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LA TEORIA DE OPARIN
En 1922, el bioquímico ruso Alexander Oparin publicó un libro que exponía su teoría sobre el origen de la vida en la sopa primordial prebiótica
La teoría postulaba que la atmósfera primitiva de la tierra estaba compuesta por gases como metano (CH4), amoníaco (NH3), hidrógeno (H2) y vapor de agua, estaba en contacto con el agua de los océanos que aún estaban calientes, y expuesta a intensas lluvias, tormentas eléctricas y una fuerte radiación UV
En esta atmósfera primitiva se habrían originado las primeras moléculas biológicas por condensación de gases que aportaban el carbono, nitrógeno y oxígeno y con la energía de la radiación UV y eléctrica
EL EXPERIMENTO DE STANLEY MILLER (I)
En 1953, los científicos americanos Harold Urey y Stanley Miller realizaron, en base a lo descrito por Oparín, un experimento de simulación de la atmósfera primitiva caliente (80ºC) y luego de varias semanas recolectaron y analizaron los compuestos sintetizados
Con sorpresa, detectaron algunos aminoácidos simples (glicina, alanina, ác. aspártico), algunos ácidos orgánicos (cianhídrico, fórmico, acético, láctico), urea y otros compuestos orgánicos simples (formaldehido y sarcosina)
EL EXPERIMENTO DE STANLEY MILLER (II)
En experimentos posteriores se han utilizado atmósferas que contienen CO2, soluciones acuosas con ácido cianhídrico (HCN) y ácido fórmico (HCNO) y energía de rayos X, rayos γ, ultrasonido y/o radiación α y β y se han podido obtener hasta 10 aminoácidos, 4 bases nitrogenadas, ácidos tricarboxílicos, ácidos grasos de hasta 10 carbonos y polisacáridos lineales y ramificados que contienen pentosas y hexosas
LAS PRIMERAS MACROMOLECULAS BIOLOGICAS
Se ha verificado experimentalmente que aminoácidos y nucleótidos mezclados en seco y en caliente, junto con polifosfatos y/o catalizadores minerales, tienden a polimerizar y formar polímeros de aminoácidos (péptidos) y de nucleótidos (ácidos nucleicos)
20 aminoácidos péptidos
8 nucleótidos ácidos nucleicos (RNA y DNA)
8-10 azúcares polisacáridos
ACTIVIDAD CATALITICA DEL RNA
Hace algunos años se determinó que una molécula de RNA, la cual puede plegarse y adoptar estructuras secundarias (dominios tipo horquilla) y terciarias (dominios espaciales) es capaz de promover su propia síntesis y el corte de su secuencia de manera dirigida (actividad catalítica del RNA).Además, existen RNAs como los tRNAs capaces de “cargar” aminoácidos por lo que también los RNAs pueden promover la síntesis de proteínas.
tRNA cargado con aminoácido
aa
EL MUNDO RNA Y SU EVOLUCION
(rol ancestral de tRNAs)
EL AGUA EN LAS CELULAS
El principal componente de todas las células es el agua (70% del peso total) por lo que es el solvente universal con el que tienen que interactuar todas las biomoléculas (proteínas, ácidos nucleicos, azúcares y lípidos)
EL AGUA Y LA UNION PUENTE HIDROGENO
PUENTES HIDROGENO Y PROPIEDADES FISICOQUIMICAS DEL AGUA
FORMACION DE PUNTES DE HIDROGENO DEL AGUA CON DISTINTOS GRUPOS ORGANICOS
MOLECULAS POLARES, APOLARES Y AMFIPATICAS
FORMACION DE CLATRATOS CON MOLECULAS O REGIONES APOLARES
MEMBRANA SEMIPERMEABLE Y OSMOLARIDAD
CLASE 3: LOS LIPIDOS
FUNCIONES DE LOS LIPIDOS
Los lípidos son compuestos celulares que comparten la propiedad de ser insolubles en agua
Los lípidos sirven para el almacenamiento de energía en forma de triacilgliceroles, para formar las membranas biológicas como fosfolípidos, para la síntesis de pigmentos, como agentes formadores de emulsiones y como hormonas y segundos mensajeros celulares
ESTRUCTURA DE UN ACIDO GRASO
SATURADO INSATURADO
Los ácidos grasos son ácidos carboxílicos constituídos por una cadena alifática de 4 a 36 carbonos en su forma más reducida. La cadena alifática puede estar completamente saturada o presentar algunas insaturaciones (dobles enlaces entre los carbonos). Las cadenas saturadas de los ácidos grasos son lineales y las insaturadas presentan un quiebre en el sitio de insaturación.
NOMENCLATURA
El carbono 1 de la cadena hidrocarbonada es el ácido carboxílico. La mayoría de los ácidos grasos naturales tienen entre 12 y 22 carbonos, presenta entre 2 y 4 insaturaciones muchas veces en posición 9, 12 y 15 y estos dobles enlaces nunca están conjugados
Para nombrar un ácido graso se indica primero el número de carbonos de la cadena hidrocarbonada, seguido de dos puntos (:) y el número de dobles enlaces, luego entre paréntesis se agrega una delta (Δ) y en superíndice la posición de los carbonos que presentan los dobles enlaces
ej. Los ácido linoleico y linolénico de membrana de células vegetales corresponden a C18:2 (Δ 9,12) y C18:3 (Δ 9, 12, 15), respectivamente. El ácido araquidónico (AA) de la membrana de células animales corresponde a C20:4 (Δ 5, 8,
11, 14). Este ácido graso no es sintetizado por células animales sino que se obtiene de la dieta. El AA se acumulan en aceites de pescado pero son primariamente sintetizados por microalgas marinas
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LOS ACIDOS GRASOS NATURALES
LA PROPIEDADES FISICAS
Las propiedades físicas de los ácidos grasos están determinadas por el largo de la cadena carbonada y el número de dobles enlaces. Los ácidos grasos de cadena de 12 a 24 carbonos sin insaturaciones tienen a temperatura ambiente una consistencia serosa (semi-sólida), en cambio aquellos que contienen una o más insaturaciones son aceitosos (líquidos). Esto se debe a que las cadenas lineales (sin insaturaciones) tienen mayor número de interacciones entre ellas y se ordenan como empalizadas
En animales los ácidos grasos no ciculan libres en la sangre sino que unidos a proteínas específicas como la seroalbúmina
LOS TRIGLICERIDOS
Los triacilgliceroles o triglicéridos son compuestos de almacenamiento de ácidos grasos en las células animales y vegetales, están compuestos por una molécula de glicerol unida a tres ácidos grasos distintos de los cuales generalmente uno es insaturadoEstos compuestos son muy hidrofóbicos y se almacenan como gotas en las células animales especializadas (adipocitos) y en las semillas de los vegetalesLos triglicéridos no acumulan agua como los polisacáridos y su oxidacion entrega el doble de enérgía que la de los polisacáridos de reserva (almidón y glicógeno)
ADIPOCITO SEMILLA VEGETAL
TRIGLICERIDOS EN ACEITES Y GRASAS
En los aceites vegetales naturales que son líquidos los triglicéridos predominantes son C18 insaturados
En la mantequilla que es un sólido que cantidad mayor de triglicéridos C16 a C18 insaturados que saturados
En la grasa de animales exxiste una cantidad equivalente de triglicéridos C16 a C18 saturados e insaturados
SAPONIFICACION DE TRIGLICERIDOS
La saponificación de un triglicérido o saponificación consiste hidrolizar el enlace éster que a une los ácidos grasos con el glicerol mediante un tratamiento con ácido o alcali y calor lo que libera sales de ácidos grasos o jabones. Los jabones ayudan a solubilizar el material disperso insoluble en agua formando agregados microscópicos
En las células los ácidos grasos pueden ser liberados de los triglicéridos por lipasas específicas y transportados en la sangre por proteínas desde los adipocitos hacia otros tejidos
LOS LIPIDOS DE MEMBRANA
LOS FOSFOLIPIDOS
LOS FOSFOLIPIDOS MAS ABUNDANTES EN LA MEMBRANA
En las membranas de células animales, los principales fosfolípidos (más del 50%) son la fosfatidilcolina (PC), fosfatidiletanolamina (PE), fofatidilserina (PS) y la esfingomielina (SM). Sólo la PS tiene carga negativa en la región polar y los otros son neutros a pH=7.0. El fosfatidilinositol es un fosfolípido de membrana más escaso pero tiene gran importancia en la transducción de señales del medio externo hacia el interno de la célula.
ASIMETRIA DE LOS FOSFOLIPIDOS EN LA MEMBRANA PLASMATICA
La fosfatidilcolina y la esfingomielina (ambos fosfolípidos contienen colina) se ubican principalmente en la capa externa de la membrana plasmática así como la fosfatidilserina (con carga –) y fosfatidiletanolamina se localizan en la cara interna (citosólica). Esto genera una diferencia de composición y de carga entre la cara extrena e interna de la membrana lo que se designa como asimetría de la membrana plasmática. Muchos fosfolípidos de la cara externa pueden estar glicosilados. Cuando una célula entra en apoptosis la fosfatidilserina pasa a la cara externa de la membrana y es reconocida por macrófagos que fagocitan y digieren las células.
LOS ESFINGOLIPIDOS
Los esfingolípidos tienen, en vez de glicerol, un alcohol de cadena larga (C18) llamada esfingosina. Los esfingolípidos de base son las ceramidas. La esfingomielina tiene en C1 unida fosfocolina y es abundante en la vaina de mielina que recubre los axones neuronales. Los cerebrósidos que tiene en C1 un azúcar como la galactosa y son abundantes en la membrana de las neuronas y los que tiene glucosa en la membrana de otros tejidos animales.
LOS ANTIGENOS SANGUINEOS
GLICO-ESFINGOLIPIDOS
HIDRÓLISIS DE FOSFOLIPIDOS
HIDROLISIS DEL FOSFATIDIL INOSITOL POR DISTINTAS FOSFOLIPASAS
ROL DEL DIACILGLICEROL E INOSITOLTRIFOSFATO
El inostitol trifosforilado (IP3) (DAG) liberados por la fosfolipasa C y el diacilglicerol que queda unido a la membrana desencadenan procesos de transducción de señales en respuestas a distintas moléculas señales que se unen a receptores de membrana.
LAS PROSTAGLANDINAS, LEUCOTRIENOS Y TROMBOXANOS
Prostglandinas, tromboxanos y leucotrienos son sintetizados a partir de ácido araquidónico liberado por la fosfolipasa A2 desde los fosfolípidos de membrana. Las prostaglandinas participan en procesos inflamatorios y contracción del músculo liso uterino. Los tromboxanos son producidos por las plaquetas y regulan la coagulación sanguínea. Los leucotrienos son producidos por leucocitos y otras células y participan en la contracción del músculo liso de los bronquios y su excesiva secreción puede causar asma.
EL COLESTEROL Y LOS ESTEROLES
Los esteroles son todos derivados del colesterol el cual es sintetizado por condensación de unidades de isopreno. El colesterol es una molécula planar que se intercala entre los fosfolípidos aumentando la rigidez de la membrana y dismuyendo su fluidez
HORMONAS ESTEROIDALES
VITAMINA D
La vitamina D regula el metabolismo del calcio y fosfato en animales. El primer paso en la vía de síntesis de la vitamina D es la transformación del colesterol en colecalciferol a nivel de la piel y requiere la luz UV del sol. Luego, el colecalciferol debe sufrir dos hidroxilaciones, una en el hígado y otra en el riñón para originar el 1,25 dihidroxi-colcalciferol que es la vitamina D activa.
Vitamina D3 activa es 1,25 dihidroxicolecalciferol
ACIDOS BILIARES
DERIVADOS DEL ISOPRENO: VITAMINAS A, E y K
Vitamina A, 11-cis retinal, ácido retinoico
CLASE 4: AMINOACIDOS, PEPTIDOS Y PROTEINAS
LAS PROTEINAS
Las proteínas están compuestas por 20 aminoácidos unidos covalentemente a través de una unión peptídica. Las proteínas son instrumentos moleculares a través de los cuales la información genética es expresada, su tamaño es diverso y va desde péptidos muy pequeños hasta proteínas muy grandes
PROTEINAS, LAS BIOMOLECULAS MAS ABUNDANTES EN LA CELULA
ESTRUCTURA GENERAL DE LOS AMINOACIDOS
Los 20 aminoácidos de las proteínas son α-aminoácidos ya que tienen el grupo amino y el carboxílico en el carbono α El grupo R o cadena lateral es lo que los diferencia y les otorga las propiedades fisicoquímicas (tamaño, carga y solubilidad). Los carbonos de la cadena lateral son designados por las letras griegas ß, γ, δ y ε
PROPIEDADES ESTEREOQUIMICAS
Todos los aminoácidos, salvo la glicina, tienen un carbono α que actúa como centro quiral ya que presenta cuatro grupos sustituyentes distintos ubicados de manera diferente en el espacio. Esto define estereoisómeros, más exactamente enantiómeros de cada aminoácido (imágenes especulares no superponibles), que presentan propiedades ópticas diferentes (sentido de giro de la luz polarizada) y definen enetiómeros de tipo D y L (sentido dextro o levo rotatorio de la luz polarizada)Todos los aminoácidos de las proteínas son L-aminoácidos, sólo algunos de péptidos de pared bacteriana y con propiedades antibióticas son D-aminoácidos
CLASIFICACION DE LOS AMINOACIDOS SEGÚN GRUPO R
NIVELES ESTRUCTURA DE LAS PROTEINAS
ESTRUCTURAS SECUNDARIAS
ESTRUCTURAS TERCIARIAS Y DOMINIOS FUNCIONALES
DENATURACION DE PROTEINAS
Denaturacion con agente caotrópico como la urea permite renaturación
Agentes desnaturantes que no permiten
renaturación
CLASE 5: AZUCARES Y POLISACARIDOS
FUNCIONES DE LOS AZUCARES
Los polisacáridos son las biomoléculas más abundantes en la tierra. Las plantas convierten más de 100.000 millones de toneladas métricas de C02 y H2O en celulosa y otros polisacáridos de pared mediante el proceso de fotosíntesis
La sacarosa y el almidón son los principales polisacáridos en plantas que sirven de alimentos para obtener energía a humanos
Los polisacáridos son los principales componentes de la pared celular de bacterias, hongos y células vegetales así como de la matriz extracelular de células animales
Los polisacáridos pueden encontrarse unidos covalentemente a proteínas o lípidos (glicoproteínas y glicolípidos) y forman también parte de la pared celular
Algunos monosacáridos fosforilados pueden servir de de señal de localización intracelular, como es el caso de la manosa-6-P que marca las proteínas dirigidas al lisosoma
CLASIFICACION POR NUMERO DE SUBUNIDADES
MONOSACARIDOS: azúcares simples de una sola subunidad. En la naturaleza los más comunes son la glucosa, la galactosa y la manosa
OLIGOSACARIDOS: cadenas de 2 a 100 unidades de azúcares. En la naturaleza los más comunes son los disacáridos, como la sacarosa
POLISACARIDOS: cadenas de cientos hasta miles de unidades de azúcares que pueden ser lineales o ramificadas. En la naturaleza los más comunes son la celulosa y el almidón
LA UNIDAD MINIMA DE UN AZUCAR
Los azúcares son esencialmente polihidroxialdehidos y polihidroxicetonas
CARBONO QUIRALY ENANTIOMEROS
Las formas isoméricas ópticamente activas D y L se denominan enantiómeros
D-ALDOSAS Y D-CETOSAS
EPIMEROS
Los estereoisómeros que difieren un en la configuración de un sólo carbono asimétrico se denominan epímeros
LAS D-ALDOSAS NATURALES
LAS D-CETOSAS NATURALES
D-ALDOSAS DE CINCO CARBONOS
D-ALDOSAS DE SEIS CARBONOS
ANOMEROS EN SOLUCION ACUOSA Y MUTAROTACION
En solución acuosa se produce el ataque electrofílico del grupo hidroxilo del C5 sobre el grupo carbonilo del C1 formándose anillos piranósicos (C6) o furanósicos (C5) en los cuales el hidroxilo formado en el C1 puede ubicarse en dos configuraciones espaciales lo que origina los anómeros α y β. El C1 se tranforma así en el carbono anomérico.
En solución acuosa las formas α y β se interconvierten hasta llegar a un equilibrio entre las dos formas lo que se denomina mutarotación. En el caso de la D-glucosa el equilibrio se alcanza cuando existe 1/3 de α-D-glucosa y 2/3 de β-D-glucosa y sólo un mínimo está en forma lineal
ANILLOS PIRANOSICO Y FURANOSICO
ESTRUCTURA FURANOSICA TIPO SILLA
DERIVADOS DE MONOSACARIDOS
LA UNION GLICOSIDICA
La unión O-glicosídica se forma cuando un grupo hidroxilo de un monosacárido reacciona con el carbono anomérico de otro monosacárido. Se forma así una unión acetálica y en el caso de que de que el carbono anomérico provenga de una cetosa se forma una unión cetálica.
La unión glicosídica (acetálica o cetálica) no puede ser oxidada por el reactivo de Fehling, es decir, ya no tiene poder reductor. Sin embargo, pueden ser hidrolizadas por un ácido débil en caliente y no así por una base.
Existe también la unión unión N-glicosídica entre el carbono anomérico de un azúcar y el hidroxilo aportado por un aminoácido o una base nitrogenada (en glicoproteínas y entre la ribosa y la base nitrogenada de los nucleótidos)
DISACARIDOS COMUNES
Lactosa: azúcar de la leche, tiene poder reductor porque tiene carbono anomérico libre
Sacarosa: azúcar sintetizada por una enzima en plantas, no tiene poder reductor porque la unión glicosídica involucra los carbonos anoméricos de la glucosa (aldohexosa) y de la fructosa (cetohexosa)
Trehalosa: azúcar sintetizada en insectos, no tiene poder reductor porque involucra los carbonos anoméricos de dos unidades de glucosa
ESTRUCTURA DE POLISACARIDOS
Los polisacáridos no tiene un peso molecular definido (a diferencia de las proteínas que son decodificadas desde de un RNAm) porque dependen de la actividad de las enzimas que los sintetizan, las cuales son reguladas post-trancripcionalmente (por fosforilación, en general). Cada tipo de unión O-glicosídica es realizada por una enzima específica.
EL ALMIDON (I)
El almidón es un homopolisacárido de glucosa compuesto por una mezcla de amilosa y amilopectina. La amilosa es un homopolímero lineal de glucosa de P.M. aprox. 500.000 Daltons en que las unidades de glucosa están unidas por uniones α 1-4 por lo que tiene un azúcar con poder reductor al final de la cadena. Las uniones α 1-4 generan tensión y hacen que la amilosa se curve sobre sí misma y adopte una forma de hélice
La amilopectina es un polímero ramificado de glucosa de aprox. 1000.000 Daltons constituído por cadenas de 24 30 residuos de glucosa con uniones α 1-4 que se unen a otra cadena con unión α 1-6 lo que genera un polímero que tiende también a enrollarse sobre sí mismo. Los carbonos anómericos de cada cadena están bloqueados por la unión α 1-6 por lo que la amilopectina y el almidón en general no tiene poder reductor
EL ALMIDON (II)
El almidón se acumula en la célula vegetal como gránulos de 1 μm, a nivel de los amiloplastos ubicados en el citoplasma y de los cloroplastos. El almacenamiento de almidón ocurre en órganos específicos principalmente en tubérculos y semillas. El almidón tiene una enorme cantidad de grupos hidroxilos lo que hace que tienda a estar hidratado pero su alto peso molecular no favorece su solubilidad en agua. Los animales degradan el almidón porque secretan amilasas.
AMILOSA
EL GLICOGENO
El glicógeno es un homopolímero ramificado de glucosa, al igual que la amilopectina, en que la unión entre las glucosas de una cadena es α 1-4 y cada 8-12 residuos esa cadena se une a otra igual mediante una unión α 1-6. El glicógeno, al igual que la amilopectina, tiende a enrollarse sobre sí mismo, aunque es más compacto que la amilopectina y tiene un P.M. de varios millones de Daltons. Además siempre tiene asociado las enzimas de síntesis y degradación. En los animales, el glicógeno se encuentra como gránulos de 0.1 μm en células especializadas como las células hepáticas
LA CELULOSA
La celulosa es un homopolímero lineal de glucosa, a diferencia de la amilopectina y el glicógeno que son ramificados. El polímero está constituido por 10.000 a 15.000 residuos de glucosa unidas por enlaces β 1-4 lo que genera polímeros lineales rígidos debido a que los residuos adyacentes forman puentes hidrógeno entre ellos, así como fibras resistentes ya que los residuos de las distintas cadenas también interaccionan entre ellos. La celulosa es parte esencial de la pared vegetal, junto con la hemicelulosa y ligninas. Los animales no pueden degradar la celulosa a diferencia de muchos bacterias, hongos y protozoos que secretan celulasas y que existen en el rumen (estómago extra) de los rumiantes.
LA QUITINA
La quitina, al igual que la celulosa, es un polímero lineal pero formados por residuos de N-acetil glucosamina unidos por enlaces β 1-4. La quitina, al igual que la celulosa, forma fibras resitentes y es el componente principal de la caparazón de muchos artrópodos (insectos, jaivas y langostas). Después de la celulosa, la quitina es el polisacárido natural más abundante.Los animales tampoco pueden degradar la quitina a diferencia de muchos hongos que secretan quitinasas.
CLASE 6: LOS ACIDOS NUCLEICOS
ESTRUCTURA DE UN NUCLEOTIDO
NUCLEOSIDO= RIBOSA + BASE NITROGENADA
NUCLEOTIDO = FOSFATO + NUCLEOSIDO
En una base nitrogenada el C1 de la β-D-ribosa se une al N1 de las pirimidinas y al N9 de las purinas. Los carbonos y nitrógenos de las bases se identifican con un número y los carbonos de la ribosa con un número prima.
LAS BASES NITROGENADAS
unión glicosídica
NOMENCLATURA DE NUCLEOTIDOS
LOS 4 DEOXINUCLEOTIDOS
LOS 4 RIBONUCLEOTIDOS
NUCLEOTIDOS MODIFICADOS
Tanto en el DNA como RNA algunos nucleótidos pueden presentar modificaciones en las bases nitrogenadas. Las modificación más común es la metilación de la adenosina, guanosina y citidina. En algunos virus en su genoma pueden presentar bases hidroximetiladas y los tRNAs presentan varias otras modificaciones (pseudouridina, dihidrouridina, isopenteniladenosina, etc.).
LA UNION FOSFODIESTER
Tanto en el DNA como en el RNA, los nucleótidos se unen mediante un enlace fosfodiester entre el 3´ OH de la ribosa de un nucleótido con el 5´ fosfato del nucleótido siguienteLa unión entre dos nucleótidos es posible cuando reaccionan dos nucleótidos trifosfato y la enzima que realiza la polimerización (DNA polimerasa o RNA polimerasa) une dos nucleótidos y libera pirofosfato (P-P)Los grupos fosfatos están ionizados en solución acuosa por lo que el DNA y RNA son ácidosLos polímeros de nucleótidos que contiene menos que 50 residuos se denominan oligonucleótidos.
EL SENTIDO 5´- 3´DEL POLIMERO
La hebra de DNA y RNA se escribe en el sentido 5´a 3´ y puede representarse gráficamente como se indica. Asimismo cuando se menciona una secuencia como la anterior se puede escribir como ACGTA y siempre el primer nucleótido tiene un 5´libre y el último nucleótido un 3´libre.
EL RNA ES HIDROLIZADO POR ALCALI
PUENTES HIDROGENO ENTRE BASES NITROGENADAS
LA DOBLE HELICE DEL DNAPara que las bases nitogenadas puedan ubicarse frente a frente y ser complementarias la primera hebra deben ubicarse en sentido 5´-3´y la segunda de manera antiparalela 3´- 5´
La doble hebra tiende en solución acuosa a girar hacia la derecha para que las bases nitrogenadas se apilen como monedas y disminuyan su interacción con el agua y las ribosas y fosfatos se ubiquen hacia fuera de la doble hebra (modelo de Watson y Crick)
En la doble hélice la distancia entre las bases es de 3.4 A, la longitud de cada giro es 36 A y el ancho de la doble hélice es 20 A. Además cada giro comprende 10. 5 bases. El giro del de la doble hélice define un zurco mayor y un zurco menor.
FORMA B DE LA DOBLE HELICE
DENATURACION Y RENATURACION DEL DNA
La doble hebra de DNA puede desnaturarse por aumento de la temperatura o disminución del pH ya que se rompen los puentes hidrógenos que aparean las bases nitogenadas. Si la temparatura baja o el pH se hace neutro las hebras vuelven a aparearse, es decir, se renatura la doble hebra de DNA. La Tm de una doble hebra con una determinada secuencia es la temperatura a la cual el 50% de las moléculas están desnaturadas. Esto depende principalmente de la cantidad de G+C de la secuencia.
