QUIMICA BIOLOGICA INTRODUCCION GENERAL

QUIMICA BIOLOGICA
INTRODUCCION
GENERAL
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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).
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¿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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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LOS AMINOACIDOS
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Formas ionicas y curva de
titulacion de la L-alanina.
Los aminoacidos se
encuentran realmente en
la forma de zwitterion
(Bjerrum, 1923)
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Formas ionicas y curva
de titulacion del acido
L-aspartico.
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LAS PROTEINAS:
ESTRUCTURA Y
PLEGAMIENTO
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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).
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NIVELES ESTRUCTURALES EN LAS PROTEÍNAS.
1) Estructura primaria: Secuencia de aminoácidos.
Unión peptídica exclusivamente.
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Angulos de rotacion del
carbono alfa.
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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.
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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.
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PUENTE DISULFURO: SOLO EN ESTRUCTURA TERCIARIA
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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
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PROTEINAS DE MEMBRANA.
Proteínas integrales y Proteínas periféricas
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PLEGAMIENTO DE LAS
PROTEINAS.
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LA RIBONUCLEASA: EL EXPERIMENTO DE ANFINSEN.
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REDUCCION DE LOS PUENTES DISULFURO
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La urea desnaturaliza a la ribonucleasa (es decir, deja solo su estructura
primaria) y el β-mercaptoetanol reduce los puentes disulfuro.
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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.
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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)
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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.
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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:
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DESNATURALIZACION DE UNA PROTEINA.
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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.
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Angulos de rotacion del
carbono alfa.
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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.
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Cadenas laterales de
aminoácidos que
pueden formar
puentes de hidrógeno
y participan en la
estructura terciaria de
las proteínas.
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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.
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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.
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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.
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LA TRIPLE
HELICE DEL
COLAGENO
En el interior de la triple
hélice no queda espacio
para un aminoácido de
mayor tamaño que la gly.
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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.
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PROTEINAS DE MEMBRANA.
Proteínas integrales y Proteínas periféricas
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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.
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