas. Agrupaciones de macromoléculas - Lipoproteínas (proteínas + lípidos). - Ribosomas (ácidos nucleicos + proteínas). - Complejos enzimáticos (agrupaciones de diversas proteínas). - Cromosomas (proteínas + ácidos nucleicos). SEXTO ESTADIO: nivel de organización de orgánulo subcelular. Uniones de complejos supramoleculares - Núcleo (cromosomas y otros). - Mitocondrias (enzimas + lipoproteínas + lipidos + etc). SÉPTIMO ESTADIO: nivel celular. Como resultado de la unión de orgánulos subcelulares Las moléculas suelen tener varias funciones pero se pueden clasificar de la siguiente manera: MOLÉCULAS INFORMATIVAS: En su constitución permite que se almacene información. - Ácidos nucleicos -> código genético. - Proteínas -> información de los aminoácidos y los enzimas. MOLÉCULAS CON FUNCIÓN ENERGÉTICA O DE TIPO ESTRUCTURAL: - Proteínas estructurales. - Polisacáridos. - Lípidos. 4 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 3. FUERZAS INTERMOLECULARES En la célula viva, lo mismo que en el organismo humano, las biomoléculas no actúan independientemente sino que ejercen interacciones mutuas. Estas fuerzas intermoleculares suelen ser más débiles que los enlaces covalentes, pero no por ello tienen menor importancia biológica y són las que determinan si se van juntar o no las moléculas que se encuentran en movimiento. Las fuerzas intermoleculares són la manera que tienen para comunicarse las biomoléculas. Esta comunicación siempre se produce en función de la segunda ley de la termodinámica, de manera que, cuanto más alta sea la bajada de energía, más enlaces se formarán. 3.1. Conceptos generales ELEMENTO: materia compuesta de átomos que tienen todos ellos el mismo número atómico (número de protones del núcleo). ÁTOMO: el componente más pequeño de un elemento que mantiene las propiedades del mismo, consiste en un núcleo (compuesto de protones y neutrones) rodeado por una nube de electrones. Las cargas positivas del núcleo se atraen fuertemente con las carga negativas de la corteza del átomo. ISÓTOPO: son átomos con el mismo número de protones y electrones, pero con diferentes número de neutrones, diferente masa atómica. Isótopos hidrógeno: 1H 1 , 1H 2 y 1H 3 Isótopos carbono: 6C 12 , 6C 13 y 6C 14 El número de electrones y protones de un átomo determina sus propiedades químicas. Los electrones se mueven alrededor del núcleo en diferentes capas, en cada capa hay un número determinado de electrones (2, 8, 18, 32, etc.), la última capa como máximo tiene dos u ocho electrones como máximo. Los átomos tienen tendencia a completar la última capa con 8 electrones (2 en el caso del H y el He) para alcanzar una configuración más estable. Última capa que completan o ganando electrones o perdiéndolos, en función de su electronegatividad de los elementos que intervienen en el enlace. ELECTRONEGATIVIDAD: mide la tendencia de un átomo de ganar electrones en su última capa robándoselos a otro átomo que los pierde. Un átomo es más electronegativo cuanto más electrones tiene en la última capa y cuantas menos capas presenta. Los electrones que gana o pierde un átomo se conocen con el nombre de electrones de valencia, y es el número de enlaces que puede presentar. 5 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 3.2. Enlaces iónicos y covalentes Las reacciones químicas consisten en compartir o intercambiar electrones, los electrones de valencia entre diferentes átomos. Un aspecto importante de los enlaces que se forman entre los diferentes átomos es la simetría de los orbítales moleculares que intervienen en el enlace. Así en el caso del C y el N pueden presentar diferentes tipos de hibridación sp3, sp2, sp1, según formen enlaces simples, dobles o triples. Los enlaces sigma que forman los enlaces simples giran. El carbono es capaz de compartir dos, tres o cuatro electrones para completar su última capa. Si los dos átomos que intervienen en el enlace presentan diferente electronegatividad, los electrones se encontrarán distribuidos de forma desigual entre los mismos, de manera que se situarán durante más tiempo cerca del átomo más electronegativo, y menos tiempo sobre el átomo menos electronegativo. Cuando se establece un enlace entre dos átomos este será iónico si la diferencia de electronegatividades es superior a 1,5; mientras que será covalente si la diferencia de electronegatividades es menor a 1,5. Tipos de enlaces entre bioelementos: O-H (1,4), O-C (1), N-H (0,9), N-O (0,5), N-C (0,5), C-H (0,4), O-O (0), H-H (0), N-N (0) i C-C (0). Los enlaces iónicos se dan entre átomos de muy distinta electronegatividad. Uno de los átomos cede electrones al otro. Los enlaces covalentes se forman entre átomos de electronegatividad parecida de manera que comparten los electrones de valencia. La formación de un enlace implica una fuerza de atracción y supone una disminución del estado energético. Para romper los enlaces se tiene que suministrar energía. Los enlaces que se forman pueden ser polares o apolares. Un enlace apolar es aquel en el que los electrones se van moviendo para los dos átomos equitativamente y un enlace polar es aquel donde la nube de electrones se desplaza hacia el elemento más electronegativo. 3.3. Enlaces Intermoleculares En la célula viva, lo mismo que en el organismo humano, las biomoléculas no actúan independientemente, sino que interaccionan con las otras moléculas. Estas interacciones dependen de la polaridad de los enlaces que forman la molécula. Los enlaces que podemos encontrar en las biomoléculas pueden ser iónicos, apolares y polares (con diferentes grados) en función de la diferencia de electronegatividad de los átomos que intervienen en el enlace. Este tipo de fuerzas son bastante más débiles que los enlaces covalentes, aunque pueden establecer un gran número de ellas. Cuando dos moléculas cargadas se encuentran se atraen por la ley de Coulomb, donde ‘k/D’ es una constante que depende del medio, ‘q1’ y ‘q2’ la carga de las partículas y la ‘r’ la distancia entre las partículas. La constante es proporcional a la carga y la distancia de las partículas. 6 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 FUERZAS DE VAN DER WAALS Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas de atracción o repulsión que se dan entre distintas moléculas. Estas fuerzas provocan que las moléculas se acerquen hasta una distancia óptima de contacto, si por cualquier circunstancia se acercan más se producen fuerzas repulsivas de manera que dejan de interaccionar. La fuerza de interacción depende de la polaridad de las moléculas que intervienen en la interacción. ÁTOMOS CARGADOS O MOLÉCULAS CARGADOS Los átomos i/o moléculas cargadas pueden ser polares, apolares o ambas ya que una misma molécula puede presentar las distintas cargas en diferentes zonas de su estructura. Dependencia de U con la distancia: 1/r. CARGA - DIPOLO La energía (U) que se requiere para la separación de un átomo cargado y otro que forma parte de un dipolo desde una distancia r hasta el infinito es proporcional a 1/r^2. DIPOLO - DIPOLO Cuando se encuentran dos dipolos, éstos se atraen y se orientan de manera que como más fuerte sea la carga, menos separación habrá entre las moléculas. La energía (U) que se requiere para la separación de un átomo cargado y otro que forma parte de un dipolo desde una distancia r hasta el infinito es proporcional a 1/r^3. 7 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 CARGA - DIPOLO INDUCIDO Cuando un enlace no polarizado se aproxima a un grupo cargado, al encontrarse los electrones de enlace en movimiento se establecen fuerzas repulsivas o atractivas con la carga, lo que induce la formación de un dipolo transitorio. Dependencia de U con la distancia: 1/r^4. DIPOLO - DIPOLO INDUCIDO Cuando un enlace no polarizado se aproxima a un enlace polarizado, al encontrarse los electrones de enlace en movimiento se induce la formación de un dipolo transitorio (inducido). Dependencia de U con la distancia: 1/r^5. DIPOLO INDUCIDO - DIPOLO INDUCIDO Cuando dos enlaces no polarizados se aproximan, al encontrarse los electrones en movimiento se producen dipolos transitorios que se influyen mutuamente. Los enlaces són más débiles. Dependencia de U con la distancia: 1/r^6. * En las proteínas se dan todos los tipos de enlaces como los enlaces disulfuro, las interacciones hidrofóbicas, los enlaces de hidrógeno y los puentes salinos. METANO: es una molécula totalmente apolar, los enlaces són muy débiles y es un gas a temperatura ambiente. AGUA: es una molécula dipolar, forman enlaces de hidrógeno y a temperatura ambiente es líquida. NaCl (SAL): sólida a temperatura ambiente porque los enlaces que forma son muy fuertes. Cada átomo se rodea de otros 8 átomos de signo contrario formando una red. 8 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 4. EL AGUA Cada molécula se representa con un color determinado. El Carbono se representa de color gris, el Nitrógeno de color azul, el Oxígeno de color rojo y el Hdrógeno de color blanco. 4.1. Estructura del agua Una molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno unidos a uno de oxígeno, por tanto, presenta dos enlaces polarizados. La distancia del enlace O-H es de 0,958 Å y el ángulo formado por los tres átomos es de 104,5º. Los átomos de hidrógeno no están colocados de manera lineal ya que los cuatro orbitales híbridos sp3 del átomo de oxígeno se distribuyen como un tetraedro. Los átomos de hidrógeno ocupan dos vértices del tetraedro y los pares de electrones no apareados del oxígeno ocupan los otros dos vértices, que són los que se van a compartir con otras moléculas. Los dos enlaces que forman el oxígeno con los hidrógenos se llaman sigma. Estas características determinan que es una molécula muy polar. La fuerza negativa recae sobre el oxígeno y la fuerza positiva sobre los hidrógenos. Cabe decir que el oxígeno no siempre tiene la fuerza negativa y viceversa, pero existe una proporción de estas cargas. En el oxígeno la carga es de -0,82 y en los dos hidrógenos es de +0,41. Las atracciones electrostáticas entre los dipolos de las moléculas son fundamentales para sus propiedades y para su papel como solvente bioquímico. La asociación intermolecular direccional resultante se conoce como puente de hidrógeno. Cuando se encuentran dos moléculas de agua se atraen de manera se junta la zona positiva con la zona negativa. Cada una de estas moléculas es capaz de formar cuatro puentes de hidrógeno (sp3), dos con el oxígeno y uno con cada hidrógeno. Al encontrarse en constante movimiento, se puede decir que forman una media de 3,4 uniones por puente de hidrógeno. Estas moléculas van a dar el máximo de interacciones posibles. Para romper estos enlaces són necesarias temperaturas muy altas. Cuando se encuentra en estado sólido (en forma de hielo), los enlaces no se rompen ya que la temperatura es baja. Las propiedades del agua radican en la simplicidad de su estructura molecular formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno a través de dos enlaces O-H. Los enlaces oxígeno-hidrógeno del agua están polarizados, lo que permite que se formen enlaces por puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua. El hidrógeno al tener densidad de carga positiva es atraído por el oxígeno de otra molécula que presenta densidad de carga negativa. Este enlace tiene una fuerza de unión que es de un 5% de la presentada por un enlace covalente. 4.2. Propiedades del agua Las propiedades que presenta el agua la hacen idónea para la vida, estas propiedades pueden explicarse en base a las propiedades de su estructura. El agua es líquida en un amplio margen de temperaturas (0-100 °C) lo que permite que la vida pueda desarrollarse en condiciones climáticas muy dispares. 9 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 El agua presenta una densidad máxima de 4°C. De esta manera el hielo flota sobre el agua líquida, actuando como aislante térmico. La constante dieléctrica elevada permite la disociación de la mayoría de las sales minerales, porque debilita las fuerzas electrostáticas que se establecen entre los iones. El agua es un dipolo, y por lo tanto sus moléculas tienden a rodear a los iones aislándolos unos de otros y facilitando también así la disolución de las sales. Cuando una sal se disuelve rápido quiere decir que los enlaces eran débiles y, por tanto, la intensidad y cantidad de fuerza necesaria es menor y viceversa. Calor específico, para subir un grado de temperatura el agua se tiene que dar 1 cal/ºC·g y el calor de vaporización 0,52 cal/g. La distancia entre enlaces covalentes no siempre es la misma de manera que las moléculas siempre se encuentran en movimiento (vibran). Además de disolvente también mantiene constante nuestra temperatura corporal como mecanismo de defensa de las subidas y bajadas de temperatura gracias al calor específico. Tiene una elevada tensión superficial que permite la cohesión entre moléculas (lubricando articulaciones) y la formación de gotas. El agua se disocia como un electrólito débil, los protones e iones hidroxilo són muy peligrosos en nuestro cuerpo porque si los grupos ácidos pierden la carga, se pierden las interacciones entre moléculas. 4.3. Propiedades del agua como disolvente El agua es un buen disolvente, tanto para sustancias iónicas, sustancias no iónicas y sustancias de carácter anfipático. Es el dipolo más fuerte. Su carácter anfipático permite que se forman las bicapas lipídicas. 4.4. Propiedades coligativas del agua Al disolver en agua el soluto se modifican las propiedades del disolvente, por ejemplo, su densidad, viscosidad, color, etc. Alguna de las nuevas propiedades no depende de la naturaleza del soluto, y sí sólo del número de partículas disueltas; a estas propiedades se las conoce con el nombre de propiedades coligativas. - Temperatura de congelación - Presión de vapor - Temperatura de ebullición - Presión osmótica Desde un punto de vista fisiológico, la más importante es la presión osmótica. El agua es un buen disolvente, tanto para sustancias iónicas, sustancias no iónicas y sustancias de carácter anfipático. La presión osmótica controla cómo se distribuye el agua en nuestro cuerpo. Se explica con dos compartimentos separados donde solo pasan las moléculas de agua, el soluto no. Esta agua se mueve del compartimento donde hay menos concentración de soluto al que más 10 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 hay, esto pasa gracias a las interacciones ya las cargas que hay en un lado atraen las moléculas de agua de manera que se forman interacciones dipolo-carga. En un eritrocito se pueden dar tres situaciones de presión osmótica. En un medio hipotónico, hay más concentración dentro de la célula de manera que entra agua y se puede producir una turgencia. Está el medio isotónico que se encuentra en equilibrio. Y, en un medio hipertónico, sale agua de la célula ya que hay menos concentración en el exterior y se produce una plasmólisis. 4.5. Compartimentación del agua Las propiedades del agua radican en la simplicidad de su estructura molecular. Los enlaces oxígeno-hidrógeno del agua están polarizados, lo que permite que se formen enlaces por puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua. El hidrógeno al tener densidad de carga positiva es atraído por el oxígeno de otra molécula que presenta densidad de carga negativa. Este enlace tiene una fuerza de unión que es de un 5% de la presentada por un enlace covalente. 11 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 5. TAMPONES FISIOLÓGICOS El funcionamiento armónico de los procesos biológicos en el organismo requiere la acción concertada de numerosos enzimas, cuya acción catalítica depende críticamente del pH. En los medios extracelulares del cuerpo humano, el pH se mantiene constante en torno a 7,4. Variaciones de unas décimas por encima o por debajo de este valor pueden ser incompatibles con la vida. 5.1. Disolución tampón o amortiguadora o buffer Se entiende por una disolución tampón o amortiguadora o buffer a la disolución formada por una base débil y su ácido conjugado fuerte, o por un ácido débil y su base conjugada fuerte. Ácido fuerte es aquel que está completamente disociado como el HCl HCl -> H+ + Cl- Base fuerte es la que está completamente disociada como el NaOH NaOH -> Na+ + OH- Los ácidos y las bases pueden estar parcialmente disociados, y entonces hablamos de ácidos y bases débiles, que se encuentran en equilibrio con sus bases y ácidos conjugados (que son fuertes). Más débil es un ácido o una base cuanto menor es su disociación. Por ejemplo el ácido acético. 12 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 5.2. Principales tampones fisiológicos En un individuo sano el valor del pH de los líquidos extracelulares es de 7,4. El plasma sanguíneo se mantiene tamponado fundamentalmente por tres sistemas tampón: - Proteínas plasmáticas (albúmina) - Hemoglobina - Tampón HCO3- / CO2 Dentro de la célula el mantenimiento del pH se debe fundamentalmente al tampón fosfatos HPO4= / H2PO4-, que cogen o liberan protones en función de sus necesidades. HEMOGLOBINA La capacidad de tamponar de la hemoglobina se desprende de las diferentes características ácido-base que presenta esta proteína dependiendo de si está o no cargada con O2. Oxihemoglobina: HHbO2 HbO2- + H+ pK=6,7 Hemoglobina: HHb Hb- + H+ pK=7,9 A pH=7,4 el 80% de oxihemoglobina está disociada y el 20% en forma ácida, mientras que el 20% de la hemoglobina está disociada y el 80% está en forma ácida. HbO2- + CO2 + H2O HbH + HCO3- + O2 13 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 TAMPÓN HCO3- / CO2 H2CO3 HCO3- + H+ CO3= + 2H+ pKa1=3,8 pKa2=10,3 CO2(g) CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ CO3= + 2H+ K Keq Ka1 Ka2 CO2 HCO3- + H+ pKa=6,1 _________________________________________________________________________ _ H+ + HCO3- CO2 + H2O H+! + HCO3- CO2¡ + H2O H+¡ + HCO3- CO2¡ + H2O TAMPÓN H2PO4= / HPO4- Los líquidos intracelulares mantienen su pH gracias al tampón fosfatos. H2PO4- HPO4= + H+ pKa=7,2 14 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 ESTRUCTURA DEL AGUA Las propiedades del agua radican en la simplicidad de su estructura molecular formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno a través de dos enlaces O—H. Los enlaces O—H se forman por solapamiento de un orbital sp3 oxígeno (el oxígeno presenta cuatro orbitales híbridos sp3, dispuestos según los vértices de un tetraedro) y un orbital 1s del hidrógeno. Los átomos de hidrógeno de la molécula de agua se localizan en dos vértices del tetraedro, mientras que los dos pares de electrones del oxígeno que no participan en el enlace se localizan en los otros dos vértices. La carga neta de la molécula de agua es cero, no obstante una cierta polaridad debido a la diferencia de electronegatividades entre el oxígeno (3,5) y el hidrógeno (2,1). Esta diferencia de polaridad entre los átomos de oxígeno y hidrógeno conlleva a la deformación de la nube electrónica del enlace, favoreciendo que los electrones se encuentren más cerca del oxígeno que del hidrógeno, de esta forma el oxígeno tiene una cierta densidad de carga negativa y el hidrógeno una cierta densidad de carga positiva, formando un dipolo permanente. Además esta polaridad del enlace entre el oxígeno y el hidrógeno permite que se formen enlaces por puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua. El hidrógeno al tener densidad de carga positiva es atraído por el oxígeno de otra molécula de agua que presenta densidad de carga negativa. Este enlace tiene una fuerza de unión que es de un 5% de la presentada por un enlace covalente. Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 Estos puentes de hidrógeno entre las diferentes moléculas de agua son los que permiten que el agua sea líquida en un intervalo de temperatura muy amplio (0° a 100°C). Cada molécula de agua puede unirse por puentes de hidrógeno a otras 4 moléculas en disposición tetraédrica. El agua en estado líquido forma una media de 3,4 uniones por puente de hidrógeno. De esta manera el agua en estado líquido forma una extensa red mantenida por enlaces por puente de hidrógeno. Es decir se puede concebir como una red compuesta por el agrupamiento oscilante de moléculas de agua unidas por puentes de hidrógeno que continuamente se están reorganizando. El agua cuando está en estado sólido es debido a que se han establecido los cuatro enlaces por puente de hidrógeno en todas las moléculas de agua, adquiriendo una conformación de red cristalina fija que no se encuentra en continuo movimiento. AGUA HIELO Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 TEMA 3: PROTEÍNAS 1. PROTEÍNAS: CONCEPTO E INTERÉS BIOLÓGICO Las proteínas están compuestas de carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y, en menor proporción, de azufre que tiene gran importancia ya que forma los puentes disulfuro que unen y mantienen la estructura terciaria y cuaternaria de las proteínas. Las proteínas, cuyo nombre significa el primero o en primer lugar, que deriva de que son las macromoléculas más abundantes en las células, y constituyen la mitad del peso seco de la mayor parte de los organismos. Otra particularidad es que aparecen en una gran variedad, en las células se encuentran centenares de clases diferentes. Además, las proteínas desempeñan muchos papeles biológicos diferentes, ya que son los instrumentos moleculares. Son macromoléculas con funciones informativas y estructurales. Los catalizadores bioquímicos conocidos como enzimas son proteínas. Los enzimas catalizan la práctica totalidad de las reacciones químicas que tienen lugar en las células vivas y aceleran en varios órdenes de magnitud la velocidad de dichas reacciones. Sin este extraordinario poder catalítico, por el cual la velocidad de las reacciones se acelera más de un millón de veces, no sería posible la vida tal y como la conocemos. Las proteínas conocidas colectivamente como inmunoglobulinas constituyen la primera barrera de defensa de los organismos contra las infecciones de origen bacteriano o viral. Transporte y almacenamiento, muchos iones y moléculas pequeños son transportados y almacenados por proteínas específicas. La hemoglobina transporta el oxígeno en los eritrocitos, mientras que la mioglobina, una proteína relacionada, transporta y almacena el oxígeno en el músculo. El hierro se transporta en el plasma sanguíneo por la transferrina y se almacena en el hígado en forma de ferritina, otra proteína diferente. El transporte a través de membranas es llevado a cabo por proteínas que són capaces de llevar materiales a través de las membranas celulares. Sin este transporte las células morirían por inanición. 1 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 Muchas hormonas, como la insulina o el glucagón, son proteínas reguladoras controlando muchos aspectos de la función celular, desde el metabolismo hasta la reproducción. Las proteínas estructurales proporcionan el soporte mecánico a los animales, formando también en algunos casos, sus cubiertas externas. Dando soporte mecánico, la enorme fuerza de tensión de la piel y el hueso se debe a la presencia del colágeno, una proteína fibrosa. OTRAS: - Movimiento coordinado. Ciertos ensamblajes de proteínas llevan a cabo la contracción muscular y posibilitan la motilidad celular, incluyendo el movimiento de las bacterias y del esperma. - Generación y transmisión del impulso nervioso. La respuesta de las células nerviosas a estímulos específicos depende de la presencia de receptores proteicos. Las moléculas receptoras que pueden ser disparadas por moléculas específicas pequeñas como la acetil- colina, son las responsables de la transmisión de los impulsos nerviosos en las sinapsis, esto es, entre las uniones de las células nerviosas. - Control del crecimiento y la diferenciación. El control secuencial de la expresión de la información genética es imprescindible para el crecimiento y la diferenciación de las células. Sólo una pequeña fracción del genoma de cualquier persona se expresa en cualquier momento y esto está controlado por proteínas. - El citoesqueleto está compuesto por proteínas. Las proteínas conjugadas són combinaciones con otras biomoléculas y normalmente se dan estas combinaciones porque són importantes para realizar alguna función. 2 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 Las proteínas globulares interaccionan con el agua, en cambio, las fibrosas no. 2. AMINOÁCIDOS Las proteínas son cadenas lineales o polímeros de aminoácidos unidas por un enlace peptídico. Si una proteína se hidroliza bajo unas condiciones cuidadosamente controladas, se liberan hasta 20 clases de aminoácidos. La secuencia de estos aminoácidos es la que determina la estructura tridimensional de la proteína y, al tener 20 aminoácidos diferentes, podemos tener una gran diversidad de estructuras proteicas, lo que les permite llevar a cabo los miles de procesos diferentes que requiere una célula. Por lo que la conformación y la función de una proteína se refiere, están determinadas por sus aminoácidos que la componen y la secuencia en que estos se unen para formar la cadena polipeptídica. 3 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 2.1. Estructura de los aminoácidos Los aminoácidos son compuestos que presentan un grupo carboxilo y un grupo amino unidos a un mismo átomo de carbono, que se conoce como carbono alfa (α). Este carbono α se encuentra unido también a una cadena lateral (R) que es diferente para cada aminoácido. Así, los aminoácidos responden a la fórmula general: La única cadena que cambia es la lateral de manera que el mensaje de la función se encuentra en esta cadena. El grupo amino y el carboxilo sirven para realizar el enlace peptídico ya que dan la fuerza necesaria para mantener los enlaces. Los aminoácidos difieren en sus cadenas laterales, o grupos R, que varían de estructura, tamaño, carga eléctrica y solubilidad en agua. En la tabla podéis ver sus nombres y la polaridad de su cadena lateral. Los aminoácidos se clasifican normalmente en función de las características de la cadena lateral en diferentes grupos: a. Cadena lateral no polar (hidrofóbicos) b. Cadena lateral polar (hidrofílicos) c. Grupos R básicos (carga negativa) d. Grupos R ácidos (carga positiva) Todos los aminoácidos, excepto la glicina, son de la serie L. 4 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 2.2. Propiedades de los aminoácidos A pH fisiológico, los aminoácidos tienen carga negativa y positiva, en función del medio, que puede ser ácido o básico, se determina la carga positiva o negativa del aminoácido. Para ello, hay que mirar el pK de los grupos funcionales, de los aminos y los carboxilos. El punto isoeléctrico (pI) es el valor del pH en el cual el aminoácido no presenta carga neta, y por lo tanto no se mueve en un campo eléctrico. También es el punto en el que el aminoácido presenta menor solubilidad. ALANINA 5 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 GLUTAMATO HISTIDINA Los aminoácidos tienen propiedades ópticas ya que presentan isomería óptica. Todos los aminoácidos menos la glicina tienen un carbono anomérico, eso quiere decir que el carbono central tiene cuatro sustituyentes diferentes. 6 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 3. ENLACE PEPTÍDICO Los aminoácidos pueden unirse covalentemente mediante un enlace amida sustituido, llamado enlace peptídico, dando lugar a un péptido. El enlace peptídico se forma entre el grupo a-carboxilo de uno de los aminoácidos con el grupo a-amino del otro aminoácido, por eliminación de una molécula de agua. 3.1. Resonancia, dimensiones y ángulos diédricos del enlace El enlace peptídico tiene características de doble enlace debido a la presencia de estructuras resonantes. Siempre que hay dobles enlaces suele haber resonancia. Así las longitudes de los enlaces y los ángulos de enlace se corresponden con las de los dobles enlaces. Lo que determina que el enlace peptídico se encuentre situado en un plano. La resonancia se da con dobles y triples enlaces y es el movimiento de éstos entre los diferentes enlaces que hay dentro de una misma molécula. La resonancia se da, por ejemplo, en las moléculas aromáticas. En los aminoácidos hay resonancia entre los enlaces de carbono-oxígeno y carbono-nitrógeno. De esta coplanaridad se desprende que las únicas libertades de giro se sitúan en los enlaces de los carbonos a, que así sirven de nexo de unión entre los distintos planos que componen el esqueleto de la proteína. Para cada uno de los Ca se definen dos ángulos, f (phi) y y (psi), que corresponden a la rotación de los enlace Cai-Ni y Cai-Ci', respectivamente. Si se conoce el valor de estos ángulos para cada uno de los Ca, la disposición espacial de la cadena polipeptídica queda definida exactamente. 7 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 3.2. Configuración trans del enlace peptídico Los enlaces peptídicos no pueden girar debido a que tienen una hibridación sp2 pero forman planos de manera que los planos si pueden girar entre sí pero con algunas excepciones ya que el radio de van der Waals no permite ese giro. 3.3. Impedimentos estéricos, conformación y plasticidad del enlace Los ángulos no son posibles porque hay impedimentos estéricos por cadenas laterales y los grupos. Casi todos los aminoácidos tienen una conformación trans de manera que esto va a determinar cómo gira un polipéptido para dar interacciones. Sólo hay unos ángulos posibles y éstos se pueden repetir en diferentes zonas de los aminoácidos. Dependiendo de la cadena lineal de los aminoácidos se podrán o no dar los ángulos. Los aminoácidos pueden dar diferentes tipos de conformaciones que son las hélices alfa (derechas e izquierdas) y láminas beta. Esto se puede observar en la representación de ramachandran. Este diagrama es una forma de visualizar las regiones energéticamente permitidas para los ángulos diedros del esqueleto de una proteína. 8 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 4. ESTRUCTURA DE LAS PROTEÏNAS La conformación de una proteína depende de la secuencia de aminoácidos. Hay diferentes niveles de estructuras, las primarias, las secundarias, las supersecundarias, los dominios, las terciarias y las cuaternarias. 4.1. Fuerzas determinan la estructura proteica Cuando las proteínas se pliegan se dan las diferentes interacciones entre las diferentes estructuras de proteínas. Cuantas más interacciones se dan, más baja es la energía de manera que hay más equilibrio (segunda ley termodinámica). Los aminoácidos apolares se encuentran en el centro de las proteínas y los polares en la periferia ya que de esta manera favorecen las interacciones carga-carga y carga-dipolo. En las estructuras proteicas siempre se dan el máximo de interacciones posibles y en una secuencia de aminoácidos específica siempre se va a dar la misma estructura. La estructura de las proteínas está estabilizada por diferentes tipos de enlaces, como enlaces covalentes (enlace peptídico, enlace por puentes disulfuro), enlaces puentes de hidrógeno (interacciones dipolo-dipolo), interacciones hidrofóbicas, enlaces salinos (interacciones electrostáticas) o las fuerzas de los contactos de Van der Waals. Todos estos tipos de enlaces juegan un importante papel en la estabilización de la estructura tridimensional de las proteínas. La fuerza de atracción de los diferentes enlaces que intervienen en la estabilización de las proteínas se expresa en kcal/mol, y corresponde a la energía liberada al formar el enlace, o la energía que debe suministrarse para romper el enlace. ENLACES POR PUENTE DISULFURO: este tipo de enlaces se establece al oxidarse dos cisteínas para formar una cistina, unión de los dos azufres. -CH2-S-S-CH2- ENLACES SALINOS: Los aminoácidos básicos y ácidos de las proteínas presentan carga a pHs fisiológicos. Al poderse encontrar en el esqueleto polipeptídico aminoácidos ácidos (Glu y Asp) que presentan carga negativa; y aminoácidos básicos (His, Lys, Arg) que presentan carga positiva; hay distintas regiones de las proteínas con carga opuesta que se atraen por fuerzas electrostáticas, interacciones que se conoce con el nombre de enlace salino. Los aminoácidos que presentan carga en su cadena lateral se suelen localizar más en la parte exterior de la proteína, que en el interior de la misma, en esta localización se encuentran mayoritariamente los aminoácidos hidrofóbicos. Aunque es raro encontrar aminoácidos cargados en el interior de la proteína, si están, juegan un papel importante ya que la distancia y fuerza de este tipo de enlace se aproxima a los valores del enlace covalente (2,8 Å). Los grupos cargados normalmente se encuentran en la superficie de la proteína, y determinan el correcto plegamiento de la proteína al poder interaccionar con el agua de solvatación. Las moléculas de agua interaccionan con las cargas de las cadenas laterales (o grupo amino y carboxilo terminal). ENLACES PUENTES DE HIDRÓGENO: en la estructura de las proteínas hay diferentes tipos de enlaces por puentes de hidrógeno, dependiendo de los átomos que intervienen en el mismo. Las cadenas laterales de dos aminoácidos de la cadena polipeptídica, los átomos de la cadena lateral de los aminoácidos y las moléculas de agua de solvatación, los átomos de la cadena lateral de los aminoácidos y los átomos del esqueleto polipeptídico y los átomos del esqueleto polipeptídico. 9 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 INTERACCIONES HIDROFÓBICAS: las interacciones hidrofóbicas se dan entre las cadenas laterales de los aminoácidos hidrofóbicos, estos aminoácidos suelen disponerse en el interior de la proteína, evitando de esta manera las interacciones con el agua. Este tipo de fuerzas hidrofóbicas intervienen en el correcto plegamiento de la proteína. Las uniones hidrofóbicas suelen darse en el interior, corazón hidrofóbico de la proteína, donde la mayoría de cadenas laterales pueden asociarse estrechamente y se encuentran protegidas de las interacciones con el disolvente. Este tipo de interacciones ayudan a mantener la estructura tridimensional de las proteínas. Aunque no todos los aminoácidos hidrofóbicos se encuentran en el interior de las proteínas, cuando las cadena lateral hidrofóbicas están expuestas a las moléculas polares del agua usualmente involucran un enlace hidrofóbico externo. FUERZAS DE VAN DER WAALS: las fuerzas de Van der Waals son atracciones eléctricas débiles entre diferentes átomos. Estas fuerzas son el resultado de las fuerzas atractivas y repulsivas que se establecen al acercarse los átomos, de manera que existe una distancia en que la atracción es máxima. Esta distancia se encuentra en lo que se conoce con el nombre de radios de Van der Waals. Estas fuerzas se deben a que cada átomo posee una nube electrónica que puede fluctuar, creando de esta manera dipolos temporales. El dipolo transitorio en un enlace puede inducir un dipolo complementario en otro enlace, provocando que dos átomos de los diferentes enlaces se mantengan juntos. Estos dipolos transitorios provocan una atracción electrostática débil: las fuerzas de Van der Waals. Los puntos alrededor de los átomos representan el radio de Van der Waals. Estas atracciones de Van der Waals, aunque transitorias y débiles son un componente importante en la estructura de las proteínas porque su número es importante. La mayoría de los átomos de una proteína están empaquetados lo suficientemente próximos unos de otros para involucrar estas fuerzas transitorias. 4.2. Estructura primaria La estructura primaria se refiere exclusivamente a la secuencia de aminoácidos que componen la proteína. Aunque esta estructura no hace referencia a su conformación espacial, toda la información referente a la proteína nativa se encuentra en ella y, en consecuencia, la elucidación de la secuencia es un paso indispensable para concretar la base estructural de su función biológica. La secuencia de aminoácidos viene dada por el ADN y se ordena desde el grupo amino al carboxilo. El mensaje de cada proteína se encuentra en la cadena lateral de cada uno de los aminoácidos. Si uno de los aminoácidos de la cadena cambia puede no pasar nada o se puede producir una mutación debido a que el aminoácido que se cambia tiene un diferente tamaño o función. Para poder ver la cadena se tiene que desnaturalizar la proteína. 4.3. Estructura secundaria o grupos lineales La estructura secundaria se refiere a la disposición regular de determinadas zonas del esqueleto de la cadena polipeptídica sin considerar las cadenas laterales R de los aminoácidos. Este nivel estructural se encuentra estabilizado por puentes de hidrógeno entre los grupos amida y carbonilo del enlace peptídico. 10 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 Esta estructura se debe a los ángulos de ramachandran y se van repitiendo los ángulos de Ramachandran. Gracias a estos ángulos se dan distintas formas como las alfa-hélice, láminas beta, etc. Cada hélice queda definida por los parámetros siguientes: n es el número de restos por cada vuelta de la hélice y p indica el paso de hélice. ALFA-HÉLICE En las alfas-hélices se repiten los ángulos de ramachandran de manera que la estructura de la proteína adquiere una geometría específica. Con esta conformación la estructura tiene el menor solapamiento posible. La α-hélice se encuentra estabilizada por la existencia de puentes de hidrógeno entre el grupo carbonilo y el grupo amida del enlace peptídico de los restos i e i+4, respectivamente, gracias a su alineación se dan tantos puentes de hidrógeno que se forma una estructura muy fuerte y difícil de romper. El radio de la hélice 0,23nm que corresponde con los radios de Van der Waals. Cabe decir que las cadenas laterales no coinciden con la vertical. La hélice a derechas es la más abundante en las proteínas globulares. Su conformación es muy estable y corresponde a una posición central de una de las regiones permitidas del mapa f=-57º y y=-47º. En este tipo de estructura el esqueleto peptídico se encuentra enrollado de forma compacta alrededor del eje longitudinal de la molécula, y las cadenas laterales. Las hélices alfa se encuentran estabilizadas por los puentes de hidrógeno entre el grupo carbonilo y el grupo amida del enlace peptídico de los restos i e i+4 respectivamente y estableciendo de interacciones de Van der Waals entre los átomos a través de su eje, ya que el radio de la hélice es 2,3Å. La hélice es dextrógira (avanza en el sentido de las agujas del reloj vista desde arriba). Cada residuo gira 100º con respecto al anterior y se desplaza 0,15 nm con respecto al residuo anterior. Son necesarios 3,6 residuos y 0,54 nm, para dar una vuelta completa de la hélice. HÉLICES 310 Se denomina con este nombre porque contiene 3 restos por vuelta de hélice y 10 átomos encerrados en el anillo. Su estabilidad se debe a la formación de puentes de hidrógeno entre el grupo carbonilo y el grupo amida del enlace peptídico de los restos i e i+3, respectivamente. Estas hélices són más estiradas que las α-hélice debido a que cada tres aminoácidos se repite la estructura de manera que si éstos son muy grandes, se produce un impedimiento estérico y, por tanto, se estiran más. Estas estructuras són menos frecuentes ya que són menos estables que las α-hélice. 11 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 La hélice 3-10 recibe este nombre porque contiene 3 restos por vuelta de hélice y 10 átomos encerrados en el anillo. Corresponde a los ángulos f=-49º y y=-26º. Al igual que la hélice las cadenas laterales de los aminoácidos sobresalen hacia el exterior del esqueleto helicoidal. Su estabilidad se debe a la formación de puentes de hidrógeno entre el grupo carbonilo y el grupo amida del enlace peptídico de los restos i e i+3, respectivamente. Son menos estables que las hélices alfa. Presentan un empaquetamiento azimutal de las cadenas laterales (en la misma vertical) menos favorable que el empaquetamiento alternado que se observa en las hélices a. Además los puentes de hidrógeno en este tipo de estructura secundaria no se encuentran perfectamente alineados, con lo que la fuerza del enlace es menor. La hélice es dextrógira (avanza en el sentido de las agujas del reloj vista desde arriba). Cada residuo gira 120º con respecto al anterior y se desplaza 0,25 nm con respecto al residuo anterior. Son necesarios 3 residuos y 0,6 nm, para dar una vuelta completa de la hélice. LÁMINA BETA En las láminas beta el enlace polipeptídico adopta la conformación trans de manera que las cadenas se encuentran estiradas. Su estructura está representada por una lámina donde se encuentran unidos todos los enlaces peptídicos. Las diferentes láminas que se forman se estabilizan una por una y pueden ser paralelas o antiparalelas. Són más frecuentes que las hélices 310. Se estabilizan de manera que se forman puentes de hidrógeno entre las diferentes láminas, por lo cual, van juntas. El orden de las cadenas va desde el primer nitrógeno hasta el último carbono. Lámina b es un tipo de estructura secundaria que pueden adoptar las cadenas polipeptídicas cuando se encuentran muy extendidas, en este tipo de conformación, conocida también con el nombre de hoja plegada, el esqueleto peptídico se encuentra extendido en "zig-zag" en lugar de plegarse como una hélice. Este tipo de estructura permite la asociación de dos o más cadenas dispuestas una al lado de la otra. De esta forma logran su estabilidad mediante puentes de hidrógeno entre los grupos amida y carbonilo del enlace peptídico entre cadenas adyacentes. Cada cadena constituye un grupo lineal, es decir todos los ángulos f y y son idénticos. La forma habitual de representar este tipo de estructura secundaria es con una flecha que indica la dirección de la cadena, y el sentido desde el extremo amino hasta el carboxilo terminal. Hay dos tipos de lámina b que se observan en las proteínas, las lámina b paralelas cuando el sentido (N-terminal a C-terminal) es el mismo entre ambas cadenas y las lámina b antiparalelas cuando el sentido (N-terminal a C-terminal) es distinto entre ambas cadenas. En este tipo de estructura secundaria, los restos de los distintos aminoácidos de la cadena polipeptídica quedan perpendiculares al plano que define la lámina alternando por encima y por debajo de ésta. 12 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 GIROS La conformación espacial de las proteínas globulares requiere cambios en el sentido de progresión de su estructura secundaria con objeto de alcanzar el grado de empaquetamiento característico de su estructura nativa. Estos cambios de sentido se logran con los acodamientos b, que se realizan mediante a la formación de un puente de hidrógeno entre el grupo carbonilo del aminoácido i y el grupo amida del aminoácido i+3. Cada uno de estos tipos de giro permite un cambio brusco de la dirección de la cadena polipeptídica. En el tipo II el residuo 3 suele ser la glicina, ya que un grupo lateral voluminoso presentaría conflictos con el oxígeno carbonílico del residuo 2. La prolina y la glicina se encuentran frecuentemente en los giros o acodamientos b. La prolina es un iminoácido por lo que puede formar enlaces de tipo cis. La glicina es frecuente debido a su pequeño tamaño. Los acodamientos b promueven la formación de láminas b antiparalelas. ACOMODAMIENTOS Los acomodamientos són unas zonas donde las estructuras no están definidas por una forma específica, es decir, están unidas al azar. 4.4. Estructuras supersecundarias Las estructuras supersecundarias son estructuras múltiples que pueden estar formadas por diferentes láminas y/o hélices. Las α-queratinas són proteínas estructurales que están formadas por, normalmente, tres α-hélices muy enrolladas que van girando la una alrededor de la otra que se encuentran a la distancia de van der Waals. Las cadenas también se unen por enlaces de van der Waals. El ángulo entre los ejes de las dos hélices es de 10° y la unidad de repetición es un heptapéptido, puesto que cada siete aminoácidos se obtiene una posición equivalente en la superhélice. En las cremalleras de leucina (estructuras que aparecen en diferentes factores de transcripción), las leucinas juegan un papel clave en la estabilización de la estructura. Es una estructura energéticamente muy favorable ya que permite un buen entramado de las cadenas laterales de los aminoácidos en contacto entre las dos hélices, aumentado la estabilidad de forma considerable por fuerzas de atracción de Van der Waals entre sus átomos. Además, si los aminoácidos en contacto entre hélices son hidrofóbicos, la superficie adquiere una estabilidad adicional a causa de las fuerzas hidrofóbicas. El colágeno es una estructura que también está formada por la unión de múltiples hélices. El colágeno es una proteína estructural en la que se puede observar la asociación de tres hélices del colágeno. La triple hélice está estabilizada por los grupos amídico y carbonílico de la cadena están perpendiculares a la hélice y permiten la formación de puentes de hidrógeno entre las tres cadenas. La hidroxiprolina y la prolina no pueden formar puentes de hidrógeno de esta manera, pero en la mayor parte de la hélice dos de cada tres residuos participan en los puentes de hidrógeno y por ello la triple hélice es una estructura fuerte y bastante rígida. Las unidades beta&beta són aquellas que tienen distintas maneras de unirse de modo que pueden ser tres láminas, dos láminas y una hélice, dos hélices, etc. Es una estructura supersecundaria que define de forma genérica la estructura resultante de la unión de grupos lineales de lámina b por un segmento x. Si el segmento de conexión no es regular, se le 13 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 denomina bcb; si es una hélice a, bab, también puede ser un giro b y si es otra lámina b, bbb, este último también se conoce como meandros b. La tendencia de torsión dextrógira de las láminas β se observa en dos agrupaciones particularmente estables de cadenas β adyacentes: el barril β y la silla β; estas estructuras forman el núcleo estable de muchas proteínas. Estas láminas no se encuentran totalmente paralelas sino que se encuentran en diagonal debido a la estructura del enlace peptídico. 4.5. Dominios estructurales y funcionales En las uniones entre estructuras secundarias se van repitiendo los dominios de manera que hay proteínas con todo α-hélice, con todo láminas β, una mezcla entre α-hélice y láminas β, proteínas de membrana, etc. También existen los dominios funcionales que se corresponden a una parte de la función de la proteína como, por ejemplo, el dominio de unión NAD+ y catálisis. 4.6. Estructura terciaria La estructura terciaria se debe al plegamiento de la estructura secundaria. Intervienen enlaces por puentes de hidrógeno y disulfuro, atracciones iónicas, interacciones hidrofóbicas y enlaces covalentes transversales. Siempre se dan el número máximo de interacciones de manera que la molécula se quede bien plegada. Esta estructura se puede romper con la desnaturalización debido a cambios de temperatura bruscos, cambios de pH, etc. La mioglobina del tejido muscular rojo almacena oxígeno. En condiciones de demanda de oxígeno (ejercicio extenuante), el oxígeno almacenado en la oximioglobina se libera para ser usado por las mitocondrias y permitir la síntesis de ATP. La mioglobina es una cadena polipeptídica sencilla de 153 residuos aminoacídicos. Es una proteína globular con la superficie polar (rojo) y el interior apolar (gris), patrón característico de las proteínas globulares. Sin contar los dos residuos de His que intervienen en el proceso de fijación del oxígeno, el interior de la mioglobina sólo contiene residuos no polares. La mioglobina es una molécula compacta, totalmente esférica que mide 4,5x3, 5x2,5 nm. Sin embargo, su conformación es atípica. Aproximadamente el 75% de los residuos se distribuyen en ocho hélices a (giro a derechas) de 7 a 20 aminoácidos de longitud. El grupo hemo de la mioglobina se encuentra en un surco entre las hélices E y F, orientado sus sustituyentes polares (propionato) hacia la superficie y el resto hacia el interior, rodeado por residuos apolares. La quinta posición de coordinación del ion ferroso se une al nitrógeno de un anillo de la histidina proximal. La histidina distal, no está unida directamente con el hierro, sino que establece un puente de hidrógeno con el oxígeno. Cuando la mioglobina no está oxigenada, el Fe2+ del grupo hemo se encuentra aproximadamente 0,03 nm fuera del plano del anillo en dirección a la histidina proximal. En la mioglobina oxigenada, un átomo de oxígeno ocupa la sexta posición de coordinación del átomo de hierro y entonces se desplaza 0,1 nm fuera del plano del hemo. Por tanto, la oxigenación de la mioglobina va acompañada del movimiento del átomo de hierro, y en consecuencia se desplazan hacia el plano del anillo la His F8 y los residuos aminoácidos enlazados covalentemente a él. Este movimiento produce una nueva conformación de ciertas partes de la proteína. 14 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 4.7. Estructura cuaternaria La estructura cuaternaria puede estar formada de dos a cuatro cadenas polipeptídicas que se encuentran unidas nuevamente por enlaces disulfuro, puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas. Los enlaces que se forman entre las cadenas polipeptídicas són débiles y, por tanto, es más fácil romper esta estructura. Un ejemplo de estructura cuaternaria es la hemoglobina. Las hemoglobinas de los eritrocitos de los vertebrados tienen dos funciones biológicas principales: 1. Transportar el O2 del aparato respiratorio a los tejidos periféricos. 2. Transportar desde los tejidos periféricos el CO2 y los protones hasta los pulmones para ser excretados. La capacidad de la hemoglobina de ser el transportador de oxígeno a través de la sangre viene determinada por su estructura cuaternaria, y como es natural por la terciaria, secundaria y primaria. Pero es la estructura cuaternaria la que confiere a la hemoglobina propiedades adicionales que le permiten realizar su papel biológico. Así la hemoglobina es una proteína tetramérica (cuatro cadenas polipeptídicas), poseen dos pares de polipéptidos diferentes o unidades monoméricas (denominadas a, b). Aunque semejantes en longitud global. La similitud en la estructura tridimensional entre la cadena polipeptídica de la mioglobina y las cadenas y de la hemoglobina es sorprendente, a pesar que existen muchas diferencias entre las secuencias de aminoácidos de las tres cadenas polipeptídicas. En realidad, las secuencias de las tres cadenas polipeptídicas sólo coinciden en 24 de las 141 posiciones (aproximadamente un 20%), lo que demuestra que no es el aminoácido en concreto el que determina la estructura sino el carácter del aminoácido lo que la determina. La hemoglobina presenta una estructura cuaternaria que le confiere una serie de propiedades que la hacen idónea para el transporte de oxígeno. Fijémonos en las diferencias entre las curva de saturación de oxígeno que presenta la hemoglobina y la mioglobina. 15 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 Se define la función de saturación, Y, como la fracción de ocupación de los centros de unión al oxígeno (el tanto por uno de la ocupación de los centros que unen oxígeno). El valor de Y puede variar entre 0 y 1 (0 -todos los centros vacíos-, 1 -todos los centros ocupados-). La representación de la función de saturación Y frente a la pO2 (presión parcial de oxígeno) se denomina curva de disociación del oxígeno. Las curvas de disociación del oxígeno de la mioglobina y hemoglobina difieren en dos aspectos. Por un lado la pO2 dada, Y es mayor para la mioglobina que para la hemoglobina (tiene más afinidad por el oxígeno la mioglobina que la hemoglobina). La segunda diferencia es que la curva de disociación del oxígeno de la mioglobina tiene una forma hiperbólica, mientras que la curva de la hemoglobina es sigmoidea. Estas diferentes curvas son las que le permiten a una ser el transportador por la sangre del oxígeno, mientras que la otra el almacén del oxígeno en el músculo. La explicación del diferente comportamiento de la mioglobina y la hemoglobina radica en su diferente estructura, mientras que la mioglobina es una proteína monomérica la hemoglobina es tetramérica. Son las interacciones entre las diferentes subunidades de la hemoglobina las que explican el efecto cooperativo, ya que sus subunidades por separado son muy similares a la mioglobina. La desoxihemoglobina es una molécula más tensa (T) , más contraída que la oxihemoglobina, a causa de que presenta 8 enlaces salinos (enlaces por fuerzas electrostáticas), mientras que la oxihemoglobina no los presenta, está más relajada (R). Estos enlaces salinos están a cierta distancia del grupo hemo, aunque la unión del oxígeno los afecta. Se sabe que en la desoxihemoglobina, a igual que ocurría con la mioglobina, el átomo de hierro está 0,4 Å fuera del plano del hemo por el lado de la histidina proximal, de manera que el grupo hemo queda un poco curvado (convexo) en el mismo sentido. En la oxihemoglobina, el átomo de hierro se introduce en el plano de la porfirina de modo que puede formar un enlace fuerte con el O2, y el grupo hemo se vuelve más plano.Este movimiento del hierro provoca el cambio de la afinidad por el oxígeno en la hemoglobina. La respuesta está en que el hierro arrastra a la histidina proximal, que estira el resto de la cadena polipeptídica rompiendo algunos enlaces salinos. 16 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 Como cada molécula de hemoglobina tiene cuatro grupos hemo, pueden unir 4 moléculas de O2. La primera unión de oxígeno implica que para arrastrar la histidina proximal tiene que luchar con ocho enlaces salinos. Una vez que se ha unido ya no quedan ocho sino menos porque se han roto varios de estos enlaces salinos, con lo que la segunda ya no lucha contra ocho sino tal vez con menos, con lo que la resistencia es menor (al tener que arrastrar menos residuos aminoacídicos) siendo cada vez más fácil la unión del oxígeno al grupo hemos. La unión del oxígeno a la mioglobina es más fácil, ya que la unión del oxígeno al grupo hemo tan solo tiene que arrastrar los aminoácidos de una única cadena (153 aminoácidos). 5. EJEMPLOS DE ESTRUCTURA-FUNCIÓN: estructurales y funcionales Las estructuras que adquieren las proteínas són las que determinan la función que van a hacer y también sirven para mantener otras estructuras. La estructura de las proteínas es muy modificable por pequeños cambios que se pueden producir en el exterior, en el pH, la temperatura, etc. y són capaces de captar lo que pasa y adaptarse en respuesta al cambio gracias a que los enlaces són muy débiles. Por lo tanto, tienen una estructura muy hábil. Las proteínas estructurales són hélices, láminas y diferentes estructuras al azar. Las α-queratinas són varias α-hélices que se van juntando entre sí mediante interacciones de puentes disulfuro. La fibroína es una proteína muy fuerte y flexible de manera que es difícil que se rompa. Un ejemplo de esta proteína es la tela de araña. Muchas veces se dan enlaces entrecruzados entre las fibroinas, lo único que mueve són los ángulos de las láminas de las β-queratina. La elastina se encuentra en los tejidos juntamente con el colágeno. Los aminoácidos que forman estas proteínas són pequeños. Se caracteriza por no tener una estructura secundaria, de manera que los monómeros de tropoelastina se encuentran unidos por enlaces entrecruzados entre las glicinas. Cuando la estructura se encuentra en estado relajado se forma una especie de glóbulo porque los monómeros de tropoelastina se pliegan entre sí mismos. El colágeno también es un ejemplo de la dualidad entre estructura y función. La mioglobina es una proteína se encuentra en los músculos y tiene la función de almacenar energía y sólo la libera cuando la concentración de oxígeno es muy baja y esto pasa cuando se consume el oxígeno durante la realización de ejercicio. El hierro recibe seis enlaces dativos y se queda con dos electrones libres de manera que se forma un anillo tetraquerronico. Los electrones los utiliza para formar los enlaces con la histidina distal e histidina proximal y el otro con el oxígeno para poder transportarlo. La hemoglobina es una proteína de estructura cuaternaria que transporta el oxígeno desde el pulmón a los músculos. La hemoglobina une los oxígenos a cada una de las cadenas polipeptídicas. Estas cadenas se encuentran unidas por enlaces salinos y cuando entran los oxígenos se deja de estirar la molécula de manera que los enlaces se vuelven más débiles hasta que algunos se rompen. La forma relajada y tensa de la proteína tiene relación con los enlaces salinos. A medida que van entrando los oxígenos se hace más fácil su unión. 17 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 TEMA 4: ÁCIDOS NUCLEICOS 1. ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO. ADN Los ácidos desoxirribonucleicos (ADN) son polímeros muy largos de nucleótidos, que continenen miles de desoxirribonucleótidos de cuatro clases diferentes (dAMP- desoxiadenilato, dGMP-desoxiguanilato, dTMP-desoxitimidilato y dCMP-desoxicitidilato) unidos según una secuencia que es característica de dos hebras para cada organismo. Consta de dos hebras. La principal función de estas moléculas es almacenar información para poder sintetizar proteínas de manera que cada tres desoxirribonucleótidos de la cadena de ADN se codifica un aminoácido. Dos células no expresan las mismas proteínas ya que cada una tiene una función diferente para el organismo gracias a que el ADN tiene la información de la función que debe realizar cada tipo de célula. Esta expresión de proteínas también va variando a medida que pasan los años. Entonces, a grandes rasgos, las funciones del ADN son almacenar información genética (para la síntesis de ARN y proteínas), programar en el tiempo y el espacio la biosíntesis ordenada de los componentes de la célula y los tejidos, determinar las actividades de un organismo a lo largo de su ciclo vital y definir la individualidad de un organismo dado. En las células procariotas el cromosoma (único) es una gran molécula de ADN dispuesta de modo compacto en una zona nuclear o nucleoide (se encuentra disperso). En las células eucariotas las moléculas de ADN están combinadas con proteínas y se hallan organizadas en fibras de cromatina (este nombre procede de los primeros trabajos realizados por microscopia, en los el ADN nuclear tomaba color cuando se le teñía) en el interior del núcleo, el cual está rodeado de un complejo sistema de doble membrana. Cuando la cromatina se compacta se forman los cromosomas. 1.1. Composición del ADN Una molécula de agua está formada por azúcar, una base nitrogenada, que puede ser púrica o pirimidínica, y un grupo fosfato. El azúcar es cíclico y está formado por cinco átomos de carbono. Debido a que está ciclado no tienen libertad de giro. El ADN está formado por desoxirribosas y el ARN está formado por ribosas. Las bases nitrogenadas pueden ser púricas o pirimidínicas según deriven de la purina o la pirimidina. Las purinas están formadas por dos anillas y las pirimidinas por una sola. En ellas se encuentra la información. En las bases nitrogenadas tampoco hay libertad de giro. El grupo fosfato se encuentra unido al carbono 5' del azúcar por un enlace fosfoéster. Este grupo fosfato, a pH fisiológico, se encuentra cargado, por lo que es el responsable de la fuerte carga negativa de los nucleótidos y los ácidos nucleicos. La base está unida a un azúcar se llama nucleósido, de este modo un nucleótido es un nucleósido fosfato. Los sucesivos nucleótidos están unidos entre sí por enlaces covalentes, a través de puentes fosfatos. El grupo 5'-hidroxilo de la pentosa de un nucleótido está unido al grupo 3'-hidroxilo del nucleótido siguiente por un enlace fosfodiéster. De este modo, el esqueleto covalente de los ácidos nucleicos está constituido por grupos alternativos de 1 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 fosfato y de pentosa, mientras que las bases características aparecen como grupos laterales unidos al esqueleto a intervalos regulares. Las cadenas de ADN tienen una polaridad o dirección específica, ya que todos los enlaces fosfodiéster internucleótidos tienen la misma orientación a lo largo de la cadena. Debido a esta polaridad cada cadena lineal del ácido nucleico tiene un extremo 5' terminal y un extremo 3' terminal. La estructura del ADN se representa siempre con el extremo 5' terminal a la izquierda y el extremo 3' terminal a la derecha, es decir en dirección 5'→3'. 1.2. Estructura del ADN La estructura secundaria del ADN fue propuesta por Watson y Crick en 1953. Los datos de los que partieron Watson y Crick para determinar la estructura del ADN fueron que se sabía que el ADN estaba formado por fosfatos, desoxirribosa y bases púricas y pirimidínicas, unidas por diferentes enlaces que presentan posibles rotaciones y que la proporción de cada uno de estos componentes es 1:1:1 (fosfato:ribosa:base) y las características hidrofóbicas-hidrofílicas de los componentes del ADN. Las bases púricas y pirimidínicas son hidrofóbicas, mientras que la desoxirribosa y los grupos fosfatos son hidrofílicos (en el caso de los grupos fosfato están cargados a pH fisiológico). Difracción de Rayos X. En la figura se puede ver el modelo de difracción por rayos X de un cristal de ADN. Las manchas centrales en forma de cruz son indicativas de una estructura helicoidal. Las bandas densas que aparecen en la parte superior e inferior corresponden a las bases que se van repitiendo periódicamente, y que están separadas 3,4Å. De estos estudios realizados por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins se demostró que la molécula era helicoidal y que las bases de los nucleótidos están apiladas con los planos separados por una distancia de 3,4Å. Esta fotografía fue analizada por Watson y Crick. 2 Descarregat per Anónimo Anónimo ([email protected]) lOMoARcPSD|47538059 El análisis químico del contenido molar de las bases (conocido como composición de bases) demostraba que la adenina, timina, guanina y citosina de las moléculas del ADN aisladas de muchos organismos proporcionaron un dato importante de que [A] = [T] y [G] =[C], y a partir del cual siguió el siguiente corolario [A+G] = [T+C] o lo que es lo mismo [purinas]=[pirimidinas]. El estudio detenido de la estructura de las bases nos permite considerar que la A y T pueden interaccionar entre si, mientras que G y C lo hacen entre sí. El diámetro del interior de la hélice es de unos 10,85Å que ajusta perfectamente a interacciones entre una purina y una pirimidina, y es demasiado pequeña para interacciones entre purinas y demasiado grande para interacciones entre pirimidinas. James Watson y Francis Crick combinaron los datos físicos y químicos con modelos teóricos, y lo que siempre es necesario para un investigador una buena dosis de intuición y desarr

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