Biochemistry I: Macromolecules

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  • Bioqumica I: Macromolculas

    I. Fraccionando la vida: Los bioqumicos dividen los organismos en sus componentes y analizan stos ltimos por separado.

    1) Cul es la composicin atmica de las clulas/organismos vivientes? H: 60% O: 25% C: 12% N: ~5% P, S, Mg, Mn, Se Tambin estn presentes en menores

    cantidades. A determinados niveles de estudio, y especialmente a nivel celular, la mayora de los organismos parecen iguales.

    2) Cul es la composicin molecular de las clulas? Principalmente agua: ~80%

    Del peso restante: Lpidos, grasas: 10% Carbohidratos: 15% Protenas: 50% cidos nucleicos: 15%

    **Las protenas son macromolculas esenciales (desempean muchas funciones estructurales y funcionales en las clulas)** cidos nucleicos (ADN, ARN; el ADN almacena la informacin hereditaria en la clula). A un cierto nivel, las fuerzas qumicas determinan la forma de las molculas y la forma, a su vez, determina su funcin.

    Cules son las fuerzas que otorgan a estas molculas sus respectivas propiedades?

    II. Fuerzas covalentes Los enlaces y las interacciones qumicas mantienen las molculas unidas entre s:

    1) Enlaces covalentes - es el tipo de enlace ms importante. - tambin el ms fuerte; fuerza ~ 80 kcal/mol

    Un enlace covalente consiste en la comparticin de un par de electrones:

  • La energa trmica (vibratoria) media a temperatura ambiente es de ~5 kcal/mol. Dado que se requieren ~ 80 kcal/mol para romper un enlace covalente, se puede afirmar que los dicho enlaces son relativamente estables a temperatura ambiente.

    Fuerza: Tipos de enlaces covalentes:

    Individual: C-C (un par de electrones) Doble: C=C (dos pares de electrones) Triple: C=C (tres pares de electrones)

    80 kcal/mol 150 kcal/mol 200 kcal/mol

    Hay libre rotacin en torno al enlace covalente individual, pero no en los enlaces dobles ni en los triples. Los enlaces covalentes tambin tienen un ngulo fijo.

    Algunos enlaces covalentes implican la comparticin desigual de electrones. Algunos tomos se unen con ms fuerza a los electrones que otros. La atraccin de electrones es una medida de la electronegatividad de un tomo.

    Observe los siguientes enlaces con comparticin desigual de electrones:

    Los enlaces polares tienen momentos dipolares: tienen polaridad. El oxgeno es un tomo ms electronegativo que el hidrgeno, y por lo tanto, el enlace O-H se considera un enlace polar.

    El carbono y el hidrgeno tienen electronegatividades semejantes, de ah que el enlace C-H se considere apolar.

    2) Puentes de hidrgeno

    - Atraccin entre una carga ligeramente positiva de un tomo de hidrgeno y una carga ligeramente negativa de un tomo cercano. - Fuerza del enlace ~ 5 kcal/mol (relativamente dbil). - Su variante ms fuerte: cuando el donante, el hidrgeno y el receptor estn a unos 0,25 nm de distancia. - Los puentes de hidrgeno dan orden y estructura a las molculas - Un nico puente de hidrgeno es dbil, sin embargo, la mayora de las molculas estn formadas por muchos puentes de hidrgeno, y eso se traduce en la fuerza global de la molcula.

  • Las propiedades del agua estn determinadas por interacciones entre los puentes de hidrgeno. El agua est altamente estructurada incluso en estado lquido. La formacin de hielo se debe a la distribucin ordenada de los puentes de hidrgeno.

    Los puentes de hidrgeno entre diferentes regiones de una protena:

    En un entorno acuoso, estas regiones formarn puentes de hidrgeno con molculas de agua. Estas molculas adoptan una conformacin ms favorable cuando interactan con agua.

    3) Enlaces inicos - Interaccin electroesttica entre dos grupos con carga opuesta en una misma molcula. - Causa limitante de comparticin desigual de electrones; un tomo se queda con el electrn.

    NaCl Na+ + Cl- comparticin desigual de electrones, el Cl se queda con los dos electrones.

    En disolucin, este grupo se ioniza, pierde un protn y adquiere carga negativa:

  • Los tomos con carga pueden ser atrados por tomos con carga opuesta:

    -La fuerza del enlace inico es de aprox. 3-7 kcal/mol. Es ms fuerte cuando los dos tomos estn a unos 0,28 nm de distancia. 4) Fuerzas de Van der Vaals - Son fuerzas de atraccin, no especfica, que tiene lugar cuando 2 tomos estn muy cerca entre s. - Son ms favorables cuando los tomos estn a 0,2-0,3 nm de distancia. - Polaridad transitoria inducida entre tomos: un enlace apolar conlleva la atraccin con tomos cercanos. - Interaccin muy dbil: la fuerza es ~1 kcal/mol. Sin embargo, la suma de muchas interacciones de Van der Vaals confieren ms fuerza y estabilidad a la molcula.

    Ejemplo: La interaccin de un ligando con su receptor se consigue mediante muchas interacciones no covalentes, como las interacciones de Van der Vaals.

    5) Interacciones hidrofbicas/ Entropa En conjunto, una molcula mantiene su cohesin gracias a muchas interacciones. Una molcula tiene una forma particular porque adopta el estado que requiere la menor cantidad de energa posible (minimizar la entropa). A la hora de adoptar esta forma, las conformaciones alternativas se seleccionan, y los grupos que no pueden formar puentes de hidrgeno con agua (los hidrofbicos) tienden a agruparse en el interior de la molcula (alejados del agua).

    Las molculas sin carga, apolares, hidrofbicas: (que rechazan el agua), no interaccionan con el agua. Las hidroflicas (que aman el agua): molculas polares o con carga. Forman puentes de hidrgeno con agua.

    La forma que adoptan las macromolculas biolgicas depende de un gran nmero de interacciones moleculares. III. Las macromolculas principales A. Lpidos y fosfolpidos

  • Estructura de un hidrato de carbono: CH3(CH2) 3CH3

    Si se le aade un grupo hidroxilo (OH) a un hidrato de carbono se obtiene un alcohol:

    CH3(CH2) 4OH

    Las cadenas cortas de alcoholes son solubles en agua. Se puede hacer un cido graso aadindole un grupo carboxilo (COOH) a un hidrocarbono: CH3(CH2) 3COOH

    Un cido graso es una molcula anfiptica: contiene tanto porciones hidrofbicas como hidroflicas. El cido graso tambin puede representarse del siguiente modo:

  • Tres cidos grasos y una molcula de glicerol se pueden combinar en una sntesis de deshidratacin (dehydration synthesis) para formar un lpido (un triglicrido). Los triglicridos son importantes formas de almacenamiento de cidos grasos en el interior de las clulas.

    Fosfolpidos: Los fosfolpidos son un subgrupo de lpidos que desempea un papel clave en la estructura celular. Los fosfolpidos se forman mediante la combinacin de dos cidos grasos y un grupo fosfato.

  • Los fosfolpidos tambin se puede representar del siguiente modo:

    En disolucin, los fosfolpidos se agrupan formando micelos. Un micelo:

    Los fosfolpidos forman bicapas lipdicas en entornos acuosos. Una clula tpica est delimitada por una membrana plasmtica, constituida por una bicapa fosfolipdica (2 capas de molculas fosfolipdicas que juntas forman una bicapa lipdica). El interior hidrofbico de la membrana plasmtica es impermeable a las molculas polares o con carga.

  • B. Azcares, hidratos de carbono 1) Composicin general de los azcares:

    (CH2O)n e.g. Glucosa C6H12O6

    En todos los azcares, el carbono n-1 tiene un grupo hidroxilo (OH) y el carbono C- tiene un grupo carbonilo (C=O). La ubicacin del grupo carbonilo y la orientacin de los grupos hidroxilo determinan el tipo de azcar. Si el grupo carbonilo est al final (un grupo aldehido), estamos ante una aldosa (ej.: glucosa). Si el grupo carbonilo est en el medio (un grupo cetona), entonces estamos ante una cetosa (ej.: fructosa). Los glcidos de seis carbonos se denominan hexosas (ej.: glucosa). Los glcidos de cinco carbonos se denominan pentosas (ej.: ribosa). Los glcidos de tres carbonos se denominan triosas (ej.: gliceraldehido). 2)La estructura de los azcares a) Monosacridos La glucosa, en disolucin, se encuentra ms a menudo en forma cclica (o de anillo):

    El grupo OH en el carbono C-1 puede estar en las posiciones alfa (debajo del plano del anillo) o beta (encima del plano del anillo). b) Disacridos Los disacridos consisten en dos monosacridos unidos mediante un enlace covalente.

  • Lactosa (forma) (Galactosa ( 14) Glucosa)

    La enzima lactasa rompe la lactosa en molculas de glucosa y galactosa. Muchos adultos dejan de sistetizar la enzima lactasa. Como consecuencia, un gran porcentaje de personas de determinadas poblaciones se hace intolerante a la lactosa. c) Polisacridos Los polisacridos estn constituidos por muchas unidades monosacridas unidas (habitualmente monmeros de glucosa) formando largas cadenas. Ej.: almidn, glucgeno, celulosa. Los polisacridos se utilizan como forma de almacenamiento y tambin desempean papeles estructurales. El almidn es un polmero de n glucosas unidas por enlaces 1 4. La celulosa desempea un papel estructural importante en las plantas; es una de las molculas ms abundantes de la tierra. La celulosa es un polmero de glucosa con enlaces 1 4 sin ramificaciones.

    Las unidades alternantes de glucosa permiten a las molculas adyacentes de celulosa formar puentes de hidrgeno entre s. La capacidad que tiene la celulosa de formar puentes de hidrgeno conduce a la fortaleza de las paredes celulares, y crea fibras como la madera.

    Bioqumica II: Protenas Protenas - Tienen muchas funciones en la clula - Papeles estructurales y funcionales - Se fabrican 105 tipos de protenas diferentes en las clulas eucariotas. Las protenas son polmeros formados a base de ladrillos denominados aminocidos. 20 aminocidos diferentes pueden formar 20n combinaciones de protenas, de longitud n. cidos nucleicos -