Tema 1: Introducción a la Bioquímica PDF

Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA Estructuras biológicas. Procesos metabólicos. Expresión y transmisión de la información genética. Bioquímica y Biotecnologí...

Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA Estructuras biológicas. Procesos metabólicos. Expresión y transmisión de la información genética. Bioquímica y Biotecnología. “MUCH OF LIFE can be understood in rational terms if expressed in the language of chemistry. It is an international language, a language for all of time, and a language that explains where we came from, what we are, and where the physical world will allow us to go.” Arthur Kornberg (1918-2007), 1987. Premio Nobel por el descrubimiento de los mecanismos de sintesis biológica de acidos ribonucleicos y deoxyribonucleicos junto a Severo Ochoa. Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Estructuras biológicas.  Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Estructuras biológicas. Proteínas Ácidos nucleicos Carbohidratos Lípidos (ERK5, generada con alphafold) (Estructura RNA, NDB) (“proteopedia”) (“proteopedia”) Otras moléculas (e.g.: vitaminas)  Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Estructuras biológicas. Proteínas Ácidos nucleicos Carbohidratos Lípidos Elevada diversidad structural Guardar información Poca diversidad estructural Membranas celulares. (homo y heteropolímeros) Función estructural (keratina) Transmisión de información Compartimentalización. Componentes estructurales Agente transportador (hemoglobina) Expresión de información (e.g. celulosa) Protección (e.g. ceras) Transmisión de información (hormonas) Catálisis de reacciones Reserva energética (e.g. almidón) Participación en otros procesos celulares Receptores (e.g. TLR4) importantes Reconocimiento celular (e.g. transporte; señalización, vitaminas, Defensa (anticuerpos) (membranas) pigmentos) Enzimas (miles de reacciones químicas) Señalización (modificación proteínas) Detoxificación (ac. glucurónico)  Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Estructuras biológicas. Qué diferencia a un ser vivo del resto de estructuras? Los 7 pilares que definen la vida: 1.- Un programa, o plan organizado para la creación y la reproducción de un organismo (i.e. el genoma). 2.- Improvisación, o la capacidad de cambio en un programa para la supervivencia a un entorno cambiante a lo largo de las generaciones (mutación). 3.- Compartimentalización, habilidad de un organismo de aislarse del ambiente (función de las membranas). 4.- Energía, la termodinámica nos enseña que los procesos espontáneos ocurren en la dirección de simplicidad y aleatoriedad. Sin embargo, los sistemas vivos deben crear complejidad y orden para sostener su programa y los Daniel Koshland demás pilares de la vida. Los seres vivientes llevan a cabo reacciones que dan energia para acoplarlas a reacciones que requieren energia para crear complejidad: sintesis de acidos nucleicos, proteinas, transimision del impulso nervisoso, etc. 5.- Regeneración, la abilidad de compensar el decaimiento a consecuencia de mantener un estado físico alejado del equilibrio. 6.- Adaptación, capacidad para responder a cambios ambientales (e.g. nutrientes). 7.- Aislamiento de los procesos metabólicos y vias de señalización, que deben operar en aislamiento los unos de los otros. Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Estructuras biológicas. Estructuras de las células eucariotas https://www.cellsignal.com/pathways/cellular-landscapes/cellular-landscape-protein-synthesis# Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Expresión y transmisión de la información genética. 1. Expresión y transmisión de la información genética: el dogma central. Transcripción. Traducción. Replicación. Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Expresión y transmisión de la información genética. 2. Los nucleótidos son las unidades monoméricas de los ácidos nucleicos. Nucleósidos Nucleótidos DNA: deoxy- A, C, G, T RNA: A, C, G, U Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Expresión y transmisión de la información genética. 3. Secuencias complementarias forman la doble hélice. 1. Dos hebras helicoidales de polynucleotidos se enrollan alrededor de un eje común. Las hebras son antiparalelas, es decir, tienen direccionalidad opuesta. (+info.: modelo de Watson y Crick) 2. El esqueleto fosfodiester - azucar se sitúan en el exterior y las bases de purina/pirimidina se encuentran en el interior de la hélice. 3. Las bases se sitúan casi perpendicularmente al eje de la hélice, y las bases adyacentes están separadas por aproximadamente 3.4 Å. La estructura helical se repite cada 34 Å, con aprox. 10.4 bases/vuelta. Hay una rotación de unos 36o por cada base (360o por vuelta completa). 4. El diámetro de la hélice es de 20 Å.  Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Expresión y transmisión de la información genética. 4. Las polimerasas replican el ADN tomando instrucciones de moldes La nueva cadena se ensambla directamente sobre un molde de DNA preexistente: hebra simple de DNA (necesita primer con 3’-OH libre) o doble hebra con una de las cadenas rotas. Las DNA polimerasas catalizan la adición, paso a paso, de las unidades de desoxirribonucleótidos a una cadena de DNA. Requiere precursores activados (dATP, dGTP, dTTP y dCTP), Mg2+ y tiene lugar por ataque nucleofílico del grupo 3’-hidroxilo del cebador sobre el átomo de fosforo mas interno del dNTP. La elongación siempre es en sentido 5’ -> 3’. Tasa de error < 10-8 (actividad nucleasa + polimerasa)  Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Expresión y transmisión de la información genética. 5. Expresión Génica: De la información a moléculas funcionales. El código genético. El código genético establece la relación entre la secuencia de bases del ADN, mediada por ARNm, con la secuencia de amino ácidos que forman las proteínas. Desde los años 60, se establecieron algunos principios básicos de este código: 1. Tres nucleótidos codifican un aminoácido. Las proteínas están construidas a partir de 20 aminoácidos diferentes, pero el ADN solo tiene cuatro bases diferentes. Por tanto, se necesita secuencias de tres bases (codón) para codificar 20 aminoácidos. 2. El código es no solapante. Por ejemplo, en una secuencia hipotética ABCDEF: un código solapante lo interpretaría como ABC, BCD, CDE, etc. En un código no solapante, los aminoácidos vienen determinados según la secuencia ABC, CDE, etc... 3. Las bases se leen secuencialmente desde el inicio: no hay “signos de puntuación” 4. El código posee direccionalidad. Se lee desde el 5’ al 3’ del ARNm 5. Es un código “degenerado”: Diferentes secuencias codón pueden codificar el mismo aminoácido. Hay 64 tripletes posibles y solo 20 aminoácidos. 61 codifican para aminoácidos, 3 son específicos: codones de parada de traducción. Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Expresión y transmisión de la información genética. 6. Expresión Génica: De la información a moléculas funcionales. Transcripción. Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Expresión y transmisión de la información genética. 6. Expresión de proteinas. Traducción.  Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Procesos metabólicos. La complejidad bioquímica de una célula, el metabolismo intermediario, se constituye con un número limitado de patrones repetitivos, reacciones y moléculas. Una de las funciones del metabolismo intermediario es la conversión de energía ambiental en la moneda energética celular, el ATP. Todas las células transforman energía. Extraen energía del ambiente y la usan para convertir moleculas simples en compartimentos celulares.  Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Procesos metabólicos. A. Cómo la célula extrae energía y poder reductor del ambiente? B. Cómo una célula sintetiza los bloques constituyentes de sus macromoléculas y las propias macromoléculas? 1. Los combustibles se degradan y se construyen macromoléculas paso a paso en una serie de reacciones encadenadas llamadas rutas metabólicas. 2. Hay una “moneda” energética común a todas las formas de vida, adenosina trifosfato (ATP), que une a vías que liberan energía con vías que requieren energía. 3. La oxidación de los nutrientes de carbono potencian la formación del ATP. 4. Aunque existen miles de reacciones metabólicas, la mayoría se generan con un numero modesto de tipos de reacciones y determinados intermediarios son comunes a muchas reacciones. 5. Las vías metabólicas están altamente reguladas. Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Procesos metabólicos. El metabolismo está compuesto de muchas reacciones acopladas e interconectadas. Los organismos vivos requieren un aporte continuo de energía libre para cumplir 3 objetivos principales: (1) Llevar a cabo trabajo mecánico en la contracción muscular y los movimientos celulares. (2) Transporte activo de moléculas e iones. (3) La síntesis de macromoléculas y otras biomoléculas desde precursores simples. Esta energía mantiene a los organismos en una situación lejana al equilibrio termodinámico: Organismos fotosintéticos o fotótrofos obtienen energía del sol. Organismos quimiotrofos (incluyen a los animales) obtienen energía de la oxidación de alimentos generados por los fotótrofos. Reacciones que transforman nutrientes en energía celular: catabólicas. Las reacciones que requieren energía (e.g. sintesis de glucosa): anabólicas. Las vias metabólicas que pueden ser ambas según el estado energético cellular: amfibólicas. Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Procesos metabólicos. La oxidación de los combustibles del carbono potencian la formación del ATP. La formación del ATP está acoplada directamente a la oxidación de fuentes de carbono o a la formación de gradientes iónicos. Los organismos fotosintéticos usan la energía del sol para generar estos gradientes. El ATP se consume en reacciones endergónicas y en procesos de señalización celular. La extracción de la energía desde los nutrientes (por organismos aeróbicos) se lleva a cabo en tres etapas: En la primera etapa, macromoléculas se rompen en otras más pequeñas, tales como amino ácidos, azúcares y ácidos grasos. En la segunda etapa, estas moléculas pequeñas se degradan a unidades simples, tales como el acetyl Co- A, que tienen unas funciones extendidas en el metabolismo. En la tercera etapa del metabolismo se encuentran procesos como el ciclo del ácido cítrico o la fosforilación oxidativa, en la que el ATP es generado por el flujo de electrones hacia el oxígeno, el aceptor de electrones final, y los nutrientes son completamente oxidados a CO2. Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Procesos metabólicos. La oxidación de los combustibles del carbono potencian la formación del ATP. > Los gradientes iónicos a través de las membranas generan una fuente importante de energía celular que puede acoplarse a la síntesis del ATP. Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Procesos metabólicos. Conceptos clave del metabolismo relativas al uso de moléculas transportadoras activadas: A.- La estabilidad cinética de moléculas transportadoras (e.g. NADH, FADH2, ATP, AcCoA, etc.) en ausencia de catalizadores específicos (enzimas) es esencial para su función biológica porque permite a las enzimas el control del flujo de energía libre y poder reductor. B.- La mayoría de intercambios de grupos activos se realizan por un numero relativamente pequeño de transportadores. Este es uno de los motivadores unificadores de la bioquímica e ilustra el diseño modular del metabolismo. Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Procesos metabólicos. Las vías metabólicas están altamente reguladas. Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Procesos metabólicos. Las vías metabólicas están altamente reguladas. 1. Regulación de la cantidad de enzima: velocidad de síntesis y degradación de la proteína. Regulación de su transcripción. Por ejemplo, las bacterias pueden inducir en pocos minutos un aumento de 50 veces en los niveles de beta-galactosidasa (metabolismo del disacárido). 2. Control de la actividad catalítica: Control alostérico: la primera reacción en una ruta biosintética es inhibida por el producto final de la vía metabólica (puede ser instantáneo). Modificaciones covalentes reversibles, por ejemplo: fosforilación. Las hormonas coordina las relaciones metabólicas entre los diferentes tejidos, a menudo mediante la modificación reversible de enzimas clave del metabolismo. (e.g. epinefrina: liberar glucosa desde el glucógeno) Carga energética celular (proporción de ATP/nucleótidos). 3. Control del acceso a los substratos. Por ejemplo, en muchas células el metabolismo de la glucosa solo se puede dar si hay insulina presente (promueve entrada de glucosa a la célula). En eucariotas, la compartimentalización celular incrementa la flexibilidad y regulación del metabolismo. La compartimentalización segrega reacciones opuesta; síntesis/degradación ac. grasos) Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Procesos metabólicos. Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Bioquímica y Biotecnología. La biotecnología tiene un papel fundamental en la producción directa de químicos especializados:  fermentación: ácido cítrico, láctico, aminoácidos y propano-1,3-diol.  Biofuels.  Síntesis de gas de biomasa.  Producción de polímeros (poly-hidroxyalkenatos). En 1916, durante la Primera Guerra Mundial, la bacteria Clostridium acetobutylicum se combinaba con patata y maíz para producir acetone (producción de cordita), butanol y etanol (ABE process). Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Bioquímica y Biotecnología. Prof. Frances Arnold. Prof. Jennifer A. Doudna http://fhalab.caltech.edu Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Bioquímica y Biotecnología. Degradación dirigida de proteínas La degradación dirigida de proteínas utiliza los sistemas naturales de eliminación celular para eliminar proteínas causantes de enfermedades y es aplicable a diversas áreas terapéuticas, incluyendo oncología, dermatología, inmunología, neurociencia y enfermedades respiratorias. Como un enfoque completamente nuevo, ofrece esperanza para tratar enfermedades que antes se consideraban difíciles de abordar. La degradación en lugar de la inhibición de una proteína objetivo presenta varias ventajas, como una respuesta a medicamentos más eficaz a dosis más bajas y una intervención más precisa con posiblemente menos efectos secundarios y resistencia a la enfermedad. Los primeros compuestos de esta clase, llamados quimeras dirigidas a la proteólisis (PROTACs), están siendo probados como medicamentos candidatos contra varios tipos de cáncer y otras enfermedades, avanzando en ensayos clínicos. A beginner’s guide to PROTACs and targeted protein degradation Alessio Ciulli; Nicole Trainor. Biochem (Lond) (2021) 43 (5): 74–79. https://doi.org/10.1042/bio_2021_148 Grados en Enología y Química. Tema 1: INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA: Bioquímica y Biotecnología. https://youtu.be/wJyUtbn0O5Y?si=_qByMKrQGm9h8E4w