Proteínas y carbohidratos PDF

Clase N° 3: Compuestos orgánicos escenciales para la vida. PROTEÍNAS Y CARBOHIDRATOS Dra. María Valeria Razori Todos los organismos vivos están compuestos principalmente de carbono (C). C: forma moléculas grandes, diversas y complejas → diversidad molecular → diversidad...

Clase N° 3: Compuestos orgánicos escenciales para la vida. PROTEÍNAS Y CARBOHIDRATOS Dra. María Valeria Razori Todos los organismos vivos están compuestos principalmente de carbono (C). C: forma moléculas grandes, diversas y complejas → diversidad molecular → diversidad de organismos.  COMPUESTOS ORGÁNICOS ✓ Los compuestos que contienen carbono son orgánicos y la rama de la química que se especializa en el estudio de los compuestos de carbono se llama QUÍMICA ORGÁNICA. ✓ Desde CH4 hasta moléculas con miles de átomos, como las proteínas. ✓ Las cadenas de carbono forman los esqueletos de la mayoría de las moléculas orgánicas. Estos varían en longitud y pueden ser rectilíneos, ramificados o dispuestos en anillos cerrados. Algunos esqueletos de carbono pueden contener dobles enlaces. → Responsable de la complejidad y diversidad molecular en la materia viva. ✓ Las propiedades de las moléculas orgánicas depende de la disposición del esqueleto de carbono y de los componentes moleculares unidos al esqueleto → grupos funcionales. Grupos funcionales y propiedades → Grupos funcionales, grupos pequeños de átomos con propiedades químicas específicas. Confieren propiedades a la MM. Ejemplo: grupo hidroxilo (-OH), es polar y atrae a las moléculas de agua. Las moléculas que contienen el grupo hidroxilo, suelen disolverse en agua con facilidad. Los grupos funcionales en nuestra vida diaria Grupos funcionales en azúcares. Los grupos funcionales en nuestra vida diaria Aromas de aldehídos. Los grupos funcionales en nuestra vida diaria Estructuras con el grupo funcional cetona. Los grupos funcionales en nuestra vida diaria Grupo funcional éster y las frutas. Los grupos funcionales en nuestra vida diaria Un anhídrido para obtener aspirina. Los grupos funcionales en nuestra vida diaria Grupo funcional amida. Los grupos funcionales en nuestra vida diaria Estructuras con el grupo funcional amina. Los grupos funcionales en nuestra vida diaria Estructuras con el grupo funcional nitrilo o ciano. Los grupos funcionales en nuestra vida diaria Grupo funcional nitro. MACROMOLÉCULAS  ¿QUÉ SON LAS MACROMOLÉCULAS? ✓ La mayoría de las moléculas biológicas son polímeros, construidos por el enlace covalente de moléculas más pequeñas llamados monómeros. Los monómeros poseen estructura química similar. ✓ Los polímeros con pesos moleculares (PM) superiores a 10.000 Da con MACROMOLÉCULAS. ✓ Funcionan e interactúan con otras moléculas dependiendo de las propiedades de los grupos químicos de sus monómeros (grupos funcionales).  Síntesis y descomposición de polímeros Proceso que requiere energía PROTEÍNAS PROTEÍNAS Representan más del 50 % de la masa seca de la mayoría de las células e intervienen en casi todo lo que los organismos efectúan. Son moléculas grandes y complejas que desempeñan muchas funciones críticas en el cuerpo. Realizan la mayor parte del trabajo en las células y son necesarias para la estructura, función y regulación de los tejidos y órganos del cuerpo. Están formadas por cientos o miles de unidades más pequeñas llamadas aminoácidos, que se unen entre sí en largas cadenas. Hay 20 tipos diferentes de aminoácidos que se pueden combinar para formar una proteína. La secuencia de aminoácidos determina la estructura tridimensional única de cada proteína y su función específica. PROTEÍNAS Los seres humanos tienen miles de proteínas diferentes, cada una con una estructura y función específica. Conforme a sus diversas funciones varían ampliamente en estructura y cada tipo de proteína tiene una forma tridimensional única. Las subunidades monoméricas de las proteínas son los aminoácidos. Los aminoácidos tienen un grupo funcional carboxilo y un grupo funcional amino, unidos al mismo átomo de carbono llamado carbono α. A los valores de pH que se encuentran las células ambos grupos están ionizados. Unidos al átomo de C α hay, además, un átomo de H y una cadena lateral o grupo R. Los grupos R Contienen grupos funcionales importantes en la estructura tridimensional y la función de la macromolécula. PROTEÍNAS Los 5 aminoácidos que tienen cadenas laterales con carga eléctrica atraen el agua y a los iones de carga opuesta. PROTEÍNAS Los 5 aminoácidos que tienen cadenas laterales polares tienden a formar puentes de hidrógeno con el agua u otras sustancias polares o cargas. Estos aminoácidos son hidrófilos. La cadena lateral de la cisteína tiene un grupo SH, pueden formar puente disulfuro. La cadena lateral de la Glicina tiene un solo átomo de hidrógeno. La prolina difiere de otros aminoácidos, ya que su grupo amino se encuentra modificado. PROTEÍNAS Existen 7 aminoácidos con cadenas laterales no polares. Estos aminoácidos son hidrófobos. PROTEÍNAS AA aromáticos Se denominan aromáticos porque en su estructura, en su cadena lateral, poseen un anillo de benceno. Trp, Tyr, Phe. AA esenciales y no esenciales Algunos de los AA no pueden ser sintetizados en los tejidos animales en cantidades suficientes para llenar las necesidades metabólicas de estos, por lo cual se les da el nombre de aminoácido esenciales. Los aminoácidos esenciales son: isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano, valina y la histidina. Los aminoácidos esenciales son los más relevantes porque su carencia en el organismo limita el desarrollo del mismo, ya que este por sí mismo no puede sintetizarlos. PROTEÍNAS ¿Cómo se unen entre sí los AA? Mediante Enlace peptídico El grupo carboxilo de un aminoácido reacciona con el grupo amino de otro y sufre una reacción de condensación que forma un enlace peptídico. Todos los grupos amino y carboxilo de la cadena están comprometidos en la formación del enlace peptídico excepto los de las cadenas laterales. Orientación a amino → carboxilo. PROTEÍNAS Una proteína está formada por una o más cadenas largas, plegadas de aminoácidos (cada una llamada polipéptido), cuyas secuencias están determinadas por la secuencia de ADN del gen que codifica la proteína. PROTEÍNAS Estructura primaria Es la secuencia precisa de aminoácidos de una cadena polipeptídica. El esqueleto peptídico consiste en la secuencia repetida -N-C-C- constituida por, el átomo de N de grupo amino, el átomo de Cα y el átomo de C del grupo carboxílico de cada aminoácido. La secuencia precisa de aminoácidos determinan de qué manera la proteína puede girar, plegarse y adoptar así una estructura estable específica que la distingue de cualquier otra. La estructura primaria está determinada por enlaces covalentes. PROTEÍNAS Estructura secundaria Consiste en patrones estructurales repetidos irregulares en diferentes regiones de una cadena polipeptídica. Están determinados por los puentes hidrógenos existentes entre los aminoácidos que constituyen la estructura primaria. Dos tipos: Hélice α: Espiral de dextrógira. Los grupos R se extienden hacia fuera del esqueleto peptídico. La formación del espiral resulta de los puentes de hidrógeno que se forman entre el hidrógeno con densidad de carga positiva del grupo N-H de un aminoácido y el hidrógeno con densidad de carga negativa del C=O de otro. Cuando se reitera el patrón de puentes hidrógeno en un segmento de la proteína la espiral se estabiliza. La presencia de aminoácidos con grandes grupos R distorsionan la espiral. Hoja plegada o lámina β: Se forma a partir de 2 o más cadenas polipeptídicas extendidas y alineadas casi por completo. Se estabiliza mediante puente de hidrógeno formados entre los grupos de una cadena N-H y los grupos de la otra C=O. PROTEÍNAS Estructura secundaria PROTEÍNAS PROTEÍNAS Estructura terciaria La cadena polipeptídica puede curvarse en sitios específicos y plegarse de un lado a otro conformando la estructura terciaria. Da lugar a una macromolécula con una forma tridimensional definida. Las interacciones entre los grupos R son las que determinan la estructura terciaria: Fuentes disulfuro. Cadenas laterales hidrófobas. Pueden ubicarse en el interior de una proteína plegando, así, al polipéptido. Enlaces iónicos entre las cadenas laterales con carga positiva y negativa. Puentes hidrógeno. Fuerzas de van der Waals. PROTEÍNAS PROTEÍNAS Estructura cuaternaria Muchas proteínas contienen dos cadenas polipeptídicas, o más, llamadas subunidades, cada una de las cuales se pliega en su estructura terciaria. La estructura cuaternaria resulta del modo en el cual estas unidades se unen e interactúan. PROTEÍNAS https://community.rstudio.com/t/three-dimensional-3d- interactive-visualization-of-protein-structures-shiny-contest- submission/104697 PROTEÍNAS Desnaturalización de proteínas El plegamiento de la proteína tiene lugar a medida que se sintetiza dentro de la célula. La conformación proteica también depende de las condiciones físicas y químicas del medio. Si se alteran el pH, la concentración de sales, la temperatura, la proteína puede llegar a desenrollarse y perder su conformación nativa, un cambio llamado desnaturalización. Debido a esta deformación la proteína desnaturalizada es biológicamente inactiva. Los aumentos de temperatura provocan movimientos y pueden romper puentes hidrógenos e interacciones hidrofóbicas. Los cambios de pH pueden alterar el patrón de ionización de los grupos R de los aminoácidos rompiendo el patrón de atracciones y repulsiones iónicas. Las altas concentraciones de sustancias polares como la urea puedan romper puentes hidrógenos. Las sustancias no polares también pueden alterar la estructura normal de la proteína. PROTEÍNAS Una proteína desnaturalizada cuenta únicamente con su estructura primaria. Por este motivo, en muchos casos, la desnaturalización es reversible. El proceso mediante el cual la proteína desnaturalizada recupera su estructura nativa se llama renaturalización. La estructura primaria es la que contiene la información necesaria y suficiente para adoptar niveles superiores de estructuración. Esta propiedad es de gran utilidad durante los procesos de aislamiento y purificación de proteínas, ya que no todas la proteínas reaccionan de igual forma ante un cambio en el medio donde se encuentra disuelta. En algunos casos, la desnaturalización conduce a la pérdida total de la solubilidad, con lo que la proteína precipita. La formación de agregados fuertemente hidrofóbicos impide su renaturalización, y hacen que el proceso sea irreversible. PROTEÍNAS Ejemplo: La clara de huevo se vuelve opaca durante la cocción debido a que las proteínas desnaturalizadas son insolubles y se solidifican. La desnaturalización provoca diversos efectos en la proteína: 1) Cambios en las propiedades hidrodinámicas de la proteína: aumenta la viscosidad y disminuye el coeficiente de difusión. 2) Drástica disminución de su solubilidad, ya que los residuos hidrofóbicos del interior aparecen en la superficie. 3) Pérdida de las propiedades biológicas. PROTEÍNAS Funciones de las proteínas: depende de su estructura La especificidad de la función de una proteína depende de su forma y de las características químicas de sus grupos superficiales expuestos. PROTEÍNAS Veamos algunos ejemplos Dos células adyacentes pueden unirse porque las proteínas que sobresalen de cada una de ellas interactúan. PROTEÍNAS Una sustancia puede entrar a la célula al unirse a una proteína transportadora de la superficie celular. PROTEÍNAS Una reacción química puede acelerarse cuando un tipo de proteína llamado enzima se une a los reactivos, en esta caso llamados sustratos. HACEMOS UN PARÉNTISIS: ¿QUÉ SON LAS ENZIMAS? Son proteínas especializadas → catalizadores biológicos. Aceleran procesos biológicos que de otra manera ocurrirían muy lentamente o no se llevarían a cabo. Funcionan en soluciones acuosas en condiciones muy leves de temperatura y pH. Las sustancias sobre las cuales actúan reciben el nombre de sustratos. Catalizan cientos de reacciones consecutivas en las que degradan nutrientes, se conserva y transforma la energía química y se fabrican macromoléculas. PROTEÍNAS Sus estructuras primarias, secundarias, terciarias y cuaternarias son esenciales para su función. ¿Por qué? o Si una enzima se desnaturaliza. Pierde su actividad catalítica. o Si se descompone en sus aminoácidos constituyentes. PROTEÍNAS Las enzimas aumentan la velocidad de la reacción. Proporcionan un ambiente propicio dentro del cual puede suceder la reacción. La reacción catalizada enzimáticamente tiene lugar dentro del SITIO ACTIVO (agrupación de aminoácidos distribuidos de manera precisa). La molécula fijada en el sitio activo y sobre la que actúa la enzima se denomina SUSTRATO. La enzima no se gasta durante el proceso. Las enzimas son muy específicas, discriminan fácilmente entre sustratos con estructuras muy similares. En la unión del sustrato con la enzima intervienen enlaces no covalentes, como puentes de hidrógeno, enlaces iónicos, interacciones hidrofóbicas. PROTEÍNAS Las señales químicas, como las hormonas, pueden unirse a las proteínas que se encuentran en la superficie externa de una célula. PROTEÍNAS Las proteínas de defensa llamadas anticuerpos pueden reconocer la forma de la cubierta de un virus y unirse a ella. HIDRATOS DE CARBONO HIDRATOS DE CARBONO Moléculas que contienen átomos de C, unidos a átomos de H y OH (H-C-OH). Funciones: Son la principal fuente de energía. Sus esqueletos de carbono pueden reacomodarse y formar nuevas moléculas esenciales para las estructuras y las funciones biológicas. Clasificación su según tamaño: Monosacáridos, como la glucosa, son los monómeros, a partir de los cuales se construyen los hidratos de carbono de mayor tamaño. Disacáridos, como la sacarosa, consisten en dos monosacáridos unidos por enlace covalentes. Oligosacáridos están constituidos por entre 3 y 20 monosacáridos. Polisacáridos, como el almidón, glucógeno y celulosa, son polímeros grandes compuestos por cientos o miles de monosacáridos. HIDRATOS DE CARBONO Son aldehídos o cetonas polihidroxilados o derivados. Contienen grupos carbonilo e hidroxilo y por lo tanto presentan reactividad de ambos grupos funcionales. Fórmula general: (CH2O)n Se clasifican según: Aldosas Monosacáridos (1) (Aldehído) Triosas (3 C) Localización del C=O Cetosas (Cetona) Disacáridos (2) Tetrosas (4 C) Número de unidades Tamaño de la de azúcares cadena carbonada Oligosacáridos (3 a D- Pentosas (5 C) 10) Estereoquímica Polisacáridos ( + 10) L- Hexosas (6 C) HIDRATOS DE CARBONO HIDRATOS DE CARBONO HIDRATOS DE CARBONO Monosacáridos Propiedades Son solubles en agua, dulces, cristalinos y blancos. No son hidrolizables. HIDRATOS DE CARBONO La glucosa existe en 2 formas, lineal o anular. La forma anular predomina en más del 99% de las circunstancias biológicas porque es más estable en condiciones fisiológicas. HIDRATOS DE CARBONO ADN ARN HIDRATOS DE CARBONO Disacáridos Son solubles en agua, dulces y cristalizables. Sacarosa Conocida comúnmente como azúcar de mesa, es un disacárido formado por la unión de una molécula de glucosa y una de fructosa, mediante enlace 1→2. Se presenta como un polvo cristalino blanco o ligeramente amarillento, con un sabor dulce característico. Se encuentra naturalmente en muchas plantas, pero se extrae principalmente de la caña de azúcar y de la remolacha azucarera para su uso comercial. La sacarosa tiene un papel fundamental en la alimentación humana, ya que es una de las principales fuentes de energía para el organismo. HIDRATOS DE CARBONO Maltosa Es el azúcar de malta. Grano germinado de cebada que se utiliza en la elaboración de la cerveza. Se obtiene por hidrólisis de almidón y glucógeno. Posee dos moléculas de glucosa unidas por enlace tipo (1-4). HIDRATOS DE CARBONO Lactosa La lactosa es un tipo de azúcar que se encuentra en la leche y otros productos lácteos. El cuerpo necesita una enzima llamada lactasa para digerir la lactosa. Es un disacárido formado por la unión de una molécula de galactosa y una molécula de glucosa. El enlace glucosídico que une a los dos monosacáridos es β-1 —> 4. HIDRATOS DE CARBONO Azucares reductores y no reductores Las reacciones redox de los monosacáridos son debidas a la presencia en sus moléculas de grupos carbonilo e hidroxilo, lo que hace que posean a la vez propiedades de los aldehídos (o cetonas) y de los alcoholes. Es sabido que estas familias de compuestos pueden convertirse unas a otras mediante oxidación o reducción. La molécula que se oxida es un “agente reductor” pues cede sus electrones a otra molécula que se reduce y, del mismo modo, la que se reduce es un “agente oxidante” pues al captar los electrones favorece la oxidación de la otra que los cede. HIDRATOS DE CARBONO Todos los monosacáridos son reductores, es decir, su grupo carbonilo es capaz de reaccionar como tal. Esto es importante en la industria alimentaria, porque el poder reductor está relacionado directamente con la capacidad de formar colores y aromas de tostado por reacción con la proteínas. Algunos disacáridos son reductores otros no. HIDRATOS DE CARBONO Polisacáridos No cristalizan, no tienen sabor dulce, carecen de poder reductor, y, aunque son sustancias hidrofílicas, son poco soluble en agua debido a su elevado peso molecular. Almidón: Reserva nutricional en vegetales. Se deposita en las células formando gránulos cuya forma y tamaño varían según el vegetal de origen. Es el principal hidrato de carbono de la alimentación humana. HIDRATOS DE CARBONO Almidón: consiste de dos polisacáridos químicamente distinguibles: la amilosa y la amilopectina. La amilosa es un polímero lineal de unidades de glucosa unidas por enlaces α (1-4), en el cual algunos enlaces α (1-6) pueden estar presentes. Esta molécula no es soluble en agua, pero puede formar micelas hidratadas por su capacidad para enlazar moléculas vecinas por puentes de hidrógeno y generar una estructura helicoidal que es capaz de desarrollar un color azul por la formación de un complejo con el yodo. La amilopectina es un polímero ramificado de unidades de glucosa unidas en un 94-96% por enlaces α (1-4) y en un 4- 6% con uniones α (1-6). Dichas ramificaciones se localizan aproximadamente a cada 15-25 unidades de glucosa. La amilopectina es parcialmente soluble en agua caliente. HIDRATOS DE CARBONO Una de sus propiedades más interesantes es evitar o favorecer la absorción de agua, haciendo posible que un alimento espese cuando es calentado y agitado simultáneamente. HIDRATOS DE CARBONO Glucógeno: Es un polisacárido de reserva en células animales. El hígado y músculo son los tejidos más ricos en glucógeno. Es almacenado en el citoplasma. Es un polímero de glucosa ramificado. Está formada por varias cadenas que contienen de 12 a 18 unidades de glucosa unidas por enlaces glucosídicos α-1,4; uno de los extremos de esta cadena se une a la siguiente cadena mediante un enlace α-1,6-glucosídico, tal y como sucede en la amilopectina. HIDRATOS DE CARBONO Celulosa: se forma por la unión de moléculas de β-glucosa mediante enlaces β-1,4-O-glucosídico. Posee funciones estructurales en vegetales; es uno de los componentes principales de las paredes celulares. Es el polisacárido más abundante en la naturaleza y está formado por más de 10000 unidades de glucosa. HIDRATOS DE CARBONO La celulosa tiene una estructura lineal o fibrosa, en la que se establecen múltiples puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de distintas cadenas yuxtapuestas de glucosa, haciéndolas impenetrables al agua, lo que hace que sea insoluble en agua, y originando fibras compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales. HIDRATOS DE CARBONO Otros H de C HIDRATOS DE CARBONO ESTEREOISÓMEROS Son compuestos que, aunque tienen la misma fórmula empírica, se diferencian entre si por la diferente colocación de sus átomos en el espacio. ¿Qué es un carbono asimétrico? Es un carbono que está unido a cuatro grupos de átomos diferentes. Cualquier C que tenga dos enlaces al mismo grupo de átomos, no es asimétrico; por ej, un C unido a dos H. ¿Cómo diferenciamos el isómero D del L? Buscamos los C asimétricos en el monosacárido; por ej, glucosa. Luego, señalamos el último C asimétrico. HIDRATOS DE CARBONO Nos fijamos donde está colocado el OH en el último carbono asimétrico. Si está a la derecha el monosacárido pertenece a la serie D. Si está a la izquierda a el monosacárido pertenece a la serie L. HIDRATOS DE CARBONO https://biomodel.uah.es/model6/Fischer.htm Por extensión, se utiliza un convenio similar para definir las series D y L de los aminoácidos, en los que el grupo amino toma el lugar del hidroxilo y el carboxilo el del carbonilo. HIDRATOS DE CARBONO Enantiómeros Son dos compuestos que se diferencian en su estructura espacial y en su comportamiento respecto a la luz polarizada (Las ondas luminosas no suelen estar polarizadas, de forma que la vibración electromagnética se produce en todos los planos. La luz que vibra en un solo plano se llama luz polarizada). Los compuestos que poseen uno o mas carbonos asimétricos, desvían el plano de luz polarizada cuando esta atraviesa una disolución de los mismos. Si lo hacen a la derecha son dextrógiros (+), hacia la izquierda levógiros (-). Esta cualidad es independiente de su pertenencia a la serie D o L y, la desviación se debe a la ausencia de planos de simetría de la molécula. https://www.youtube.com/watch?v=ul4TKyWBJwM HIDRATOS DE CARBONO La actividad óptica se mide utilizando una fuente polarizada y un polarímetro. Esta es una herramienta particularmente utilizada en la industria azucarera para medir la concentración de azúcar del jarabe y, en general, en química para medir la concentración de moléculas quirales en solución (La quiralidad es la propiedad de un objeto de no ser superponible con su imagen especular. Como ejemplo sencillo, la mano izquierda humana no es superponible con su imagen especular.). HIDRATOS DE CARBONO Se han utilizado polarímetros simples para medir las concentraciones de azúcares simples, como la glucosa, en solución. De hecho, un nombre para la D-glucosa (el isómero biológico) es dextrosa, en referencia al hecho de que hace que la luz polarizada linealmente gire hacia la derecha o hacia el lado derecho. De manera similar, la levulosa, más comúnmente conocida como fructosa, hace que el plano de polarización gire hacia la izquierda. La fructosa es incluso más fuertemente levorrotatoria que la glucosa es dextrorrotatoria. El jarabe de azúcar invertido, formado comercialmente por la hidrólisis del jarabe de sacarosa a una mezcla de azúcares simples componentes, fructosa y glucosa, recibe su nombre del hecho de que la conversión hace que la dirección de rotación se "invierta" de derecha a izquierda. → La glucosa dentro de las células puede ser utilizada como fuente de energía (hidrólisis). → O para formar nuevos polímeros (condensación) distintos de los ingeridos. Los nuevos polímeros tienen funciones específicas para la célula. BIBLIOGRAFÍA: Campbell, N. A., & Reece, J. B. (2007). Biología. Ed. Médica Panamericana. 7ma Ed. Capítulo 4 y 5. Sadava, D, et. al. (2010). Vida, La ciencia de la Biología. Ed. Médica Panamericana. 8va Ed. Capítulo 3.