QUIMICA BIOLOGICA INTRODUCCION GENERAL 1 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). 2 ¿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. 3 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. 4 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. 5 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. 6 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. 7 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. 8 LOS AMINOACIDOS 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Formas ionicas y curva de titulacion de la L-alanina. Los aminoacidos se encuentran realmente en la forma de zwitterion (Bjerrum, 1923) 18 Formas ionicas y curva de titulacion del acido L-aspartico. 19 20 LAS PROTEINAS: ESTRUCTURA Y PLEGAMIENTO 21 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). 22 23 NIVELES ESTRUCTURALES EN LAS PROTEÍNAS. 1) Estructura primaria: Secuencia de aminoácidos. Unión peptídica exclusivamente. 24 25 Angulos de rotacion del carbono alfa. 26 2) Estructura secundaria: Disposición espacial de residuos de aminoácidos cercanos en la secuencia. Unión hidrógeno involucrando el N y el O de las uniones peptídicas exclusivamente. Tres elementos principales de estructura secundaria: αhélice, estructura β (hoja plegada) y giros β. 27 28 29 30 3) Estructuras supersecundarias: motivos y dominios. 4) Estructura terciaria: Disposición espacial de residuos de aminoácidos lejanos en la secuencia. Interacciones hidrofóbicas, puentes de hidrógeno entre restos laterales o entre ellos y la cadena peptídica, uniones salinas, puentes disulfuro. 5) Estructura cuaternaria: Disposición espacial de las subunidades en proteínas oligoméricas. Interacciones hidrofóbicas, uniones puente hidrógeno y salinas. 31 32 PUENTE DISULFURO: SOLO EN ESTRUCTURA TERCIARIA 33 34 35 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 36 37 PROTEINAS DE MEMBRANA. Proteínas integrales y Proteínas periféricas 38 PLEGAMIENTO DE LAS PROTEINAS. 39 LA RIBONUCLEASA: EL EXPERIMENTO DE ANFINSEN. 40 REDUCCION DE LOS PUENTES DISULFURO 41 La urea desnaturaliza a la ribonucleasa (es decir, deja solo su estructura primaria) y el β-mercaptoetanol reduce los puentes disulfuro. 42 Si se elimina la urea y luego se deja que los puentes disulfuro vuelvan a formarse por oxidacion con el aire, se recupera la estructura nativa. Si se oxida en presencia de urea, se obtiene una “ribonucleasa revuelta”, inactiva, pero esta recupera su actividad en presencia de trazas de β-mercaptoetanol. 43 LA PARADOJA DE LEVINTHAL. Para una proteína pequeña, de 100 residuos de amino ácidos: Si cada residuo puede asumir 3 posiciones, el número total de estructuras posibles será igual a 3100, lo que es igual a 5 x 1047 Si toma 10-13 seg para convertir una estructura en otra el tiempo total requerido para el plegamiento correcto será 5 x 1047 x 10-13 seg = 5 x 1034 seg = 1.6 x 1027 años. (Paradoja de Levinthal) 44 El plegamiento puede pasar a traves de un intermediario que ya tiene practicamente completa la estructura secundaria (el globulo fundido). Puede tener un camino unico o tener caminos alternativos. 45 46 47 48 AGENTES DESNATURALIZANTES. 1) Extremos de pH. Muchas proteínas se desnaturalizan a valores de pH < 5 o > 10. Esto puede deberse a la ionización de grupos en el interior de la proteína (His a pH ácido, Tyr a pH alcalino); a repulsión electrostática entre grupos de la superficie de la proteína; a la destrucción de puentes salinos importantes en la estabilización de la estructura nativa. 2) Agentes desnaturalizantes. Los más usados son la urea y el clorhidrato de guanidina: 49 DESNATURALIZACION DE UNA PROTEINA. 50 51 52 PLEGAMIENTO DE LAS PROTEÍNAS IN VITRO E IN VIVO. In vitro: Plegamiento espontáneo, a muy bajas concentraciones de proteína para evitar agregados. Buffer redox (GSH/GSSG) para inducir la formación correcta de puentes disulfuro. In vivo: Plegamiento a altas concentraciones proteicas, asistido por otras proteínas. 1) Puentes disulfuro: proteína disulfuro isomerasa. Contiene secuencias –Cys-Gly-His-Cys- y acelera unas 6000 veces el intercambio de puentes disulfuro. 2) Uniones peptídicas X-Pro: Peptidil prolil isomerasa. En vez de ser todas uniones en trans, como para los demás aminoácidos, un 6 % de las con Pro es cis. La PPI acelera 300 veces la isomerización cis-trans. 3)Prevención de la formación de agregados moleculares: chaperonas moleculares. Se unen reversiblemente a zonas desplegadas del polipéptido naciente, evitan su agregación y facilitan su plegamiento correcto, con consumo de ATP. 53 54 Angulos de rotacion del carbono alfa. 55 El gráfico de Ramachandran. Es un gráfico de los valores del ángulo φ (phi) en función de los del ángulo ψ (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. 56 Cadenas laterales de aminoácidos que pueden formar puentes de hidrógeno y participan en la estructura terciaria de las proteínas. 57 58 59 60 PROTEINAS FIBROSAS Las proteínas fibrosas se dividen en general en tres grupos, dependiendo de la estructura secundaria de las moléculas individuales: las α-hélices superenrrolladas, la triple hélice del colágeno, y las hojas β en las fibras amiloides y las sedas. Las fibras en α-hélice de la lana son flexibles, pueden ser estiradas hasta el doble de su longitud, y son elásticas, retornando a su longitud inicial cuando se libera la tensión. Las fibras del colágeno son fuertes, resitentes al alargamiento y relativamente rígidas. Las fibras con hojas β son fuertes y muy flexibles. Las fibras de la seda de araña son mas resistentes que un hilo de acero de las mismas dimensiones, pero son muy flexibles. 61 PROTEINAS FIBROSAS Dos o mas α-helices pueden enrrollarse sobre si mismas para formar “superhélices” muy estables de hasta 1000 Å de longitud. Estas estructuras se encuentran en proteínas fibrosas como la miosina y la tropomiosina del músculo, la fibrina de los coágulos sanguíneos y la keratina del pelo. La interacción entre las α-hélices se hace habitualmente por interacciones hidrofóbicas, a menudo mediadas por Leu o Ileu. 62 EL COLAGENO El colágeno es una molécula en forma de bastón, de hasta 3000 Å de largo y sólo 15 Å de diámetro. Es la proteína mas abundante en los mamíferos, siendo el componente fibroso principal de la piel, los huesos, los cartílagos los tendones y los dientes. Está formado por una triple hélice, diferente de la α-hélice (no se mantiene cada hebra por puentes de hidrógeno internos, sino por la repulsión estérica de Pro y HyPro). Cada hebra de procolágeno tiene dos “cabezas” globulares, una en cada extremo, necesaria para el ensamblado de la fibra, que luego se elimina. Por eso al desnaturalizarlo, no se renaturaliza, y forma gelatina. El colágeno es muy rico en prolina, hidroxiprolina y glicina. Uno de cada tres residuos es Gly. 63 LA TRIPLE HELICE DEL COLAGENO En el interior de la triple hélice no queda espacio para un aminoácido de mayor tamaño que la gly. 64 PROTEINAS DE MEMBRANA A diferencia de las proteínas globulares solubles, que concentran sus residuos hidrofóbicos en su interior, resguardándolos del agua, las proteínas integrales de membrana tienen la mayoría de sus residuos hidrofóbicos en su superficie, interaccionando con los lípidos de la membrana. 65 PROTEINAS DE MEMBRANA. Proteínas integrales y Proteínas periféricas 66 67 68 69 70 71 72 PREDICCION IN SILICO DE SEGMENTOS TRANSMEMBRANA. Es posible predecir, con buena probabilidad, la presencia de αhélices transmembrana. El gráfico muestra el índice de hidropatía, que indica la energía libre de transferencia de una hélice de 20 residuos desde la membrana al agua, en función del primer residuo de cada uno de esos segmentos. Picos con valores mayores de +20 kcal/mol indican posibles hélices transmembrana. 73