Biomoléculas. Biomoléculas

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1 Biomoléculas Biomoléculas Composición elemental Macroelementos Tipos de reacciones Redox Enlaces C-C Oligoelementos Transferencia de grupo Condensación/hidrólisis Moléculas orgánicas Grupos funcionales Configuración: isomerías Tipos de biomoléculas Conformación Enlace covalente Interacciones débiles Electronegatividad I. electrostáticas Puentes de hidrógeno Reactividad I. van der Waals Para Enrique Castro Los trabajos de terceros retienen su licencia original 1 Composición Composición elemental elemental de de los los seres seres vivos vivos Enrique Castro,Elemento 2003 H C N O % peso 25,2 9,5 1,4 63 ligeros (fuerte enlace covalente) multienlace H,C,N,O P, S (excluyendo minerales) macroelementos ( oligoelementos Lehninger Fig

2 Oligoelementos Oligoelementos como como cofactores cofactores enzimáticos enzimáticos Metal Enzima ejemplo Función del metal Fe Citocromos, Citocromo-oxidasa redox Cu Ascorbato oxidasa Superóxido dismutasa (Cu, Zn) redox redox Zn Alcohol deshidrogenasa Carboxipetidasa A unión de coenzima NAD+ coordinación del centro activo Mn His-amoniaco liasa Superóxido dismutasa (Mn) extracción de electrones del sustrato 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 Biomoléculas Biomoléculas Composición elemental Macroelementos Oligoelementos Tipos de reacciones Redox Enlaces C-C Transferencia de grupo Moléculas orgánicas Grupos funcionales Configuración: isomerías Conformación Condensación/hidrólisis Tipos de biomoléculas Interacciones débiles I. electrostáticas Puentes de hidrógeno Enlace covalente I. van der Waals Electronegatividad Reactividad 4 2

3 Biomoléculas: Biomoléculas: moléculas moléculas orgánicas orgánicas (C) (C) Versatilidad de enlace Versatilidad estructural sp3, tetraédrico 0,154 nm enlace simple libre rotación enlace doble sp2, plano, rígido Lehninger Fig. 3.4 Lehninger Fig Grupos Grupos funcionales funcionales 6 3

4 Moléculas Moléculas == grupos grupos funcionales funcionales Las propiedades físicas y químicas (reactividad, capacidad de enlace) de una molécula dependen de su repertorio de grupos funcionales Lehninger Fig Grupos Grupos funcionales: funcionales: propiedades propiedades químicas químicas 8 4

5 Propiedades Propiedades moleculares moleculares relevantes relevantes Polaridad Asimetría de sus enlaces Interacción con agua Ácido-base Combinación de grupos funcionales Tipos de reacciones soportados Disociación/ionización Generación de H3O+ Reactividad química Estado de oxidación (redox) electronegatividad riqueza en electrones 9 Electronegatividad Electronegatividad Lodish Fig

6 Estados Estados de de oxidación oxidación Estado redox Riqueza en electrones Electronegatividad reducido pobre en e Más oxidado Fe3+ rico en e- Estado de oxidación -2 oxidado Fe2+ Más reducido +4 e- Amines Nº de oxidación: carga que existiría en un átomo si todos los electrones de un enlace se atribuyen al más electronegativo Cetones (Pauling, hipótesis 100% iónicos) Amides +4 Nº de oxígenos 11 Reacciones Reacciones redox redox R. redox Transferencia de e Parejas redox aceptor-dador NO existen e- libres reducido oxidado Lactato + NAD+ dador aceptor NAD+ Lactato Piruvato + NADH + H+ aceptor dador NADH + H+ Piruvato 12 6

7 Reactividad: Reactividad: polarizabilidad polarizabilidad yy nucleofilia nucleofilia Grupos funcionales nucleófilos Polarizabilidad Depende de la movilidad de la nube e- Nucleofilia Pares de e buscando un enlace - 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 - la nucleofilia aumenta con la carga negativa, la basicidad y la polarizabilidad 13 Tipos Tipos de de reacciones reacciones químicas químicas (covalentes) (covalentes) implican rotura/formación Enrique Castro, 2003 de enlaces covalentes Muy lentas catalizadores enzimáticos 1: Oxidación-reducción (redox) 2: enlaces C-X 3: Reorganizaciones internas 4: Transferencia de grupo 5: Condensación de monómeros 14 7

8 Biomoléculas Biomoléculas Composición elemental Tipos de reacciones Macroelementos Redox Oligoelementos Enlaces C-C Transferencia de grupo Moléculas orgánicas Condensación/hidrólisis Grupos funcionales Configuración: isomerías Conformación Enlace covalente Tipos de biomoléculas Electronegatividad Reactividad Interacciones débiles I. electrostáticas Puentes de hidrógeno I. van der Waals 15 Termodinámica Termodinámica Energía útil, que realiza TRABAJO Cambios de calor ΔG = ΔH - T ΔS Orden interno 16 8

9 Temodinámica Temodinámica de de reacciones reacciones químicas químicas A+B K eq = C+D [C ]eq [ D]eq [ A]eq [ B ]eq G = G⁰ RT ln [C ] [ D ] [ A] [ B] G⁰ = RT ln K eq ΔG determina posición del equilibrio (K) pero no la velocidad con la que se alcanza 17 Reacciones Reacciones acopladas acopladas 1 ΔG1 A+B C+D K eq = ΔG2 C+H I+J K eq = 2 [C ]eq [ D]eq [ A]eq [ B ]eq [ I ]eq [ J ]eq [C ]eq [ H ]eq suma A+B+H ΔG= ΔG1 + ΔG2 D+I+J 2 K eq= K 1eq K eq = [ D]eq [ I ]eq [ J ]eq [ A]eq [ B ]eq [ H ]eq 18 9

10 Velocidad Velocidad de de reacción reacción Keq v = k1 A k-1 Constante de velocidad P d [ A] d [P] = = k 1 [ A] k 1 [ P ] dt dt Curva exponencial Ecuación de velocidad [ A]=[ A]0 e kt En el equilibrio no hay más reacción neta: va P = vp A v eq = k 1 [ A]eq k 1 [ P ]eq =0 ; K eq= k 1 [ P ]eq = k 1 [ A]eq El cociente de las constantes de velocidad determina la posición del equilibrio (Keq) 19 Equilibrios Equilibrios de de unión: unión: KKdd yy afinidad afinidad Ka P+L [ P ]+[ PL]=P T Kd Ka = [ PL] [ P ] [ L] [ P ] [ L ] = [ PL] Kd Proteína unida, [PL] PL PT Saturación 100% P unido Curva hipérbólica Alta Kd = baja afinidad Kd Kd otro ligando Concentración de Ligando, [L] [ PL] ( P T [ PL]) [ L] K a P T [ L] K a [ L ] [ PL] = [ PL] [ PL] (1+ K a [ L]) = K a P T [ L ] K a P T [ L ] 1+ K a [ L] P T [ L] [ PL] = 1 +[ L ] Ka [ PL] = [ PL ] = PT Ka = P T [ L] K d +[ L] La KD tiene unidades de concentración [ PL ] [ L] = PT K d +[ L] [ PL] [ L] = PT L 0.5 +[ L] KD = [L]0.5 [L] cuando 50% unida 20 10

11 Equilibrios Equilibrios de de unión: unión: velocidad velocidad de de disociación disociación de de PL PL koff PL P+L kon La kon tiene dimensiones de M-1 s-1 v on =k on [ P ] [ L] v off =k off [ PL] La v tiene dimensiones de M s-1 KD = La koff tiene dimensiones de s-1 k off [ P ] [ L] = M k on [ PL] 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 Las reacciones controladas por difusión tienen kon 109 M-1 s-1 k off = K D k on KD (M) koff (s-1) t½ (s) 0,69 μs 0,69 ms 0,69 s 693 s (11 min) 6,9 108 s (20 años) Entonces KD indica duración del complejo 21 Tipos Tipos de de biomoléculas biomoléculas Monómeros Macromoléculas aminoácidos A V D P K H Proteínas informativos nucleótidos Glúcidos Lípidos Ác. nucleicos monosacáridos Polisacáridos triglicéridos fosfolípidos colesterol autoensamblantes 22 11

12 Sillares Sillares de de construcción construcción Nucleotides Fatty Acids Monosaccharides 23 Tamaños Tamaños relativos relativos de de biomoléculas biomoléculas Proteínas extracelulares Heparán sulfato (polisacárido extracelular) Lisozima IgG 151 kd Insulina 5.7 kd Membrana chol (bicapa lipídica) Proteínas intracelulares arg cys met Mioglobina 16.7 kd agua acetato chol Metabolitos intracelulares glucosa Hemoglobina Ácidos nucleicos 65 kd DNA dúplex Citocromo c Ribonucleasa Complejos multiproteicos Glutamina sintetasa trna 24 12

13 Biomoléculas Biomoléculas Composición elemental Tipos de reacciones Macroelementos Redox Oligoelementos Enlaces C-C Transferencia de grupo Moléculas orgánicas Condensación/hidrólisis Grupos funcionales Configuración: isomerías Conformación Tipos de biomoléculas Enlace covalente Interacciones débiles Electronegatividad Reactividad I. electrostáticas Puentes de hidrógeno I. van der Waals 25 Enlace Enlace covalente: covalente: estructura estructura molecular molecular Enlaces covalentes forman la estructura interna de las biomoleculas Energía térmica media a 25ºC < 4 kj/mol Ec = 3/2 RT extraordinariamente estables 26 13

14 Estructura Estructura tridimensional tridimensional yy tamaño tamaño molecular molecular 27 Interacciones Interacciones inter moleculares: inter moleculares: no no covalentes covalentes Enlace covalente: >210 kj/mol Interacciones electrostáticas Iones y/o dipolos Ley de Coulomb 4-80 kj/mol 20 kj/mol Enlaces de hidrógeno Grupos X-H polarizados Relativamente fuerte kj/mol Interacciones de van der Waals Universales, muy débiles Corto alcance Interacciones débiles pueden formarse y romperse: dinámica molecular 0,3-9 kj/mol Efecto hidrofóbico Entrópico 3-40 kj/mol 12 kj/mol Energía térmica media a 25ºC < 4 kj/mol Ec = 3/2 RT 28 14

15 Interacciones Interacciones electrostáticas electrostáticas Ley de Coulomb: iones no-direccional (esférico) Constante dieléctrica F= 1 q1 q2 4 r² (apantallamiento) ión cargado negativanente Atmósfera con un exceso de contraiones positivos anión catión Radio efectivo de la atmósfera contraiónica Constante dieléctrica Єr, dependiente del medio K q1 q2 F= r r² constante dieléctrica +q -q momento dipolar = q d Ley de Coulomb: dipolos interacción necesita buen alineamiento 1 q1 q2 4 r permitividad eléctrica del vacío Є0 = 8, N m2 Cb-2 (constante universal) = r 0 Lejos del ión el promedio de aniones y cationes es el mismo, y la carga media es nula más débil direccional U= d en serie en paralelo 29 Interacciones Interacciones electrostáticas electrostáticas (2) (2) 80 kj/mol 4 kj/mol distancia de contacto : 0,28-0,35 nm menor energía menor alcance 30 15

16 Puentes Puentes de de hidrógeno hidrógeno Par de electrones de no-enlace I. dipolo-dipolo pares de no-enlace estable por corto direccional muy selectivo δδ+ Átomo muy electronegativo (especificidad) δ- Selectivo, Sólo determinados grupos H pequeño, d corta: buena interacción de Coulomb Muy raro S débil kj/mol δ- d Direccional, X H - Y en línea δ+ δ- 31 Puentes Puentes de de hidrógeno hidrógeno (2) (2) propiedades aceptoras dependen de hibridación sp2/sp3 pares e- no-enlazantes 32 16

17 Interacciones Interacciones de de van van der der Waals Waals polarizables (n grande) aromáticos (π) Repulsión; U 1/r12 impedimento estérico Lodish Fig. 2,15 Fuerzas de dispersión sincronización de nubes electronicas no-direccional muy corto alcance 0,3-9 kj/mol muy débiles universales: Σátomos Atracción; U 1/r6 Mathews & van Holde Fig. 2-6 Muy importantes en grandes superficies complementarias especificidad 33 Efecto Efecto hidrofóbico hidrofóbico ΔG = ΔH - T ΔS ΔS ΔG I. hidrófoba ordenamiento superficial efecto entrópico 3-40 kj/mol no-direccional 12 kj/mol largo alcance depende de superficie 34 17