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QUIMICA BIOLOGICA I
INTRODUCCION
GENERAL
Bioquímica – L. Stryer, J.M. Berg y J.L. Tymoczko.
Quinta Edición, Editorial Reverté, S.A., Barcelona,
2003.
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Clases teóricas: Martes de 16 a 18 hs., Aula 13, Tornavías, o
en el Auditorio del IIB.
Ejercicios y Problemas: Jueves de 14 a 18 hs. Aula 13,
Tornavías.
Trabajos Prácticos: Jueves de 14 a 18 hs. Tornavías
(Laboratorio de Biología)
BIOQUIMICA: La química de los seres vivos.
La palabra "Bioquímica" fué utilizada por primera vez
por Félix Hoppe-Seyler en 1877, en el prólogo al primer
número de "Hoppe-Seylers Zeitschrift für
Physiologische Chemie" (la primera revista de
Bioquímica, actualmente llamada "Biological
Chemistry").
La Bioquímica surgió en parte de la Medicina y en parte
de la Química Orgánica. Se considera su precursor al
alquimista y médico suizo Teofrasto Aurelio Bombast
von Hohenheim, llamado Paracelso (1493 - 1541).
¿CUANTAS MACROMOLECULAS BIOLOGICAS
DIFERENTES HAY?
Escherichia coli : 3.000 proteínas diferentes.
Hombre: Al menos 100.000 proteínas diferentes.
Si estimamos que existen 1.5 x 106 especies biológicas,
podemos estimar entre 1010 y 1012 proteínas diferentes
y 1010 ácidos nucleicos diferentes.
Pero estas macromoléculas están formadas por un
número pequeño de unidades estructurales diferentes
(20 aminoácidos, 8 nucleótidos). En la organización
molecular de la célula existe una simplicidad
fundamental. En la versatilidad funcional de estas
biomoléculas básicas podemos ver la existencia de un
principio fundamental de economía molecular.
Transformaciones energéticas en las células vivas.
Los organismos vivos no constituyen excepciones a las leyes
de la termodinámica. No pueden consumir o crear energía:
sólo pueden transformar una forma de energía en otra. Toman
energía libre del entorno, y devuelven energía, por ejemplo en
forma de calor. Los organismos vivos crean y mantienen
su ordenación esencial a expensas de su entorno, al que
transforman haciéndolo cada vez más desordenado y
caótico.
Los componentes orgánicos que forman una célula viva son
moléculas relativamente frágiles e inestables, que no resisten
temperaturas elevadas, corrientes eléctricas intensas o acidez
o alcalinidad extremas. No hay diferencias importantes de
presión o temperatura en distintas partes de la célula. No se
parecen a las máquinas térmicas o eléctricas.
Una célula viva es una máquina química isotérmica.
LAS REACCIONES QUIMICAS QUE TRANSCURREN EN LAS CELULAS
VIVAS.
Enzimas: catalizadores biológicos, más específicos, más eficaces y
capaces de actuar en condiciones suaves de temperatura y pH, comparados con
los catalizadores químicos habituales. Dan rendimientos del 100 %, y no generan
subproductos de reacción.
Su especificidad permite que un gran número de reacciones diferentes
se lleven a cabo simultáneamente en una misma célula.
Hay secuencias de reacciones enzimáticas, que llevan de uno o más
compuestos sencillos a un producto final. Estas secuencias constituyen las vías
metabólicas.
La energía se conserva en forma de adenosina trifosfato, ATP ("la
moneda circulante de energía de los seres vivos"). Hay vías metabólicas
degradativas que llevan a la conservación de energía en forma de ATP, y otras
vías que utilizan esa energía para biosíntesis.
Las secuencias consecutivamente ligadas de reacciones enzimáticas
proporcionan los medios para transferir la energía química desde los
procesos que la liberan, hasta los que la requieren.
LAS REACCIONES ENZIMATICAS DEBEN ESTAR
PERFECTAMENTE REGULADAS.
Las células vivas, a diferencia de la química sintética de
laboratorio, pueden sintetizar simultáneamente miles de
compuestos. Las proteínas y otras macromoléculas deben
sintetizarse en relaciones molares precisas, para que la
célula completa pueda ensamblarse adecuadamente. Esta
síntesis debe ser además muy rápida. La regulación se hace
fundamentalmente al nivel de la regulación de la síntesis de
las propias enzimas. Las células regulan sus reacciones
metabólicas y la biosíntesis de sus enzimas para obtener
el máximo de eficiencia y de economía.
LOS SERES VIVOS SON AUTORREPLICABLES.
La información genética esta codificada en los
ácidos nucleicos, en especial en el DNA. Esta información
se conserva y transmite gracias a la complementaridad
estructural. Existen sistemas de reparación y corrección
de errores, que aseguran en la gran mayoría de los casos
la fidelidad de la replicación, transcripción y traducción de
la información genética.
La información unidimensional contenida en el DNA,
(secuencia de bases) es transferida a la información
tridimensional inherente a los componentes
macromoleculares y supramacro-moleculares de los
organismos, gracias a la traducción de la estructura
del DNA a la estructura proteica.
Una célula es un sistema abierto isotérmico de
moléculas orgánicas que se ensambla, ajusta y
perpetúa por sí mismo y opera según el principio de
máxima economía de partes y procesos; promueve
muchas reacciones orgánicas ligadas
consecutivamente, destinadas a la transferencia de
energía y a la síntesis de sus propios componentes
por medio de catalizadores orgánicos que ella misma
produce.
En Química Biológica I estudiaremos la estructura y caracterización
de las biomoléculas principales: proteínas, carbohidratos, vitaminas,
lípidos y ácidos nucleicos, y las enzimas.
En Química Biológica II estudiaremos el metabolismo de las
biomoléculas y su regulación.
Hoy comenzaremos el estudio de los aminoácidos y las proteínas.
LOS AMINOACIDOSUn aminoácido, como su nombre lo indica, es una molécula orgánica pequeña
que contiene un grupo amino y un grupo carboxilo. Todos los aminoácidos
presentes en las proteínas tienen ambos grupos unidos al mismo átomo de C y,
con una excepción, todos presentan isomería óptica y pertenecen a la serie L.
Son L-a-aminoácidos.
Aminoácidos con cadenas laterales alifáticas
Prolina
Aminoácidos aromáticos
Aminoácidos con oxhidrilos alcohólicos y la cisteína con -SH
Aminoácidos básicos
Aminoácidos ácidos y sus amidas en el carboxilo distal
Formas ionicas de la L-
alanina.
Los aminoacidos se
encuentran realmente en
la forma de zwitterion
(Bjerrum, 1923)
Formas iónicas y
curva de
titulación de la
glicina.
Grupos
ionizables
de las
proteínas y
sus valores
de pKa
LAS PROTEINAS:
ESTRUCTURA Y
PLEGAMIENTO
ESTRUCTURA Y FUNCION DE LAS PROTEINAS.
Las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos por uniones
amida, llamadas uniones peptídicas.
La cadena polipéptídica constituye la estructura primaria de la
proteína, dada por la secuencia de los residuos de aminoácidos.
Para ser funcional, la proteína requiere niveles superiores de
estructura, que la llevan a su forma tridimensional, esencial
para su función. Esos niveles estructurales son las
estructuras secundaria, terciaria y, eventualmente, cuaternaria
(si se trata de un oligómero con subunidades iguales o
diferentes).
NIVELES ESTRUCTURALES EN LAS PROTEÍNAS.
1) Estructura primaria: Secuencia de aminoácidos.
Unión peptídica exclusivamente.
N-terminal C-terminal
Angulos de rotacion del
carbono alfa.
El gráfico de Ramachandran.
Es un gráfico de los valores
del ángulo f (phi) en función
de los del ángulo y (psi).
Muchas combinaciones son
imposibles debido a colisiones
entre los átomos de la cadena
peptídica, o entre ellos y los de
los grupos R. La Glicina
puede asumir conformaciones
que están impedidas
estéricamente para los demás
residuos de aminoácidos.
Los valores mostrados en la
figura inferior fueron
calculados para proteínas cuya
estructura se conoce por
difracción de rayos X.
Estru ctu ra
se cu n d aria:
Disp o sició n e sp acial d e re sid u o s d e
am in o ácid o s ce rcan o s e n la
secu en cia. Un ió n h id ró gen o
in vo lu cran d o e l N y e l O d e las
u n io n e s p e p tíd icas e xclu sivam e n te .
Tres e lem e n to s p rin cip ale s d e
e stru ctu ra se cu n d aria: a-h é lice ,
e stru ctu ra b (h o ja p le gad a) y giro s b.
1 residuo: 1.5 Ǻ, rotación 100º. 3.6 residuos por vuelta de la hélice. Paso de la hélice: 1.5 x
3.6 = 5.4 Ǻ. La hélice forma un cilindro compacto, y los R se disponen hacia afuera.
Las cadenas están extendidas, y la distancia entre residuos contiguos es de 3.5 Ǻ. Los grupos R
van hacia arriba y hacia abajo, alternativamente.
Hojas b paralela y anti-paralela
Estructuras supersecundarias:
motivos y dominios.
ESTRUCTURA DE LA CITRATO SINTASA
Está formada por dos subunidades; cada una de ellas presenta dos
dominios: uno chico, en amarillo, y uno grande en azul. El sitio activo está
en una hendidura entre ambos dominios y queda junto a la interfase entre
las subunidades. Al unirse el oxaloacetato, el amarillo se desplaza y se
aproxima al azul de la otra subunidad. Este cambio conformacional permite
la unión de la acetil-CoA.
Estru ctu ra te rciaria:Disp o sició n e sp acial d e re sid u o s d e
am in o ácid o s le jan o s e n la se cu e n cia.
In te raccio n e s h id ro fó bicas, fu erzas d e Van
d e r Waals, p u e n te s d e h id ró gen o e n tre
re sto s late rale s o e n tre e llo s y la cad e n a
p ep tíd ica, u n io n e s salin as, p u e n te s
d isu lfu ro .
Estru ctu ra cu ate rn aria:Disp o sició n e sp acial d e las su bu n id ad e s
e n p ro te ín as o ligo m éricas . In te raccio n e s
h id ro fó bicas, u n io n e s p u e n te h id ró ge n o y
salin as.
PUENTE DISULFURO: SOLO EN ESTRUCTURA TERCIARIA
Cadenas laterales de
aminoácidos que
pueden formar
puentes de hidrógeno
y participan en la
estructura terciaria de
las proteínas.
DISTRIBUCION DE LOS RESIDUOS DE AMINOACIDOS EN LA MIOGLOBINA.
Residuos hidrofobicos en amarillo, cargados en azul y el resto en blanco. (B): corte de la
molecula, mostrando que los residuos hidrofobicos se encuentran en buen parte en su interior
MODIFICACION POST-TRADUCCIONAL DE
PROTEINAS.
Mu ch as p ro te ín as n o están “term inadas” cu an d o se co m p le ta
la trad u cció n , y requ ieren “madurar”, a través d e m o d ificacio n es
p o st-trad u ccio n ale s .
Estas m o d ificacio n es p u ed en co n sistir e n :
Mo d ificació n co valen te d e resid u o s d e am in o ácid o s (m ás d e 2 0 0 ) .
Pro teó lis is p arcial.
Las m o d ificacio n es p u ed en ser:
Reversib le s o irreversib le s .
Presen te s e n to d as las m o lécu las o só lo e n algu n as.
En zim áticas o n o en zim áticas .
Co -trad u ccio n ale s, p o st-trad u ccio n ales in m ed iatas, o p o st-
trad u ccio n ale s tard ías .
Modificacion post-traduccional de las proteinas.
Algunos ejemplos: