Bioquimica Basica Unidad I-II
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PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA BIOQUÍMICA BÁSICA 2012 Dagmar Stojanovic de Malpica Ph D Escuela de Biología, Facultad de Ciencias, U.C.V. PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Unidad I.II Monómeros y Formación de Macromoléculas Estructura y Función de Carbohidratos, Proteínas y Ácidos Nucleicos D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Jerarquía molecular Nivel 4 La célula y sus organelos Nivel 3 Complejos supramoleculares Nivel 2 Macromoléculas ADN Nivel 1 Monómeros Nucleótidos Aminoácidos Cromosoma Proteína Membrana celular Celulosa Pared celular Monosacáridos D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Características de los monómeros Condensación Enzima A Hidrólisis Monómero Monómero Enzima B Dímero Son unidades estructurales que contienen grupos químicos iguales o diferentes que se combinan entre si para formar dímeros, oligómeros (pocos) o polímeros (muchos) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Los Monómeros: son las unidades estructurales de las macromoléculas § Los monosacáridos § Los aminoácidos § Los nucleótidos Oligosacáridos Polisacáridos Proteínas Ácidos Nucleicos D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV CARBOHIDRATOS D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Clasificación de los carbohidratos D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Disacáridos D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Formación de disacáridos Átomo de carbono anomérico (C1 ) Son glucósidos o acetales formados por la unión de dos monosacáridos D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Formación de un disacárido: La Maltosa La cebada Hidrólisis Condensación Condensación β-D-Glucosa Extremo no reductor Extremo reductor Maltosa α-D-Glucopiranosil- (1-4)-D-Glucopiranosa Formación de un enlace O-glicosídico Glc α1,4 Glc Azúcar reductor D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La Lactosa: el azúcar de la leche Lactosa Lactosa (forma (forma β β) β-D-Galactopiranosil (1-4)-β-DGlucopiranosa Galβ→4Glc) Azúcar reductor D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La Sacarosa: azúcar de mesa Glucosa Enlace β2-1α Fructosa Fru β2-1α Glc Azúcar no reductor Se produce en las hojas y raíces de las plantas D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La Celobiosa Glc β-1,4 Glc Azúcar reductor Producto de degradación de la celulosa ( polisacárido de plantas) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Propiedades y funciones de los disacáridos q Algunos son azúcares reductores q Son necesarios en la dieta ya que son fuente de energía. q Para utilizarlos como fuente de energía, los disacáridos son hidrolizados por enzimas que tapizan el intestino delgado q La hidrólisis de los disacáridos produce Glucosa, Fructosa, Galactosa, que son la fuente de energía inmediata para las células D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Los oligosacáridos q Contienen de dos a diez unidades de monosacáridos q Mayoritariamente se encuentra unidos covalentemente a polipéptidos (glicoproteínas) ó lípidos (glicolípidos) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Polisacáridos D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Clases de polisacáridos Heteropolisacáridos Homopolisacáridos No Ramificados Ramificados Dos clases de Monómeros Ramificados Varios tipos de monómeros Ramificados D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Polisacáridos en plantas y animales Tipo de organismo y célula donde se encuentra Nombre del polisacárido Unidad de repetición lineal y/o ramificado Almidón (α-amilosa) Glcα1,4Glc, lineal Número de residuos de Glucosa Función biológica 50-5000 Plantas Cloroplastos Reserva de energía Almidón (amilopectina Glc α1,4Glc, lineal con ramas α1,6Glc cada 27 residuos ~ 1.000.000 Animales Citosol Glucógeno Glc α1,4Glc, lineal con ramas α1,6Glc cada 10 residuos ~ 50.000 Reserva de energía Plantas Pared Celular Celulosa Glc β1,4Glc, lineal 15.000 Papel estructural Soporte y Protección celular D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El almidón y el glucógeno constituyen reserva de energía D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El Almidón D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura del almidón q q q El almidón se encuentra Gránulos de Almidón como gránulos en los cloroplastos de las células de las plantas Contiene dos clases de polisacáridos: La Amilosa La Amilopectina Cloroplasto Constituyen una fuente importante de reserva de energía en plantas D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura de la amilosa Polímero lineal Extremo No Reductor Extremo Reductor Glc α1,4 Glc Número de residuos de Glucosa: 50-5000 D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura de la amilopectina Extremos no reductores Polisacárido ramificado Enlace α 1,6 Punto de ramificación Glcα1,4Glc, lineal con ramas α1,6 Glc cada 27 residuos Número de residuos de Glc ~ : 1.000.000 D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El Glucógeno q q q q Se encuentra en el citosol de las células (bacterias y animales) Cada granulo de glucógeno consiste de un polisacárido ramificado que contiene hasta 50.000 residuos de Glucosa Es la principal reserva de energía en bacterias, animales y en el hombre En las células humanas se encuentra principalmente en hígado y músculo Gránulos de glucógeno en el citosol de células animales D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Comparación de la amilopectina y el glucógeno Amilopectina Glucógeno Un solo punto de ramificación Un solo punto de ramificación D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Conformación 3D de la amilosa, amilopectina y el glucógeno Enlace Glcα1,4Glc rota fácilmente Forma compacta 3D gránulo D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La celulosa: polisacárido estructural en plantas q La celulosa se encuentra en el tronco, en los tallos y en toda la porción leñosa de las plantas q Se encuentra en la pared celular de las plantas q El algodón y la madera están formados por celulosa; el papel es celulosa q Función estructural: proporciona soporte y rigidez a las plantas y protección a las células D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La celulosa Unidad de repetición Glc β1,4 Glc (Celobiosa) Haz de mircofibrillas q El polisacárido de la glucosa es lineal e insoluble ; contiene 15000 unidades de glucosa unidas entre si por enlace β1,4Glc; varios pares de polisacáridos forman láminas llamadas microfibrillas. q Cada haz de microfibrillas contiene ~40 pares de polisacáridos lineales q El enlace β1,4 no puede rotar, por lo que los polisacáridos son rígidos; forman puentes de hidrógeno entre ellos y se hidratan fácilmente con agua D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Digestión de la celulosa por los organismos En el aparato digestivo de herbívoros (ovino y bovino) viven bacterias que contienen la enzima celulasa que digieren la celulosa (rompen el enlace β1,4), lo que permite a los herbívoros nutrirse de ella q Los humanos no pueden digerir la celulosa, no obstante, proporciona fibra, que ayuda al funcionamiento correcto de nuestro aparato digestivo q , D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV PROTEÍNAS D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura general de un aminoácido a pH 7 α D. Stojanovic de Malpica, Ph D Los 20 aminoácidos estándares de las proteínas, clasificación según la naturaleza química y propiedades de los grupos R a pH fisiológico PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV No polares, grupos R alifá/cos Grupos R aromá7cos Grupos R cargados posi7vamente Polares, grupos R no cargados Grupos R cargados nega7vamente Prolina* * La Prolina 7ene un grupo R no polar alifá7co D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El enlace peptídico D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Formación del enlace peptídico q q El enlace peptídico es un enlace amida que se establece entre el grupo αcarboxilo de un aminoácido y el grupo α-amino del otro aminoácido Todos los péptidos tienen un grupo α-amino libre en un extremo, a la izquierda, (Nterminal) y un grupo αcarboxilo libre en el otro, a la derecha (C-terminal), que pertenece al último aminoácido añadido a la cadena. α α α α D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Características del enlace peptídico q Tiene carácter parcial de doble enlace, el oxígeno del carbonilo tiene una carga parcial negativa y el nitrógeno de la amida una carga parcial positiva q El enlace amida tiene configuración trans ,es planar y rígido, porque no puede rotar sobre si mismo q No obstante, los péptidos y polipéptidos pueden rotar alrededor de dos puntos: los enlaces: Cα-C y N –Cα q Por lo que pueden adoptar adoptar diferentes conformaciones (3D) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Todos los átomos involucrados en el enlace peptídico se encuentran en un mismo plano Carboxi terminal Amino terminal D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Ejemplo de un pentapéptido N-terminal Secuencia Ser-Gli- Tyr-Ala-Leu 1 2 3 4 5 C-terminal D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Los péptidos y polipéptidos se ionizan a diferentes pH N-terminal pH 7 C-terminal D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Características moleculares de algunas proteínas Proteína Peso Molecular Número de residuos de aminoácidos Número de cadenas polipeptídicas Citocromo c (humano) 13.000 104 1 Mioglobina (humano) 16.890 153 1 Hemoglobina (humano) 64.500 574 4 ARN polimerasa E. coli 450.000 4158 5 D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Algunas proteínas son conjugadas Clase Grupo* Prostético Ejemplo Lipoproteínas Lípidos Lipoproteína de la sangre Glicoproteínas Carbohidratos Inmunogloublina G Fosfoproteínas Fosfatos Caseína de la leche Hemoproteínas Hemo (anillo de porfirina + Fe2+) Mioglobina Hemoglobina * Pueder estar asociado no covalentemente o covalentemente a la proteína D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Niveles de organización de las proteínas Estructura Estructura Primaria Secundaria Secuencia de aminoácidos α-Hélice Estructura Terciaria Plegamiento 3D del polipéptido Estructura Cuaternaria Consiste de dos ó mas subunidades Conformación nativa a pH 7 D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Niveles de organización estructural de las proteínas q Los niveles de organización están dictados por la secuencia de aminoácidos q Se estabilizan por interacciones entre los grupos R de la proteína , pueden ser: q No covalentes: puentes de hidrógeno, atracción electrostática (puente salino) e hidrofóbicas q Covalentes: puentes de disulfuro entre otros q Formación de puentes hidrógeno entre los grupos C=O y N-H de los enlaces peptídicos (estructura secundaria) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura Primaria D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura primaria: Secuencia de aminoácidos de una cadena polipeptídica Se escribe del N- al C-terminal Pentapéptido: Secuencia N-terminal Ser-Gli- Tyr-Ala-Leu C-terminal 1 2 3 4 5 D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura secundaria q Es la conformación local de secuencias de residuos de aminoácidos en un polipéptido q Se distinguen tres clases de estructura secundaria: α Hélice Lámina β plegada Vueltas-β q La secuencia de aminoácidos determina la conformación local q La estructura secundaria se estabiliza por puentes de hidrógeno entre los grupos carbonilo (C=0) y NH de los enlaces peptídicos D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura secundaria: α hélice orientada a la derecha Amino terminal 3,6 residuos por vuelta Puente de hidrógeno Carboxi terminal D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Formación de puentes de hidrógeno en la α-Hélice N-terminal C-terminal q Todos los grupos C=O y NH de los enlaces peptídicos participan en la formación de puentes de hidrógeno, excepto los que se encuentran en el extremo N- y C- terminal del polipéptido q El puente de hidrógeno se establece entre el grupo C=O de un residuo y el grupo N-H con el cuarto residuo del N- al Cterminal D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Aminoácidos que favorecen los distintos tipos de estructura secundaria α-Hélice Conformación β Vuelta β D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura secundaria lámina β plegada Vista desde el tope Vista lateral Estabilizada por puentes de hidrógeno entre todos los grupos C=O y N-H de los enlaces peptídicos D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura Terciaria D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Niveles de organización de las proteínas Estructura Estructura Primaria Secundaria Secuencia de aminoácidos Hélice Estructura Terciaria Cadena Polipeptídica Estructura Cuaternaria Formada por dos ó mas subunidades D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura terciaria Estructura 3-D de un polipéptido q Resulta del plegamiento del polipéptido con sus elementos de estructura secundaria en una conformación única a pH fisiológico, dictada por la secuencia de aminoácidos q La estructura 3D única es la responsable de la función biológica y se conoce como conformación o proteína nativa q Las proteínas mantienen la conformación nativa a pH fisiológico y a la temperatura del organismo q D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Fuerzas que estabilizan la estructura terciaria q Se establecen interacciones entre las cadenas laterales R de los aminoácidos: q Pueden ser: No covalentes Covalentes D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Interacciones covalentes: puentes de disulfuro Cisteína Cistina Cisteína Cisteína Estado reducido Estado oxidado D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Desnaturalización de una proteína Ruptura de la conformación nativa Aumento de Temperatura Ruptura de enlaces no covalentes Radiación UV Reacciones químicas en las cadenas polipeptídicas Estado nativo biológicamente Activo Adición de urea y mercaptoetanol Energía mecánica Batir la clara de un huevo para hacer merengue o hacer un souffle Estado desplegado Inactivo Cambios en el pH Produce cambios en las estructuras iónicas de los grupos R ionizables de los residuos de aa de las proteínas a pH 7 Compuestos orgánicos Los detergentes, jabones, alcoholes y la urea (NH2CONH2) interrumpen las interacciones de las cadenas laterales de los α-aa Sales y metales pesados El Pb2+, Hg 2+ y Ag 2+ reaccionan con los grupos – SH de los residuos de cisteína formando puentes de disulfuro metálicos que alteran la conformación nativa Eliminación de urea y mercaptoetanol Estado nativo biológicamente activo D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Tamaño relativo de las conformaciones α y β y de las proteínas globulares Conformación β 2.000 x 5 Å Extendida Extendida Acortada α Hélice 900 x 11 Å Forma globular 130x 30 Å Proteína globular compacta conformación nativa (3 D) a pH fisiológico D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV EJEMPLOS DE PROTEINAS GLOBULARES D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La mioglobina q Se encuentra en los músculos de mamíferos (delfines, ballenas) y en el hombre q Constituye la fuente de reserva de oxigeno en los tejidos de animales q Consiste de una sola cadena polipeptídica q Presenta un anillo de porfirina que contiene un átomo de Fe2+ q La estructura secundaria tiene seis segmentos en α- hélice q Se presenta la estructura terciaria o conformación nativa 3D Grupo Hemo: anillo de porfirina con un átomo de Fe2+ en el centro D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Proteínas globulares con estructura secundaria α y β D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura 3D de proteínas globulares Proteínas Solubles Enzimas, Hormonas, etc Mioglobina Proteínas de Membrana La aquaporina D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura cuaternaria D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La hemoglobina q Es una proteína globular q Esta formada por: dos subunidades α idénticas dos subunidades β idénticas q Cada subunidad presenta un grupo hemo con un átomo Fe 2+ q La estructura cuaternaria, se estabiliza por puentes de hidrógeno, puente salino e interacciones hidrofóbicas q Se encuentra en los glóbulos rojos q Función: transportar el oxígeno molecular de los pulmones a los tejidos D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Proteínas fibrosas Presentan conformación extendida q Por lo general contienen un solo tipo de estructura secundaria q Presentan poco estructura terciaria q Presentan estructura cuaternaria q Son insolubles en agua q Tienen alto contenido de residuos de aminoácidos hidrofóbicos q Fortalecen los tejidos de los animales y suministran protección externa q D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Ejemplos de proteínas fibrosas Tipo de proteína fibrosa Tipo de estructura secundaria Características α-queratina (Pelo, uñas, plumas, en los cuernos de los animales) α -hélice Fibra de la seda (Gusano de seda) Lámina β plegada Filamentos Flexibles suaves Colágeno (Tendones) Cadena α helicoidal orientada ala izquierda Fuertes No estirables Fuertes Varían en dureza y flexibilidad D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La α-queratina del pelo Queratina α hélice Dos α hélice enrolladas Células Filamento intermedio Protofilamento Protofibrilla Protofilamento Dos α-hélices α-hélice Protofibrilla Sección transversal de un pelo q q q Cada molécula de queratina consiste de una cadena polipeptídica, es una α hélice del N- al C- terminal, estabilizada por puentes de hidrógeno entre los enlaces peptídicos La estructura cuaternaria consiste de dos α-hélices estabilizadas por interacciones hidrofóbicas Las estructuras de órdenes superiores se estabilizan por interacciones hidrofobicas y puentes de disulfuro D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El colágeno D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Uniones covalentes entre los polipéptidos del colageno D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV La fibra de la seda Cadena lateral de Ala Cadena lateral de glicina D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Ácidos Nucleicos D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura de un nucleótido Base Nitrogenada Purina o Pirimidina Fosfato Pentosa Nucleósido D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Formación de un dinucleótido Grupo 5´fosfato libre * * Deshidratación -H20 Enlace fosfodiester 5´-3´ Grupo 3´OH libre * A pH fisiológico los grupos fosfatos están ionizados D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura del ADN y el ARN q Los nucleósidos 5´monofosfatos tienen la misma orientación relativa ADN ARN Extremo 5´-P Extremo 5´-P q Están unidos entre si en enlace fosfodiester 5´-3´ q La cadena tiene direccionalidad 5´-3´ q En el extremo 5´ hay un grupo fosfato libre q En el extremo 3´ hay un grupo OH libre q La cadena esta formada por una estructura covalente de fosfatos y pentosas que se alternan 5´ 5´ q En la estructura covalente las bases se encuentran insertadas a intervalos regulares 3´ 3´ q La estructura covalente interactúa con el agua mientras que las bases nitrogenadas se alejan del agua por su carácter menos polar q A pH 7 los fosfatos están ionizados presentando carga negativas (polianión ) q A pH 7 la cadena asume una estructura helicoidal orientada a la derecha D. Stojanovic de Malpica, Ph D Enlace fosfodiester 5´-3´ Extremo 3´-OH Extremo 3´-OH PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Niveles de organización de la estructura de los ácidos nucleicos q Estructura primaria q Estructura secundaria q Estructura terciaria D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura primaria D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura primaria: secuencias de bases en el ADN o ARN q q La estructura primaria de los ácidos nucleicos es la secuencia de bases del extremo 5´ al extremo 3´ La secuencia de bases se escribe de izquierda a derecha: q En el ADN es: 5´ ATGCA 3´ q En el ARN es: 5´ UGCCA 3´ q La identidad de un ácido nucleico esta determinada por la secuencia de bases D. Stojanovic de Malpica, Ph D ADN ARN Extremo 5´-P Extremo 5´-P Enlace fosfodiester 5´-3´ 5´ 5´ 3´ 3´ Extremo 3´-OH Extremo 3´-OH PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura secundaria del ADN D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Relación numérica de bases en el ADN en diferentes organismos y en distintas células de un mismo organismo (multicelulares): Reglas de Chargaff (1950) % Molar: A=T G=C A+G = T+ C D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Demostraron que el ADN de todos los organismos están formados por una doble hélice Patrón de difracción de Rayos X de una muest ra de ADN de bovino Rosalind Franklin Maurice Wilkins D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV James Watson y Francis Crick: postularon la estructura de la doble hélice en los años 1950 Francis Crick James Watson 1950 Francis Crick James Watson 2012 D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Complementariedad de cadenas y apareamiento de bases § Las dos cadenas corren en direcciones opuestas: son antiparalelas Timina Adenina § Apareamiento de bases A=T G =C Citosina § Entre A:T se forman dos puentes de hidrógeno Guanina § Entre G:C se forman dos puentes de hidrógeno D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Modelo de la estructura de doble hélice de Watson y Crick q En todos los organismos vivos el ADN B es la conformación predominante del ADN q Es una doble hélice orientada hacia la derecha q Tiene un diámetro de 2 nm q Tiene 10,5 de pares bases por vuelta Aumento en longitud por par de base 3,4 Ǻ q q Presenta dos periodicidades: una hendidura mayor (major groove) y otra menor (minor groove) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Fuerzan que estabilizan la doble hélice del ADN q Los puentes de hidrogeno entre A-T y G-C q Las interacciones de Van der Waals entre los pares de bases vecinas apiladas verticalmente a lo largo del eje de la doble hélice q Los grupos fosfatos con carga negativa en el esqueleto covalente son neutralizados con iones o proteínas con carga positiva D. Stojanovic de Malpica, Ph D Modelo de replicación semiconservativa del ADN formulado por Watson y Crick ADN parental PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Cadena nueva ADN parental Cadena nueva Cadenas hijas ADN parental D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura terciaria: Empaquetamiento del ADN D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El tamaño y forma del ADN en bacterias Un ADN de doble hélice circular en el citosol de la bacteria El tamaño del ADN es gigante comparado con el tamaño de la bacteria Las bacterias tienen enzimas especiales para empaquetar el ADN D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Características del ADN en eucariotas q q q q q q En células eucariotas el 99,9 % de la información genética se localiza en el núcleo Cada célula tiene un número característico de cromosomas Cada cromosoma es una molécula de ADN de doble hélice con forma lineal El ADN nuclear de una célula típica de humano tiene una longitud de 2 metros de longitud En animales y humanos el 0,1 % de la información genética restante se encuentra en las mitocondrias; el ADN mitocondrial es una doble hélice circular En plantas, además de un ADN mitocondrial, existe un ADN circular de doble hélice en los cloroplastos D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Cromosoma Una vuelta 30 rosetas Empaquetamiento del ADN en eucariotas x 10.000 veces: Desde la doble hélice hasta formar un cromosoma Una roseta Seis asas Un asa Fibra 30 nm Fibra de Cromatina ADN D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Unidad estructural de empaquetamiento del ADN en eucariotas: nucleosomas Nucleosoma (Histonas) Segmento de ADN Enlazante Fibra de cromatina Fibra de cromatina vista por Microscopia Electrónica q Cada Nucleosoma contiene ocho Histonas: 2 H2A, 2 H2B, 2 H3 y 2H4 q Entre cada nucleosoma se encuentra la Histona H1 q Cada nucleosoma contiene dos vueltas de ADN enrollado en sentido contrario a la dirección de rotación de la doble hélice (participan 146 pb) q En el ADN que existe entre los nucleosomas hay aproximadamente 50 pb (pares de bases) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Cromosomas humanos en células diploides (somáticas) y haploides Cada célula diploide consiste de pares de cromosomas (autosomas) que van desde el 1 al 22 más un cromosoma X e Y (varón) La célula diploide de la mujer contiene dos cromosomas X Cada célula haploide contiene un cromosoma de cada tipo más un X o un Y D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Número de cromosomas en algunas organismos No de cromosomas en algunos organismos* Bacterias 1 Zorro 34 Mosca de las frutas 8 Gato 38 Guisante 14 Ratón 40 Maíz 20 Humano 46 Olivo 46 Pollo 78 *No de cromosomas diploides en el caso de las células eucariotas Lo que determina que cada especie sea única, no es el número de cromosomas, sino la información que se especifica en los genes D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Los genes q q q q q Los genes están arreglados linealmente sobre cada cromosoma. En términos genéticos un gen es la unidad fundamental de la herencia En términos estructurales, un gen es la secuencia de ADN que codifica para un componente estructural (una cadena polipeptídica o ARN) y la secuencia de ADN adyacente al extremo 5´ que regula la expresión de ese gen Cada gen en una célula diploide tiene un gen similar ubicado en el cromosoma homologo Estas dos versiones de un mismo gen se conocen como alelos ( uno del padre y el otro de la madre) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El ARN q Está formados por una sola cadena de ARN q Existen tres clases de ARN: ARN mensajero (ARNm) ARN transferencia (ARNt) ARN ribosomal (ARNr) D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura y función del ARNm q El ARNm: presenta estructura primaria y secundaria (hélice orientada a la derecha). q No tiene estructura terciaria cónsono con su papel de molde para la síntesis de proteínas D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura primaria, secundaria y terciaria del ARNt Estructura secundaria en forma de hoja de trebol Estructura terciaria Sitio unión del aa Brazo TΨC Brazo del aminoácido Brazo D Brazo Anticodón Anticodón Anticodón D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Funciones del ARNt q Una enzima específica efectúa la unión covalente de un aminoácido particular a un ARNt específico en el extremo 3´ Aminoacil ARNt : ARNtaa q Existe por lo menos un ARNt para cada uno de los aminoácidos estándares (20 ARNt) q Los ARNtaa transportan los aminoácidos al sitio de síntesis de proteínas (los ribosomas) q Los ARNtaa son los traductores del lenguaje genético al de proteínas: q Tienen una región (anticodón) de tres bases con una secuencia de bases específica que reconoce una secuencia de tres bases específica (codón) en el ARNm D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura del Ribosoma La estructura del ribosoma es semejante en procariotas y eucariotas q El ribosoma consta de dos subunidades: Una subunidad grande Una subunidad pequeña q Cada subunidad tiene una composición particular de proteínas y de ARNr q Es el sitio donde ocurre la síntesis del polipéptido en presencia del ARNm q El Ribosoma El ARNm D. Stojanovic de Malpica, Ph D Comparación de la estructura de los ribosomas en procariotas y eucariotas PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV ARNr 5S (120 nucleótidos) ARNr 23S (3200 nucleótidos) 36 Proteínas D. Stojanovic de Malpica, Ph D ARNr 16S (1540 nucleótidos) 21 proteínas ARNr 5S (120 nucleótidos) ARNr 23S (4700 nucleótidos) ARNr 5.8S 49 Proteínas ARNr 18S (1900 nucleótidos) 33 proteínas PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Estructura y función de los ARNr q Presentan estructura primaria, secundaria y terciaria q Están asociados no covalentemente a las proteínas de las subunidades del ribosoma q Un ARNr específico (ribozima) es el responsable de la formación de los enlaces peptídicos en el polipéptido D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Flujo de la información genética Replicación Transcripción ARNr, ARNm, ARNt Traducción Proteína D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Bases del dogma central de la biología molecular q El ADN (ácido desoxirribonucleico) como material hereditario cumple con las siguientes características: q Posee capacidad de autorreplicación, estabilidad y variabilidad, es decir, el proceso de replicación asegura la conservación de la información genética y a la vez permite cambios de la información (mutación) que hacen posible la variabilidad fenotípica y la evolución q Controla el metabolismo y la expresión de los genes a través del control de la síntesis de las enzimas y todas las proteínas requeridas por la célula D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Expresión genética: relación entre ADN, ARNm y Proteína q q La correlación lineal entre ADN y ARNm es válida solo para bacterias q En eucariotas la relación ADN/ ARNm no es lineal debido a la presencia de intrones en el gen , que interrumpen la secuencia del gen; el ARNm, producto de la transcripción y maduración contiene la secuencia del gen sin interrupciones q ADN Se observa una relación lineal entre el ADN, ARNm y el polipéptido ARNm Polipéptido Amino terminal Gen En eucariotas la correlación ARNm/Polipéptido es igual que en bacterias D. Stojanovic de Malpica, Ph D Carboxi terminal Cadena molde PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El código genético Segunda letra del codón Primera letra del codón Extremo 5´ A D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Características del código genético q q q q q q Es un diccionario, sus palabras se llaman codones Los codones son los tripletes en el ARNm: consisten de una secuencia de tres bases en la dirección 5´-3´ Esta formado por 64 codones: 61 codones codifican para los aminoácidos estándares Uno solo codón codifica para la metionina (AUG) Existe solo un codón de iniciación (AUG) Existe un solo codón para el triptófano Existen tres codones de terminación (UAA, UAG, UGA) Es degenerado, un término matemático, que indica que un aminoácido puede tener más de un codón (codones sinónimos) En la mayoría de los codones sinónimos la especificidad del codón reside en las dos primeras bases Es universal: es idéntico para todos las especies: bacterias, plantas animales, animales y el hombre; no obstante, existen algunas excepciones D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Degeneración del código genético Aminoácido Número de codones D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV El ARNt es el traductor del lenguaje de los ácidos nucleicos al lenguaje proteico El ARNt El código genético Segunda letra del codón Ile Primera letra del codón Extremo 5´ A D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Síntesis de proteínas q q El mecanismo es similar tanto para procariotas como eucariotas Se describe a continuación el mecanismo de síntesis de proteínas en bacterias D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Primer paso en la síntesis de proteínas: formación del complejo de iniciación 70S q Asociación del ARNm a la subunidad 50S , con el posicionamiento del codón de iniciación en el sitio P del ribosoma q Unión del ARNt fMet al ARNm (r econocimiento del codón de iniciación con el anticodón del ARNtfMet) q Asociación de la subunidad 30S, completándose la formación del complejo 70S, que representa el ribosoma funcionalmente activo q Se requiere GTP y varios factores proteicos para formar el complejo de iniciación 70S D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Segundo paso en la síntesis de proteínas: formación del enlace peptídico Sitio E q q q Sitio P Sitio A Incorporación del segundo ARNt aa en el segundo codón del ARNm sobre el sitio A del ribosoma (reconocimiento codónanticodón) femt-ARNt femt Aminoacil-ARNt 2aa Formación del enlace peptídico por la ribozima (ARNr 23S de la subunidad 50S) El dipeptidil-ARNt2 queda sobre el sitio A Formación del enlace petídico ARNt1 fmet Sitio E Sitio P Sitio A Desacetilado ARNt1 fmet desacetilado q q El ARNtfemt desacetilado (sin el fmet) queda sobre el sitio P El próximo paso es la translocación del ARNm por un codón D. Stojanovic de Malpica, Ph D Dipeptidil Dipeptidil ARNt 2 ARNt 2 Segundo paso en la síntesis de proteínas: la translocación, movimiento del ARNm sobre el ribosoma por un codón en la dirección 5’-3’ Sitio E Sitio P Sitio A ARNt1 fmet desacetilado PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Dipeptidil ARNt 2 Translocación Sitio E Sitio P Sitio A Aminoacil-ARNt3aa entrante Movimiento del ARNm por un codón en la dirección 5´-3´ D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV Tercer paso: terminación de la síntesis de proteínas q El segundo paso de la síntesis de proteínas (incorporación de los ARNtaa y translocación) se repite hasta alcanzar el codón de terminación q Unión de un factor proteico al sitio A para liberar el polipéptido q Hidrólisis del peptidil-ARNt q Se libera el polipéptido q Disociación de los componentes Factor de liberación Hidrólisis del peptidil-ARNt Disociación de componentes D. Stojanovic de Malpica, Ph D PROPEDÉUTICO DE ODONTOLOGÍA, UCV D. Stojanovic de Malpica, Ph D
