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Biomoléculas Biomoléculas
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 2011 Enrique Castro 1 Composición elemental de los seres vivos Composición elemental de los seres 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. 3.1 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro 2 1 Oligoelementos como cofactores enzimáticos Oligoelementos como cofactores 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. 11-6 3 2011 Enrique Castro Biomoléculas Biomoléculas ➢ Composición elemental Enrique Castro, 2003 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 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro 4 2 Biomoléculas: moléculas orgánicas (C) Biomoléculas: moléculas orgánicas (C) Versatilidad de enlace Versatilidad estructural sp3, tetraédrico 0,154 nm enlace simple libre rotación enlace doble sp2, plano, rígido Lehninger Fig. 3.4 2011 Enrique Castro Lehninger Fig. 3.3 5 Grupos funcionales Grupos funcionales Enrique Castro, 2003 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro 6 3 Moléculas = grupos funcionales Moléculas = grupos funcionales Las propiedades físicas y químicas (reactividad, capacidad de enlace) de una molécula dependen de su repertorio de grupos funcionales 2011 Enrique Castro Lehninger Fig. 3.3 7 Grupos funcionales: propiedades químicas Grupos funcionales: propiedades químicas Enrique Castro, 2003 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro 8 4 Propiedades moleculares relevantes Propiedades moleculares 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 2011 Enrique Castro Electronegatividad Electronegatividad Enrique Castro, 2003 Lodish Fig. 2.4 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro 10 5 Estados de oxidación Estados de oxidación Estado redox • Riqueza en electrones • Electronegatividad reducido pobre en e- 0 0 +1 +1 +2 +2 +2 +3 +3 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 2011 Enrique Castro Reacciones redox Reacciones redox R. redox Enrique Castro, 2003 • Transferencia de e• Parejas redox aceptor-dador NO existen e- libres reducido oxidado Lactato + NAD+ dador aceptor NAD+ Lactato 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro Piruvato + NADH + H+ aceptor dador NADH + H+ Piruvato 12 6 Reactividad: polarizabilidad y nucleofilia Reactividad: polarizabilidad y 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 2011 Enrique Castro 13 Tipos de reacciones químicas (covalentes) Tipos de reacciones químicas (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 • • 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro 14 7 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 2011 Enrique Castro Termodinámica Termodinámica Enrique Castro, 2003 Energía útil, que realiza TRABAJO Cambios de calor ΔG = ΔH - T·ΔS Orden interno 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro 16 8 Temodinámica de reacciones químicas Temodinámica de reacciones 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 2011 Enrique Castro Reacciones acopladas Reacciones acopladas Enrique Castro, 2003 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 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro D+I+J 2 K eq= K 1eq⋅K eq = [ D]eq⋅[ I ]eq⋅[ J ]eq [ A]eq⋅[ B ]eq⋅[ H ]eq 18 9 Velocidad de reacción Velocidad de 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 2011 Enrique Castro Equilibrios de unión: K Equilibrios de unión: Kdd y afinidad y afinidad Enrique Castro, 2003 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] 2011 Enrique Castro [ 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 © 2006, Enrique Castro 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 Equilibrios de unión: velocidad de disociación de PL Equilibrios de unión: velocidad de disociación de 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) 10 10-6 10-9 10-12 10-18 10 103 1 10-3 10-9 -3 6 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 2011 Enrique Castro Tipos de biomoléculas Tipos de biomoléculas Monómeros Macromoléculas Enrique Castro, 2003 aminoácidos A V D P K H Proteínas informativos nucleótidos Glúcidos Lípidos 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro Ác. nucleicos monosacáridos Polisacáridos triglicéridos fosfolípidos colesterol autoensamblantes 22 11 Sillares de construcción Sillares de construcción Nucleotides Fatty Acids Monosaccharides 23 2011 Enrique Castro Tamaños relativos de biomoléculas Tamaños relativos de biomoléculas Proteínas extracelulares Heparán sulfato Enrique Castro, 2003 (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 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro tRNA 24 12 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 2011 Enrique Castro Enlace covalente: estructura molecular Enlace covalente: estructura molecular Enrique Castro, 2003 Enlaces covalentes forman la estructura interna de las biomoleculas Energía térmica media a 25ºC < 4 kJ/mol Ec = 3/2·RT extraordinariamente estables 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro 26 13 Estructura tridimensional y tamaño molecular Estructura tridimensional y tamaño molecular 27 2011 Enrique Castro Interacciones intermoleculares: no covalentes Interacciones intermoleculares: no covalentes Enrique Castro, 2003 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 12-30 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 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro 3-40 kJ/mol ≈12 kJ/mol Energía térmica media a 25ºC < 4 kJ/mol Ec = 3/2·RT 28 14 Interacciones electrostáticas Interacciones 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 = 8,85·10-12 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 2011 Enrique Castro Interacciones electrostáticas (2) Interacciones electrostáticas (2) Enrique Castro, 2003 80 kJ/mol 4 kJ/mol distancia de contacto : 0,28-0,35 nm 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro menor energía menor alcance 30 15 Puentes de hidrógeno Puentes de 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 12-30 kJ/mol δ- d Direccional, X – H - Y en línea δ+ δ- 31 2011 Enrique Castro Puentes de hidrógeno (2) Puentes de hidrógeno (2) Enrique Castro, 2003 propiedades aceptoras dependen de hibridación sp2/sp3 pares e- no-enlazantes 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro 32 16 Interacciones de van der Waals Interacciones de van der 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 2011 Enrique Castro Efecto hidrofóbico Efecto hidrofóbico Enrique Castro, 2003 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 2011 Enrique Castro © 2006, Enrique Castro 34 17
