Bioquímica General Intermedia

Bioquímica General Intermedia
Lehninger Principles of
Biochemistry
Fourth Edition
David L. Nelson and Michael M. Cox
Biomoléculas y Agua
Capítulos 1 y 2
Biomoléculas:
H, O, C y N constituyen 99+% de los átomos en el
cuerpo humano
ELEMENTO
Oxígeno
Hidrógeno
Carbono
Nitrógeno
PORCENTAJE
63.0
25.2
9.5
1.4
Biomoléculas
• Qué propiedades unen al H, O, C y N y hace a
estos átomos tan apropiados a la química de la
vida?
• Su capacidad para formar enlaces covalentes
compartiendo pares de electrones.
electrones
414
351
712
292
615
343
615
816
Biomoléculas
Cuál es la energía de disociación de un enlace covalente?
Enlace
O-H
H-H
P-O
C-H
N-H
C-O
C-C
S-H
C-N
C-S
N-O
S-S
Energía kJ/mol
470
436
419
414
389
351
343
339
293
260
222
214
C=O
C=N
C=C
P=O
712
615
611
502
C≡C 816
N ≡N 930
Dos Aspectos Importantes sobre
las Fuerzas Débiles
• Reconocimiento Biomolecular es mediado
por fuerzas químicas débiles
• Fuerzas débiles restringen a los
organismos a un rango estrecho de
condiciones ambientales
Propiedades de Biomoléculas
Reflejan su Aptitud a la
Condición Viviente
•
•
•
•
•
van der Waals: 0.4-4.0 kJ/mol
Puentes de Hidrógeno: 12-30 kJ/mol
Enlaces Iónicos : 20 kJ/mol
Interacciones Hidrofóbicas : <40 kJ/mol
Covalentes: 200-450 kJ/mol
Componentes moleculares de una E. coli
% del peso total
de la célula
• Agua
• Proteínas
• Acidos nucleicos
DNA
RNA
• Polisacáridos
• Lípidos
• Subun. monoméricas
e intermediarios
• Iones inorgánicos
Número de especies
moleculares
70
15
1
3,000
1
6
3
2
2
1
>3,000
5
20
500
1
20
Hidroxilo
(alcohol)
Carbonilo
(aldehído)
Carboxilo
carboxilo
amino
imidazol
fenilo
metilo
hidroxilos
amino
Epinefrina
grado de oxidación del carbono en las moléculas biológicas
Totalmente reducido
Totalmente oxidado
•Todos los organismos vivos “construyen”moléculas
con los mismos monómeros
•La estructura de una macromolécula determina su
actividad biológica
•Cada género y especie está definida por su set de
macromoléculas
Subunidades monoméricas
Letras del deoxiribo- Amino
alfabeto
nucleótido acido
(26)
(4)
(20)
Cuántas secuencias se
pueden formar con 8 subunidades?
268 (2.11 x 1011)
48 (65,536)
208 (2.56 x 1010)
Palabras
DNA
Proteína
Secuencias lineales ordenadas
Proteínas
Hormonas peptídicas
Neurotransmisores
Alcaloides tóxicos
Aminoácidos
MONOMEROS
QUE DAN
ORIGEN A LAS
MACROMOLECULAS
BIOLOGICAS
Adenina
Acidos nucleicos
ATP
Coenzimas
Neurotransmisores
Acido palmítico
Glucosa
Lípidos de membrana
Grasas
Ceras
Celulosa
Almidón
Fructosa
Manosa
Sucrosa
Lactosa
AGUA
•
•
•
•
Propiedades del Agua
pH
Buffers
Papel del agua en ambiente
AGUA
PUENTES DE HIDROGENO
Punto de fusión, ebullición y calor de vaporización
de algunos solventes comunes
Fusión
(°C)
Agua
Metanol (CH2OH)
Propanol (CH3(CH2)2CH2OH)
Butanol (CH3(CH2)2CH2OH
Acetona (CH3COCH3)
Benceno (C6H6)
Cloroformo (CHCl3)
0
- 98
-127
-90
-95
6
-63
Ebullición
(°C)
100
66
97
117
56
80
61
Calor de
vaporiz.
(J/g)*
2,260
1,100
687
590
523
394
247
* medida de energía requerida para romper fuerzas atracción entre moléculas
Propiedades del Agua
• Alto punto de fusión, ebullición, tensión
superficial
• Compuesto polar
• Donador y aceptor de puentes de H
• Potencial para formar 4 puentes de H por
agua
Comparasión entre Hielo y Agua
•
•
•
•
Puentes de H y Movimiento
Hielo: 4 puentes-H per molécula de agua
Agua: 2.3 puentes-H por molécula de agua
Hielo: tiempo de vida de puente de H –
aprox. 10 microsec
Agua: tiempo de vida de puente de H –
aprox. 10 psec (10 psec = 0.00000000001
sec)
átomos electronegativos
Aceptor de
hidrógeno
Donador de
hidrógeno
átomos electronegativos
Hidroxilo
de alcohol
y H2O
Carbonilo
de cetona
y H2O
Grupos
peptídicos
en polipéptido
Entre bases
complementarias
del DNA
Propiedades Solventes del Agua
• Iones están siempre hidratados en agua y
llevan alrededor una “cubierta de
hidratación"
• Agua forma puentes de H con solutos
polares, p.ej. glucosa
• Interacciones Hidrofóbicas
Cabeza
grupo hidrofílico
Cola hidrofóbica
alifática
Moléculas de agua altamente ordenadas forman
“jaulas” alrededor de cadenas alifáticas hidrofóbicas
Interacciones Hidrofóbicas
• Un soluto no polar "organiza" el agua
• La red de puentes de H del agua se
reorganiza para acomodar al soluto no polar
• Esto es un incremento en el "orden" del
agua
• Esto es una disminución de la ENTROPIA
< 40 kJ/mol; covalente entre 200-400 kJ/mol)
Lípidos dispersos en
H2O
Cada molécula lipídica
fuerza las moléculas de
agua que lo rodea a que
estén altamente
ordenadas
Clusters de
moléculas lipídicas
dispersos en H2O
Sólo porciones de lípidos
hacia los bordes del
cluster fuerzan el
ordenamiento del agua.
Existen menos moléculas
de H2O ordenadas y la
entropía aumenta
Compuestos anfipáticos en solución
Micelas
Todos los grupos
hidrofóbicos están
secuestrados del
agua; se minimiza la
capa de moléculas
de agua y la entropía
aumenta
Cuatro tipos de Interacciones No covalentes
(“Débiles”) entre biomoléculas en solvente acuoso
AGUA
•Prácticamente todas las reacciones químicas ocurren en
solución. Agua es solvente más común para esas rxns
•Agua :solvente universal para sistemas biológicos
•Molécula se puede disociar en cantidades extremadamente
pequeñas para formar:
•iones hidronio/protones: H3O+ o H+
•iones hidroxilo: OH-
H20
H+ + OH-
[H+] [OH-]
Ke =-------------[H2O]
[H+] [OH-]
Ke =-------------[H2O]
Si Ke x [H2O] = Kw
Kw = [H+] [OH-]
•Kw = 10-14, por tanto, en agua pura (neutra):
[H3O+] = [OH-] = 10-7 mol/litro
•Ambos componentes deben cambiar en direcciones opuestas
•A medida que [H3O+] aumenta, [OH-] debe disminuir
•Si sabemos una de las dos concentraciones, automáticamente
sabremos la otra
ESCALA DE pH
[H+](M)
100 M (1)
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
10-11
10-12
10-13
10-14
pH
[OH-](M)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
10-14
10-13
10-12
10-11
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
pOH
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
El pH y la [H+] en los fluidos corporales
Fluido
Plasma
•Acidemia extrema
•Normal
•Alcalemia extrema
pH
7.0
7.4
7.7
Jugo pancreático
8.0
Acidez urinaria máxima 4.5
Jugo gástrico
2.0
[H+] mol/L
1 x 10-7
4 x 10-8
2 x 10-8
1 x 10-8
3 x 10-5
1 x 10-2
A C I D O S
Molécula capaz de donar protones
Si una molécula capaz de disociarse para producir H+ es
añadida al agua, protón se combinará con H2O para
formar más H3O+
HCl + H20
←
H+ + Cl-
Aumenta cantidad de H+/H3O+ de la solución y pH
cambia (baja)
B A S E
• Molécula capaz de aceptar protones
NaOH + H2O+
Na+ + OH-
Si molécula capaz de disociarse para producir OH- es
añadida al agua, OH se combinará con H+/H3O+ reduciendo
su concentración, pH cambia (aumenta)
OH- + H30+
H20
Algunas bases aceptan directamente un protón
NH3 + H30+
NH4+ + H20
FUERZA DE LOS ACIDOS Y BASES
Facilidad con la que aceptan o donan protones
Un ácido FUERTE se ioniza casi totalmente y cambia el
pH de manera marcada
HCl + H20
←
H30+ + Cl-
Lo mismo para una base fuerte, p.ej. NaOH
NaOH +H20
←
Na+ + OH-
FUERZA DE LOS ACIDOS Y BASES
Un ácido débil como el acético, se ioniza muy poco en
agua
CH3-COOH + OH-
CH3-COO- + H2O
Una base débil como amonio, acepta pocos protones
de la solución acuosa
NH3 + H30+
→
NH4+ + H20
Ninguno de ellos cambia el pH de manera significativa
PARES ACIDO – BASE CONJUGADOS
Cuando un ácido se disocia (dona un protón) el producto ya no es más un
ácido porque no tiene más protones que donar.
HA (ácido)
A- (base conjugada) + H+
Lo que se forma es una base
Esta puede aceptar un protón y reconvertirse en un ácido
A- (base conjugada) + H+ HA (ácido)
•El producto de la disociación de un ácido es la base conjugada de
dicho ácido.
•De manera similar, cuando una base se ioniza (acepta un protón),
forma un ácido conjugado.
•Estos se denominan pares ácido/base.
BUFFERS O TAMPONES
•La solución dentro de las células (el fluido intracelular), y la solución
fuera de las células (fluido extracelular), son soluciones acuosas y
mantienen un rango muy estrecho de [ H+] o propiamente dicho, de pH.
•
•
Las funciones metabólicas (bioquímicas) del cuerpo funcionan sólo
dentro de este rango estrecho de pH.
Varios eventos metabólicos y exógenos pueden cambiar el balance
ácido/base del cuerpo. Estos cambios son contrarrestados de varias
formas, una de las cuales es mediante los buffers.
•Los buffers son soluciones que resisten el cambio de pH.
•Un buffer es una mezcla de un ácido débil y su base conjugada.
El ácido débil resiste el cambio de la adición de base (OH-).
La base débil resiste el cambio de la adición de ácido (H + ).
CH3-COOH
Acido débil
Acético
CH3-COO- + H+
Base conjugada
Acetato
[CH3 – COO-] [H+]
Ka = ______________
[CH3 – COOH]
[A-] [H+]
Ka = _______
[HA]
[A-] [H+]
Ka = _______
[HA]
log Ka = log [A-] + log [H+] – log [HA]
-log [H+] = - log Ka + log [A-] - log [HA]
Ecuación de Henderson-Hasselbach
TITULACION DE UN ACIDO DEBIL
FOSFATO TIENE 3 pKs
Buffers Fisiológicos
 El sistema buffer más usado en el cuerpo humano es una mezcla de
ácido carbónico y su base conjugada, el ión bicarbonato (HCO3 -),
el cual mantiene el pH de la sangre entre 7.35 y 7.45 .
LISOSOMAS: Cuál es el pH de esta organela? Si el pH
de la célula es 7.4, cómo se mantiene el pH de los
lisosomas?
Consideremos la Disociación del
Acido Acético
Asumamos que se ha añadido 0.1 eq base de una
solución totalmente protonada de ác. acético
• La ecuación de Henderson-Hasselbalch puede
ser usada para calcular el pH de la solución:
Con 0.1 eq OH¯ añadidos:
• pH = pKa + log10 [0.1 ]
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯
[0.9]
• pH = 4.76 + (-0.95)
• pH = 3.81
Considemos la Disociación del
Acido Acético
Otros casos....
• Qué sucede si añadimos exactamente 0.5 eq
de base a una solución de ácido acético
totalmente protonado?
• Hacer este ejercicio
• Cuál es el pH si añadimos 0.9 eq de base a
una solución de ácido totalmente
protonado?
• Hacer este ejercicio