Biomoléculas Biomoléculas

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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

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