Biomoléculas Biomoléculas Composición elemental de los seres ...

© 2006, Enrique Castro 1

Enrique Castro, 2003

12011 Enrique Castro

BiomoléculasBiomoléculas

➢Composición elemental Macroelementos

Oligoelementos

➢Moléculas orgánicas Grupos funcionales

Configuración: isomerías

Conformación

➢Enlace covalente Electronegatividad

Reactividad

➢Tipos de reacciones Redox

Enlaces C-C

Transferencia de grupo Condensación/hidrólisis

➢Tipos de biomoléculas

➢Interacciones débiles I. electrostáticas

Puentes de hidrógeno

I. van der Waals

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Composición elemental de los seres vivosComposición elemental de los seres vivos

Lehninger Fig. 3.1

Elemento % pesoH 25,2C 9,5N 1,4O 63

macroelementos (oligoelementos

ligeros (fuerte enlace covalente) multienlace

H,C,N,OP, S (excluyendo minerales)




Oligoelementos como cofactores enzimáticosOligoelementos como cofactores enzimáticos

Metal Enzima ejemplo Función del metal

Fe Citocromos, redoxCitocromo-oxidasa

Cu Ascorbato oxidasa redoxSuperóxido dismutasa (Cu, Zn) redox

Zn Alcohol deshidrogenasa unión de coenzima NAD+

Carboxipetidasa A coordinación del centro activo

Mn His-amoniaco liasa extracción de electrones del sustratoSuperóxido dismutasa (Mn) redox

Co Glutamato mutasa parte de la cobalamina unida

Ni Ureasa organización del centro activo

Mo Xantina oxidasa redox

V Nitrato reductasa redox

Se Glutatión peroxidasa reemplaza al S en el centro activo

Mathews & vanHolde, Tab. 11-6



➢Composición elemental

Macroelementos

Oligoelementos

➢Moléculas orgánicas Grupos funcionales Configuración: isomerías Conformación

➢Enlace covalente

Electronegatividad

Reactividad

➢Tipos de reacciones

Redox

Enlaces C-C

Transferencia de grupo

Condensación/hidrólisis


➢ Interacciones débiles

I. electrostáticas


I. van der Waals





Biomoléculas: moléculas orgánicas (C)Biomoléculas: moléculas orgánicas (C)Versatilidad de enlace

Versatilidad estructural

Lehninger Fig. 3.3Lehninger Fig. 3.4

sp3, tetraédrico0,154 nm

enlace simplelibre rotación

enlace doblesp2, plano, rígido



Grupos funcionalesGrupos funcionales




Moléculas = grupos funcionalesMoléculas = grupos funcionales

Lehninger Fig. 3.3

Las propiedades físicas y químicas (reactividad, capacidad de enlace) de una molécula dependen de su repertorio de grupos funcionales



Grupos funcionales: propiedades químicasGrupos funcionales: propiedades químicas




Propiedades moleculares relevantesPropiedades moleculares relevantes

Polaridad• Asimetría de sus enlaces• Interacción con agua

Ácido-base• Disociación/ionización• Generación de H3O+

Estado de oxidación (redox)• electronegatividad• riqueza en electrones

Reactividad química• Combinación de grupos funcionales• Tipos de reacciones soportados



ElectronegatividadElectronegatividad

Lodish Fig. 2.4




Estados de oxidaciónEstados de oxidación Estado redox

• Riqueza en electrones• Electronegatividad

Fe2+ Fe3+

reducido oxidado

rico en e- pobre en e- Más reducido

-2 0

0 +1

+1 +2

+2 +2

+3 +3

+4 +4

Más oxidado

Amines

Amides

e-

Cetones

Nº de oxígenos

Estado deoxidación

Nº de oxidación: carga que existiría en un átomo si todos los electrones de un enlace se atribuyen al más electronegativo

(Pauling, hipótesis 100% iónicos)



Reacciones redoxReacciones redox R. redox

• Transferencia de e-

• Parejas redox aceptor-dadorNO existen e- libres

reducido oxidado

Lactato + NAD+ Piruvato + NADH + H+ dador dadoraceptor aceptor

Lactato Piruvato

NAD+ NADH + H+




Reactividad: polarizabilidad y nucleofiliaReactividad: polarizabilidad y nucleofilia

Polarizabilidad• Depende de la movilidad de la nube e-

Nucleofilia• Pares de e- buscando un enlace

la nucleofilia aumenta con la carga negativa, la basicidad y la polarizabilidad

+

-

Grupos funcionales nucleófilos

Tiolato R―S:-

Alcoxilo R―O:-

Hidroxilo H―O:-

amino R―NH2

carboxilato R―COO-

imidazol

tiol R―SH

agua HOH

alcohol R―OH

fosfato

..

..

..

..

..

..

..

..

..

..

..

..

..



Tipos de reacciones químicas (covalentes)Tipos de reacciones químicas (covalentes)

1: Oxidación-reducción (redox)• •

2: enlaces C-X• •

3: Reorganizaciones internas• •

4: Transferencia de grupo• •

5: Condensación de monómeros• •

implican rotura/formación de enlaces covalentes Muy lentas catalizadores enzimáticos





Macroelementos

Oligoelementos

➢Moléculas orgánicas

Grupos funcionales


Conformación

➢Enlace covalente

Electronegatividad

Reactividad


Redox

Enlaces C-C




➢ Interacciones débiles

I. electrostáticas


I. van der Waals




TermodinámicaTermodinámica

ΔG = ΔH - T·ΔSEnergía útil, que realiza TRABAJO

Orden interno

Cambios de calor




Temodinámica de reacciones químicasTemodinámica de reacciones químicas

A + B C + D

G = G⁰ RT⋅ln [C ]⋅[D ]

[A]⋅[B ]

K eq =[C ]eq⋅[D]eq[A]eq⋅[B ]eq

G⁰ = −RT⋅ln K eq

ΔG determina posición del equilibrio (K)pero no la velocidad con la que se alcanza



Reacciones acopladasReacciones acopladas

A + B C + D K eq1

=[C ]eq⋅[D]eq[A]eq⋅[B ]eq

ΔG1

C + H I + J K eq2

=[ I ]eq⋅[ J ]eq[C ]eq⋅[H ]eq

ΔG2

A + B + H D + I + J

K eq=K eq1 ⋅K eq

2 =[D ]eq⋅[ I ]eq⋅[ J ]eq[ A]eq⋅[B ]eq⋅[H ]eq

ΔG= ΔG1 + ΔG2

suma




Velocidad de reacciónVelocidad de reacción

A Pk

1

k-1

Keq

v = −d [A]dt

=d [P ]dt

= k 1⋅[A] − k−1⋅[P ]

veq= k 1⋅[A]eq− k−1⋅[P ]eq=0 ; K eq=k 1

k−1

=[P ]eq[A]eq

En el equilibrio no hay más reacción neta: vA→P = vP→A

Constante de velocidad

Ecuación de velocidadCurva exponencial

[A]=[A]0⋅e−kt

El cociente de las constantes de velocidaddetermina la posición del equilibrio (K

eq)



Equilibrios de unión: Kd y afinidadEquilibrios de unión: Kd y afinidad

P + L PLKa

Kd

K a =[PL ]

[P ]⋅[L]

K d =[P ]⋅[L ][PL ]

[P ]+[PL]=PT

K a =[PL]

(PT−[PL ])⋅[L]

K a⋅PT⋅[L]−K a⋅[L ]⋅[PL ] = [PL ]

[PL ]⋅(1+K a⋅[L]) = K a⋅PT⋅[L ]

[PL] =K a⋅PT⋅[L ]

1+K a⋅[L]

[PL] =PT⋅[L]

1K a

+[L ]

[PL ] =PT⋅[L]

K d+[L]

[PL ]PT

=[L]

K d+[L]

[PL]PT

=[L]

L0.5+[L]

La KD tiene unidades

de concentración

KD = [L]0.5

[L] cuando 50% unidaConcentración de Ligando, [L]

Pro

teín

a unid

a, [

PL]

PT

PT

Kd

Alta Kd = baja afinidad

Kd otro ligando

Saturación100% P unido

Curvahipérbólica




Equilibrios de unión: velocidad de disociación de PLEquilibrios de unión: velocidad de disociación de PL

PL P + Lkoff

kon

von=k on⋅[P ]⋅[L ]voff=k off⋅[PL ]

K D =k offk on

=[P ]⋅[L][PL ]

M La KD tiene dimensiones

de concentración

Si la constante de velocidad de asociación kon

es fija,

entonces el valor de KD determina el valor de la velocidad de disociación del complejo

La kon

tiene dimensiones de M-1·s-1

La koff

tiene dimensiones de s-1 La v tiene dimensiones de M·s-1

k off = K D⋅k onLas reacciones controladas por difusióntienen k

on ≈ 109 M-1·s-1

KD (M) koff (s-1) t½ (s)

10-3 106 0,69 μs10-6 103 0,69 ms10-9 1 0,69 s10-12 10-3 693 s (11 min)10-18 10-9 6,9·108 s (20 años)

Entonces KD indica

duración del complejo



Tipos de biomoléculasTipos de biomoléculas

AV

DK P

H

MacromoléculasMonómeros

Glúcidos

Lípidos

Proteínas

Ác. nucleicos

aminoácidos

nucleótidos

Polisacáridos

monosacáridos

triglicéridosfosfolípidoscolesterol

informativos

autoensamblantes




Sillares de construcciónSillares de construcción

Nucleotides

Fatty Acids

Monosaccharides



Tamaños relativos de biomoléculasTamaños relativos de biomoléculasProteínas extracelulares

Proteínas intracelulares

Heparán sulfato (polisacárido extracelular)

Membrana(bicapa lipídica)

DNA dúplex

tRNA

Insulina5.7 kD

Lisozima

Mioglobina16.7 kD

Hemoglobina65 kD

Citocromo c Ribonucleasa

Glutamina sintetasa

IgG151 kD

Metabolitos intracelulares

Ácidos nucleicos

arg

chol

cys metglucosa

aguaacetato

Complejos multiproteicos

chol





Macroelementos

Oligoelementos

➢Moléculas orgánicas

Grupos funcionales


Conformación

➢Enlace covalente

Electronegatividad

Reactividad


Redox

Enlaces C-C




➢Interacciones débiles I. electrostáticas


I. van der Waals




Enlace covalente: estructura molecularEnlace covalente: estructura molecular

Energía térmica media a 25ºC < 4 kJ/molE

c = 3/2·RT

Enlaces covalentes forman la estructura interna de las biomoleculas

extraordinariamente estables




Estructura tridimensional y tamaño molecularEstructura tridimensional y tamaño molecular



Interacciones intermoleculares: no covalentesInteracciones intermoleculares: no covalentes

Interacciones electrostáticas• Iones y/o dipolos• Ley de Coulomb

Enlaces de hidrógeno• Grupos X-H polarizados• Relativamente fuerte

Interacciones de van der Waals• Universales, muy débiles• Corto alcance

Efecto hidrofóbico• Entrópico

4-80 kJ/mol≈20 kJ/mol

12-30 kJ/mol

0,3-9 kJ/mol


Energía térmica media a 25ºC < 4 kJ/molE

c = 3/2·RT

Enlace covalente: >210 kJ/mol

Interacciones débiles pueden formarse y romperse: dinámica molecular




Interacciones electrostáticasInteracciones electrostáticasLey de Coulomb: iones

• no-direccional (esférico)• Constante dieléctrica

(apantallamiento)

F=1

4⋅⋅q1⋅q2

r²

= r⋅0

F=Kr⋅q1⋅q2

r²

permitividad eléctrica del vacíoЄ0 = 8,85·10-12 N·m2·Cb-2

(constante universal)

Constante dieléctricaЄr , dependiente del medio

ión cargado negativanente

Atmósfera con un exceso de contraiones positivos

Radio efectivo de la atmósfera contraiónica

Lejos del ión el promedio de aniones y cationes es el mismo, y la carga media es nula

anióncatión

constante dieléctrica

U =1

4⋅⋅q1⋅q2

r

Ley de Coulomb: dipolos• más débil• direccional

+q -q

d

= q⋅dmomento dipolar

en serie

en paralelo

interacción necesita buen alineamiento



Interacciones electrostáticas (2)Interacciones electrostáticas (2)

menor energíamenor alcance

80 kJ/mol

4 kJ/mol

distancia de contacto : 0,28-0,35 nm




Puentes de hidrógenoPuentes de hidrógeno

δ-

δ+

δ-

Par de electrones de no-enlace

Átomo muy electronegativo

Muy raro Sdébil

I. dipolo-dipolo• pares de no-enlace• estable por corto• direccional• muy selectivo

(especificidad)

H pequeño, d corta: buena interacción de Coulomb

dDireccional,X – H - Y en línea

Selectivo,Sólo determinados grupos

δ-

δ+

δ-

12-30 kJ/mol



Puentes de hidrógeno (2)Puentes de hidrógeno (2)

propiedades aceptoras dependen de hibridación sp2/sp3

pares e- no-enlazantes




Interacciones de van der WaalsInteracciones de van der Waals

Lodish Fig. 2,15

Mathews & van Holde Fig. 2-6

Fuerzas de dispersión• sincronización de nubes electronicas• no-direccional• muy corto alcance• muy débiles• universales: Σátomos

Repulsión; U ∝ 1/r12

impedimento estérico

Atracción; U ∝ 1/r6

0,3-9 kJ/mol

Muy importantes en grandes superficies complementarias

especificidad

• polarizables (n grande)• aromáticos (π)



Efecto hidrofóbicoEfecto hidrofóbico

I. hidrófoba• ordenamiento superficial• efecto entrópico• no-direccional• largo alcance

ΔG = ΔH - T·ΔS

ΔS → ΔG


depende de superficie

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