Interacciones moleculares en sistemas biológicos

Transcripción

1 Interacciones moleculares en sistemas biológicos Qué es una molécula? Compuesto con estequeometría y estructura bien definida y no fácilmente disociable Qué es una macromolécula biológica? Molécula grande y biológica con función biológica

2 Energía interna de las biomoléculas Energía = V + K V total N i 1 ( V bonding V non bonding ) i V bonding : implica todas las interacciones que definen la estructura covalente de una molécula V non-bonding: implica todas las interacciones entre átomos no covalentemente unidos. Abarca tanto a interacciones Intramoleculares Intermoleculares

3 V bonding (o energía potencial enlazante) Incluyen a todas las interacciones entre átomos covalentemente unidos Por los valores de energía que tienen los enlaces, son los términos que dominan la energía total de una molécula La energía de enlace se define como la cantidad de energía que debo entregar a mi sistema para romper ese enlace Energía necesaria para romper un enlace Entalpías

4 Interacciones no-enlazantes Interacciones INTRAmoleculares e INTERmoleculares Ambos tipos comprenden interacciones carga-carga, dipolodipolo, van der Waals, puentes de hidrógeno

5 V Non-bonding (o energía potencial no-enlazante) Interacciones débiles En conjunto hacen un aporte mínimo a la energía total de la molécula Tienen fundamental importancia en los procesos biológicos ya que median la interacción entre moléculas Dependen de la polarizabilidad del medio radio de van der Waals

6 Interacciones no-enlazantes

7 Interacciones electrostáticas V e q1q e Dr 2 2 n Incluyen a las carga-carga (n=1) y carga-dipolo (n=2) Son no-direccionales Son interacciones de largo alcance En general son interacciones de superficies ( puentes salinos) Si se las encuentran en ambientes no-polares generalmente están asociadas a una función biológica Dan rigidez a la estructura molecular

8 Interacciones dipolo-dipolo V dd 1 Dr 2 3 Momento dipolar,, vector con módulo igual al producto de la carga q por la distancia que las separa d, cuya dirección va de la carga negativa a la positiva = q d Se generan por una asimetría permanente en la distribución de cargas de una molécula. La carga puede ser parcial o neta. Son interacciones de corto alcance Son vectoriales ( = r ) por lo tanto altamente direccionales

9 Incluyen interacciones que implican dipolos inducidos Son interacciones de corto alcance Atractivas: Fuerzas de dispersión de London Interacciones de van der Waals

10 Puentes de Hidrógeno Es altamente direccional 4-48 kj/mol, menor a una interacción covalente y cercana a una interacción dipolo-dipolo D-H A Distancia optima nm (cercana a una interacción covalente) r vdw

11 Los potenciales enlazantes (bonding potentials) corresponden a valores altos de energía, pero no conducen al plegamiento de las macromoléculas porque tienen aproximadamente el mismo valor en todas las conformaciones. La estabilidad relativa de las distintas conformaciones queda definida por las interacciones débiles entre átomos no-unidos (nonbonding potentials)

12 Las interacciones débiles definen la estabilidad relativa de las distintas estructuras posibles de una biomolécula kt a temperatura ambiente 2.5 kj/mol Ruptura y formación constante Las biomoléculas poseen diferentes rangos de flexibilidad Multiplicidad conformacional

13 Qué significan los términos configuración y conformación? Configuración: Define la posición de grupos alrededor de uno o mas enlaces no giratorios o alrededor de un centro quiral.

14 Qué significan los términos configuración y conformación? Conformación: Describe el arreglo espacial de grupos entorno a uno o mas enlaces libres de rotación.

15 Predicción de la espontaneidad de procesos en moléculas biológicas G = H - T S G = cambio en la energía libre de Gibbs de la biomolécula (generalmente P y T ctes) H = cambio en la entalpía en el proceso (interacciones enlazantes y no enlazantes, vibraciones y rotaciones) T = temperatura (300K) S = cambio en la entropía del sistema (aumento del número de conformaciones posibles, tendencia a la distribución más probable)

16 Sistema = biomolécula + H 2 O Clartratos de agua en el complejo (nc 4 H 9 ) 3 S + F -.23 H 2 O

17 Disminución de la entropía rotacional del H 2 O Superficie apolar

18 Efecto Hidrofóbico Es el único en donde no existe una interacción atractiva mutua entre las partículas Está dominado por el aumento en el desorden de las moléculas de solvente Es proporcional al área hidrofóbica de la molécula expuesta al solvente

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20 Los puentes de Hidrógeno contribuyen a estabilizar una macromolécula en solución? Por cada pte de H NMA-NMA se pierde un pte de H NMA- H 2 O H 0 =0 kj/mol Favorable en CCl 4 y desfavorable en H 2 O La contribución a la estabilidad depende del solvente

21 Interacciones cation- y - - Implica la interacción de orbitales entre anillos aromáticos (de origen electrostático y de Van der Waals) Catión- Implica la interacción entre orbitales y un catión (netamente electrostática)

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24 Multiplicidad conformacional Cambios conformacionales asociados a la función biológica

25 Rol del ATP en los procesos biológicos Reacciones acopladas Consideremos los siguientes equilibrio químicos A B K 1 B C K 2 ΔG 0 1 ΔG 0 2 A C K 3 = K 1 K 2 ΔG 0 3=ΔG 0 1+ΔG 0 2 Reacción global: A C

26 Consideremos la siguiente reacción para [Fructuosa] 0 = [P i ] 0 = 1 M Fructuosa + P i F-6-P + H K 1 = O La concentración de F-6-P en el equilibrio es: K F6P x 2 Fructosa P (1 x) i x= [F6P]=0.0098

27 Ahora analizamos la misma reacción si en el medio tenemos ATP con [ATP] 0 =1. ATP + H 2 O ADP + P i K 2 =10 5 G 0 =-30.5 kj/mol Fructuosa + P K i F-6-P + H 1 = O G 0 =+15.9 kj/mol ATP + Fructuosa F-6-P + ADP + H 2 O K total =10 3 G 0 total=-14.6 kj/mol En el nuevo equilibrio, tendremos más, menos o lo mismo de F-6 P?

28 Advertencia A pesar de que la reacción global es: ATP + Fructosa K 3 =10 3 ADP + F-6-P No hay que perder de vista que en el sistema hay dos equilibrios que deben cumplirse simultáneamente: ATP + H 2 O ADP + P K 2 =10 5 i Fructuosa + P i K 1 =10-2 F-6-P + H 2 O en el equilibrio también hay Pi presente aunque no éste no aparezca en la reacción global.

29 Para [ATP] 0 =[Fruc] 0 =[Pi] 0 =1M tendremos: ATP + H 2 O K 2 =10 5 ADP + P i 1-x x 1+x-y Fructuosa + P i F-6-P + H K 1 = O 1-y 1+x-y y Planteando estas eq se obtiene una [F-6-P] en equilibrio de 1.94x10-2. Aunque este valor es el doble del obtenido en ausencia de ATP, aun la conversión es baja.

30 La situación es completamente diferente en presencia de la enzima fosfokinasa que cataliza directamente la reacción Fructuosa + ATP F-6-P + ADP K=10 3 En presencia de la enzima la transferencia de Pi desde el ATP a la fructosa es directa. Al no haber Pi libre se logra una conversión mucho más alta. Notar que en este caso es correcto considerar que las concentraciones de equilibrio de F-6-P y ADP son iguales. 2 Fruc ATP x F6P ADP 1 x 3 K 10 2 x 0.96 La reacción se completa casi en su totalidad lográndose una alta conversión a F-6-P