Tema 1 - Tema 1 estructura y función de macromoléculas. PDF

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Tema 1 estructura y función de macromoléculas....

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Tema 1 Introducción a la estructura de las macromoléculas 1. Conceptos generales. Macromoléculas de interés bioquímico 2. Relación estructura-función de las macromoléculas biológicas 3. Fuerzas determinantes de la estructura y estabilidad de las macromoléculas 4. Interacciones entre macromoléculas en solución

NELSON D.L., COX M.M. Lehninger. Principios de Bioquímica. 3a ed

Tema 1. Introducción

El estudio de la estructura de las macromoléculas constituye uno de los objetivos de la Bioquímica

Bioquímica  Definición: • Ciencia que describe la estructura, la organización y las funciones de la materia viva en términos moleculares

 Áreas principales de estudio que la componen: • La estructura de los componentes de la materia viva y su relación con la función biológica • El metabolismo, o totalidad de las reacciones químicas que se producen en la materia viva • Los procesos de almacenamiento y transmisión de la información biológica

Tema 1. Introducción

Estructura de macromoléculas  Objetivo: Estudiar las estructuras químicas y tridimensionales de las macromoléculas, las asociaciones biológicas y los cambios en las propiedades de las macromoléculas en función de la estructura

Tema 1. Introducción

Conceptos generales  Polímero: molécula de gran tamaño formada por la unión de cientos o miles de monómeros para dar cadenas lineales o ramificadas • Homopolímeros • Heteropolímeros

 Biomolécula: molécula de cualquier tamaño presente en los organismos vivos y sintetizada por las células

 Macromolécula: polímero biológico

Tema 1. Introducción

 Configuración:

• Relación geométrica entre un conjunto dado de átomos • La interconversión de alternativas configuracionales requiere rotura de enlaces covalentes

 Conformación • Relación espacial de cada átomo en una molécula • La interconversión de confórmeros implica rotación de enlaces simples

Tema 1. Introducción

Características generales de las macromoléculas  Estructura básica formada por enlaces covalentes  Construcción modular  Sus monómeros constituyentes: • Son moléculas asimétricas (polaridad estructural) • Se unen entre sí de forma asimétrica (“cabeza con cola”)

Tema 1. Introducción

Unión entre monómeros en los tres tipos de macromoléculas

Garrett & Grisham Biochemistry 2nd ed

D-maltosa

http://medicina.usac.edu.gt/quimica/biomol2/carbohidratos/Disac_ridos.htm http://mariadoloresbio.blogspot.com.es/2011/11/enlace-fosfodiester.html

Los extremos del polímero tienen propiedades químicas distintas Los polímeros adoptan con frecuencia estructuras helicoidales

Tema 1. Introducción

Características generales de las macromoléculas  Muchas posibilidades de ordenación de los monómeros: • Gran variedad de propiedades • Posibilidad de contener información en la secuencia

 Capacidad de establecer interacciones débiles, las cuales determinan sus conformaciones tridimensionales y la forma en que interactúan con otras moléculas

Tema 1. Introducción

Tipos de macromoléculas  Proteínas: Polímeros lineales de 20 aminoácidos

 Ácidos nucleicos: Polímeros lineales de 4 nucleótidos

 Polisacáridos: Polímeros lineales o ramificados de azúcares

Los lípidos debido a su tamaño no se consideran macromoléculas, aunque también exhiben una construcción modular

Tema 1. Introducción

El angstrom (Å) es la medida de longitud a nivel atómico

virus

ME/RX

7 μm

0.2 μm

300 Ǻ

65 Ǻ

1.54 Ǻ

1 Å = 10-10 m = 0.1 nm

Tema 1. Introducción

Niveles estructurales  Estructura primaria o secuencia: Estructura covalente completa. Contiene toda la información necesaria para la consecución de la estructura tridimensional completa y la función

 Estructura secundaria: Regiones de la secuencia con estructuras tridimensionales localmente ordenadas que obedecen a un patrón de repetición regular del esqueleto del polímero Los ejemplos más característicos son las hélices y las láminas

 Estructura terciaria o conformación: Estructura tridimensional completa de una unidad indivisible Está formada por el empaquetamiento de los elementos estructurales secundarios en una o varias unidades globulares compactas denominadas dominios

 Estructura cuaternaria: Asociación de unidades independientes de estructura terciaria, idénticas o diferentes, dispuestas simétrica o asimétricamente. Ordenamiento relativo de cadenas polipeptídicas individuales

Petsko G. and Ringe D. Protein Structure and Function: Primers in Biology

Tema 1 Introducción a la estructura de las macromoléculas 1. Conceptos generales. Macromoléculas de interés bioquímico 2. Relación estructura-función de las macromoléculas biológicas 3. Fuerzas determinantes de la estructura y estabilidad de las macromoléculas 4. Interacciones entre macromoléculas en solución

Tema 1. Introducción

Relación estructura-función en las macromoléculas La interpretación de la estructura tridimensional de proteínas, ácidos nucleicos y otras biomoléculas, ha contribuido de forma muy importante a la comprensión de la base molecular de la vida

“La secuencia determina la estructura que determina la función”

Tema 1. Introducción

Relación estructura-función en las macromoléculas Las macromoléculas requieren de una determinada conformación tridimensional para el desempeño de su función biológica:  Proteínas con función estructural: • formadas por la unión repetida de subunidades proteicas • Presentan motivos estructurales repetitivos

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Tema 1. Introducción

Relación estructura-función en las macromoléculas Las macromoléculas requieren de una determinada conformación tridimensional para el desempeño de su función biológica:  Proteínas globulares (ej. enzimas): • Solubles y con pocos motivos estructurales repetidos

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Tema 1. Introducción

Relación estructura-función en las macromoléculas Las macromoléculas requieren de una determinada conformación tridimensional para el desempeño de su función biológica:  Reconocimiento específico de moléculas: • Complementariedad estructural • Establecimiento de interacciones débiles (ej: puentes de hidrógeno) • Suele ir acompañado de modificaciones estructurales

Binding

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Tema 1. Introducción

Relación estructura-función en las macromoléculas Las macromoléculas requieren de una determinada conformación tridimensional para el desempeño de su función biológica:  Los cambios conformacionales ocasionados por la unión de ligandos pueden actuar como interruptores moleculares para controlar procesos celulares

Switching

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Tema 1. Introducción

Relación estructura-función en las macromoléculas Relación biunívoca Una estructura para cada función y una función para cada estructura Excepciones: • Proteínas que pueden adoptar más de una conformación estable: – Una de las conformaciones se asocia con el desarrollo de una enfermedad – Proteínas bifuncionales (evolución divergente): citocromo C

• Evolución convergente: dos estructuras distintas y distantes en el tiempo se adaptan para ejercer la misma función

Tema 1 Introducción a la estructura de las macromoléculas 1. Conceptos generales. Macromoléculas de interés bioquímico 2. Relación estructura-función de las macromoléculas biológicas 3. Fuerzas determinantes de la estructura y estabilidad de las macromoléculas 4. Interacciones entre macromoléculas en solución

Tema 1. Introducción

Fuerzas determinantes de la estructura y estabilidad de las macromoléculas  Interacciones no covalentes (iónicas, apolares y polares en función de la diferencia de electronegatividad de los átomos que intervienen en el enlace)  Fuerzas bastante más débiles que los enlaces covalentes, pero se presentan en elevado número proporcionando un efecto estabilizador considerable  Son fuerzas de tipo electroestático: atracción entre cargas positivas y cargas negativas, cargas que pueden ser permanentes o transitorias

http://www.biorom.uma.es/contenido/UIB/Jmoldesarrollo/enlacesjmol/indexjmol.html

Tema 1. Introducción

Cuando dos átomos se aproximan se establecen fuerzas de atracción, pero también fuerzas repulsivas entre los núcleos de los átomos y sus nubes de electrones La energía total de interacción a cualquier distancia es la suma de la energía de atracción y de la energía de repulsión El sistema tiene una distancia donde la fuerza de atracción menos la de repulsión es máxima (distancia que se conoce con el nombre de radio de Van der Waals) y es el punto donde el sistema está en el mínimo de energía (es decir es más estable) Si los átomos se acercan más de este punto o se separan en exceso, la energía del sistema aumenta MATHEWS C.K., VAN HOLDE K.E., AHERN K.G. Bioquímica. 3a ed

Tema 1. Introducción

Fuerzas determinantes de la estructura y estabilidad de las macromoléculas

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Tema 1. Introducción

La energía que se requiere para la separación de dos partículas cargadas desde una distancia r hasta el infinito es proporcional a 1/r Ejemplo: mantenimiento de la estructura cuaternaria de la hemoglobina http://www.biorom.uma.es/contenido/UIB/Jmoldesarrollo/enlacesjmol/indexjmol.html

Tema 1. Introducción

Dipolos permanentes

μ=qx

El exceso de carga negativa del oxígeno junto con la correspondiente carga positiva del carbono crea un momento dipolar orientado a lo largo del eje C—O

El exceso de carga negativa en el O junto con el exceso de carga positiva en cada H crea dos momentos orientados a lo largo de los enlaces H—O Su suma vectorial representa el momento dipolar de la molécula MATHEWS C.K., VAN HOLDE K.E., AHERN K.G. Bioquímica. 3a ed

Tema 1. Introducción

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Tema 1. Introducción

La energía que se requiere para la separación de un átomo cargado y otro que forma parte de un dipolo desde una distancia r hasta el infinito es proporcional a 1/r2 Ejemplos: grupos cargados en la superficie de la proteína o del ADN y moléculas de agua del solvente http://www.biorom.uma.es/contenido/UIB/Jmoldesarrollo/enlacesjmol/indexjmol.html

Tema 1. Introducción

La energía que se requiere para separar las interacciones dipolo-dipolo (interacciones entre átomos que participan en enlaces polarizados) es proporcional a 1/r3 Ejemplo: puentes de hidrógeno http://www.biorom.uma.es/contenido/UIB/Jmoldesarrollo/enlacesjmol/indexjmol.html

Tema 1. Introducción

Puente de hidrógeno Interacción entre un átomo de hidrógeno de un enlace polarizado (por estar unido a un átomo electronegativo, por ejemplo oxígeno o nitrógeno) y un átomo electronegativo que forma parte de otro enlace

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Tema 1. Introducción

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Todos los enlaces de hidrógeno internos Hélice intacta

Algunos enlaces de hidrógeno con el agua Hélice desestabilizada

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Las dos cadenas de ADN permanecen unidas por puentes de hidrógeno entre los pares de bases La adenina está emparejada con la timina La guanina está emparejada con la citosina

G C

T A http://www.biorom.uma.es/contenido/UIB/Jmoldesarrollo/enlacesjmol/indexjmol.html

Tema 1. Introducción

Una molécula cargada es capaz de inducir la formación de un dipolo transitorio en un enlace no polarizado de un molécula cercana. La energía necesaria para separar las interacciones carga-dipolo inducido es proporcional a 1/r4 Ejemplo: interacción entre el grupo carboxílico de la cadena lateral del Asp con la de la Val http://www.biorom.uma.es/contenido/UIB/Jmoldesarrollo/enlacesjmol/indexjmol.html

Tema 1. Introducción

Un dipolo (enlace polarizado) es capaz de inducir la formación de un dipolo transitorio en un enlace de una molécula cercana no polarizada. La energía necesaria para separar las interacciones dipolo-dipolo inducido es proporcional a 1/r5 Ejemplo: solubilidad de O2, de CO2, de N2 o de I2 en agua

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Tema 1. Introducción

Cuando dos enlaces no polarizados se aproximan, al encontrarse los electrones en movimiento, se producen dipolos transitorios que se influyen mutuamente La energía necesaria para separar las interacciones dipolo inducido-dipolo inducido es proporcional a 1/r6 MATHEWS C.K., VAN HOLDE K.E., AHERN K.G. Bioquímica. 3a ed

Ejemplos:

Aminoácidos hidrofóbicos en el interior de las proteínas Apilamiento de bases nitrogenadas en el ADN Interacciones hidrofóbicas entre las colas apolares de los fosfolípidos de las bicapas lipídicas

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Tema 1 Introducción a la estructura de las macromoléculas 1. Conceptos generales. Macromoléculas de interés bioquímico 2. Relación estructura-función de las macromoléculas biológicas 3. Fuerzas determinantes de la estructura y estabilidad de las macromoléculas 4. Interacciones entre macromoléculas en solución

Tema 1. Introducción

Interacciones entre macromoléculas en solución

Interacciones electrostáticas entre macroiones

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Tema 1. Introducción

Interacciones entre macromoléculas en solución

Influencia de los iones pequeños sobre las interacciones entre macroiones

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