Ejercicios Parcial 2 - Curso 24/25 Biofı́sica y Bioinformática [NOTA: En estos ejercicios, considerar que la constante de Faraday es 96.485 J · mV−1 · mol−1 , o, lo que es lo mismo, C · mmol−1 , y que la constante de los gases ideales es 8.314 J · mol−1 · K−1 ] Segundo parcial 1. Se han preparado vesı́culas permeables a iones de Na+ y Cl− , con distintas concentraciones de sal sódica de DNA y ocasionalmente con algo de NaCl en su interior. Una vez formadas, se resuspenden en un mismo volumen de una disolución distinta de NaCl. Tras dejar incubar durante un tiempo prudencial, se mide mediante electrodos el potencial eléctrico de sodio en membrana, con los siguientes resultados: a) (1 Punto) Cuando se preparan vesı́culas que contienen 1 mM pb DNA y 3 mM de NaCl, y tras resuspender en 12 mM NaCl, se mide un potencial de 3.22 mV. b) (1 Punto) Si las vesı́culas finales de la suspensión anterior se precipitan y se resuspenden en 2 mM de NaCl, el nuevo potencial medido es de 5.14 mV. c) (1 Punto) En otra preparación distinta, simplemente se encapsulan 4 mM pb DNA, sin nada de NaCl. La resuspensión de estas vesı́culas en 7 mM de NaCl produce un potencial de membrana de 12.73 mV. Considerando que cada par de bases de DNA soporta aproximadamente dos cargas negativas y que nos encontramos a 25◦ C, ¿cuáles de estas suspensiones están en equilibrio y cuáles no? (0.5 Puntos) Si la membrana no está en equilibrio, y teniendo en cuenta el potencial esperado, ¿qué ha podido ocurrir? 1 2. Como vimos en la lección sobre la glicolisis, hay muy distintos diseños, entre los cuales uno de los más peculiares es el de la lombriz Ascaris lumbricoides, cuyo ciclo de vida se muestra en la Figura 1. Figura 1: Ciclo de vida de Ascaris lumbricoides En esencia, la infección por Ascaris tiene lugar por ingesta de sus huevos fertilizados, que en esa etapa se encuentran en fase embrionaria. La incubación de los huevos tiene lugar en el intestino delgado, donde se desarrollan las larvas, que atraviesan la pared intestinal y pasan a la sangre, hasta alcanzar los pulmones. De los alveolos, pasan a los bronquios, a la traquea y finalmente a la laringe, donde son deglutidas y regresan al intestino. Allı́ se produce el desarrollo a estado adulto y la regeneración de los huevos. Teniendo en cuenta el ciclo de vida descrito y el esquema de la glicolisis anaerobia representado en la Figura 2: a. (1 Punto) Demostrar el valor de la estequiometrı́a de cada paso de producción de ATP por molécula de glucosa, ası́ como la estequiometrı́a global de la ruta. Indicar cuál es el proceso sumidero y cuál el fuente. Para el cálculo, se debe tener en cuenta que la ruta no produce NADH de forma neta. b. (1 Punto) Suponiendo que la afinidad de hidrolisis del ATP es la misma en Ascaris que en el eritrocito (50 kJ/mol) y que la afinidad de la reacción global de degradación de la glucosa a lactato es 197 kJ/mol, mientras que a propionato y acetato es de 205 kJ/mol, calcular la eficiencia en ambos casos. Discutir la diferencia encontrada, en relación con las distintas restricciones termodinámicas presentes en la glicolisis canónica y en la de Ascaris. 2 Figura 2: Glicolisis en Ascaris lumbricoides 3. La Tabla 1 recoge algunas cantidades conocidas relativas a la sı́ntesis de ATP mediante la ATP sintasa de diversos sistemas bioquı́micos. De acuerdo con los datos presentados: a. (1 Punto) Calcular la ∆GADP/ATP (también llamada ∆Gp ) esperable en mitocondrias y tilacoides si la eficiencia del acoplamiento fuera del 100 %. Comparar con el valor observado y determinar la eficiencia correspondiente. Si alguna de las eficiencias no es máxima, proponer alguna explicación. (Sugerencia: Considerar distintos mecanismos de disipación de la fuerza protonmotriz, ası́ como los valores de ∆ψ y ∆pH, que se pueden encontrar en las diapositivas de clase.) b. (0.5 Puntos) ¿Cuál serı́a el numero mı́nimo de subunidades c de la ATP sintasa que serı́a necesario para satisfacer la energı́a libre de fosforilación de ADP observada en esos dos sistemas? Compararlo con los valores reales y discutir el resultado. c. (0.5 Puntos) Hacer este cálculo también para bacterias acidófilas y alcalófilas, suponiendo un desequilibrio de ATP/ADP de 60 3 Sistema ∆p ∆Gobs ADP/ATP (mV) (kJ · mol−1 ) Tilacoide Mitocondria T. ferrooxidans B. pasteurii -195 -200 -260 -60 60 66 ? ? Subunidades c Ref. PDB 14 10 ? ? 6FKH 6WM3 ? ? Tabla 1: Fuerza protonmotriz, energı́a libre de fosforilación de ADP observada (a partir de la relación ATP/ADP), número de subunidades c de la ATP sintasa y ejemplo de estructura experimental en dos sistemas neutrófilos (tilacoides y mitocondrias), uno acidófilo (Thiobacillus ferrooxidans) y otro alcalófilo (Bacillus pasteurii). Los datos desconocidos se indican con una interrogación. kJ/mol. Teniendo en cuenta que el número de subunidades c encontrado en sistemas conocidos se encuentra entre 8 y 15, ¿son razonables los valores calculados? Si no es ası́, ¿qué valores estructurales y termodinámicos se espera encontrar una vez se determinen los valores experimentales desconocidos para estos extremófilos? d. (0.5 Puntos) Se podrı́a pensar que, dada una fuerza protonmotriz, por pequeña que fuera, bastarı́a con aumentar el número de subunidades c de la ATPasa para alcanzar cualquier ∆GADP/ATP deseada. ¿Qué falla en este razonamiento? 4. (2 Puntos) Considérese el espacio genómico de todas las secuencias binarias de tres bases, ordenadas por el ı́ndice correspondiente a su representación binaria, de tal manera que la “000” es la primera, “001”, la segunda, “010”, la tercera, etc., hasta alcanzar la octava, “111”. Se ha determinado experimentalmente que las bases que definen este espacio genómico mutan de forma diferencial, de manera que el factor de calidad por base del “0” es 0.98, pero el del “1” es 0.95. Suponiendo que los respectivos factores de amplificación son A = (5.0, 1.0, 2.0, 3.0, 2.0, 1.0, 4.0, 5.5) y que las constantes de degradación son D = (0.40, 0.13, 0.07, 0.04, 0.05, 0.16, 0.22, 0.60), calcular el valor selectivo de cada secuencia, identificando ası́ cuál es la maestra. Construir también la matriz Q de probabilidades de mutación entre secuencias (donde, recuérdese, la diagonal son los factores de calidad por secuencia). Repetir ese cálculo suponiendo ahora que el factor de calidad es 4 0.97 e idéntico para ambas bases. ¿En qué se diferencian las dos matrices obtenidas? Reducir esta última matriz agrupando las secuencias por clases de Hamming, siendo la “000” la secuencia de referencia. Dar una interpretación de todos estos resultados. 5
