biomoléculas biomoléculas composición elemental de los seres
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BiomoléculasBiomoléculas
➢Composición elemental Macroelementos
Oligoelementos
➢Moléculas orgánicas Grupos funcionales
Configuración: isomerías
Conformación
➢Enlace covalente Electronegatividad
Reactividad
➢Tipos de reacciones Redox
Enlaces C-C
Transferencia de grupo Condensación/hidrólisis
➢Tipos de biomoléculas
➢Interacciones débiles I. electrostáticas
Puentes de hidrógeno
I. van der Waals
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22011 Enrique Castro
Composición elemental de los seres vivosComposición elemental de los seres vivos
Lehninger Fig. 3.1
Elemento % pesoH 25,2C 9,5N 1,4O 63
macroelementos (oligoelementos
ligeros (fuerte enlace covalente) multienlace
H,C,N,OP, S (excluyendo minerales)
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Oligoelementos como cofactores enzimáticosOligoelementos como cofactores enzimáticos
Metal Enzima ejemplo Función del metal
Fe Citocromos, redoxCitocromo-oxidasa
Cu Ascorbato oxidasa redoxSuperóxido dismutasa (Cu, Zn) redox
Zn Alcohol deshidrogenasa unión de coenzima NAD+
Carboxipetidasa A coordinación del centro activo
Mn His-amoniaco liasa extracción de electrones del sustratoSuperóxido dismutasa (Mn) 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
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42011 Enrique Castro
➢Composición elemental
Macroelementos
Oligoelementos
➢Moléculas orgánicas Grupos funcionales Configuración: isomerías Conformación
➢Enlace covalente
Electronegatividad
Reactividad
➢Tipos de reacciones
Redox
Enlaces C-C
Transferencia de grupo
Condensación/hidrólisis
➢Tipos de biomoléculas
➢ Interacciones débiles
I. electrostáticas
Puentes de hidrógeno
I. van der Waals
BiomoléculasBiomoléculas
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52011 Enrique Castro
Biomoléculas: moléculas orgánicas (C)Biomoléculas: moléculas orgánicas (C)Versatilidad de enlace
Versatilidad estructural
Lehninger Fig. 3.3Lehninger Fig. 3.4
sp3, tetraédrico0,154 nm
enlace simplelibre rotación
enlace doblesp2, plano, rígido
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Grupos funcionalesGrupos funcionales
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Moléculas = grupos funcionalesMoléculas = grupos funcionales
Lehninger Fig. 3.3
Las propiedades físicas y químicas (reactividad, capacidad de enlace) de una molécula dependen de su repertorio de grupos funcionales
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Grupos funcionales: propiedades químicasGrupos funcionales: propiedades químicas
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92011 Enrique Castro
Propiedades moleculares relevantesPropiedades moleculares relevantes
Polaridad• Asimetría de sus enlaces• Interacción con agua
Ácido-base• Disociación/ionización• Generación de H3O+
Estado de oxidación (redox)• electronegatividad• riqueza en electrones
Reactividad química• Combinación de grupos funcionales• Tipos de reacciones soportados
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ElectronegatividadElectronegatividad
Lodish Fig. 2.4
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Estados de oxidaciónEstados de oxidación Estado redox
• Riqueza en electrones• Electronegatividad
Fe2+ Fe3+
reducido oxidado
rico en e- pobre en e- Más reducido
-2 0
0 +1
+1 +2
+2 +2
+3 +3
+4 +4
Más oxidado
Amines
Amides
e-
Cetones
Nº de oxígenos
Estado deoxidación
Nº de oxidación: carga que existiría en un átomo si todos los electrones de un enlace se atribuyen al más electronegativo
(Pauling, hipótesis 100% iónicos)
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Reacciones redoxReacciones redox R. redox
• Transferencia de e-
• Parejas redox aceptor-dadorNO existen e- libres
reducido oxidado
Lactato + NAD+ Piruvato + NADH + H+ dador dadoraceptor aceptor
Lactato Piruvato
NAD+ NADH + H+
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132011 Enrique Castro
Reactividad: polarizabilidad y nucleofiliaReactividad: polarizabilidad y nucleofilia
Polarizabilidad• Depende de la movilidad de la nube e-
Nucleofilia• Pares de e- buscando un enlace
la nucleofilia aumenta con la carga negativa, la basicidad y la polarizabilidad
+
-
Grupos funcionales nucleófilos
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
..
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..
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..
..
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..
..
..
..
..
..
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142011 Enrique Castro
Tipos de reacciones químicas (covalentes)Tipos de reacciones químicas (covalentes)
1: Oxidación-reducción (redox)• •
2: enlaces C-X• •
3: Reorganizaciones internas• •
4: Transferencia de grupo• •
5: Condensación de monómeros• •
implican rotura/formación de enlaces covalentes Muy lentas catalizadores enzimáticos
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152011 Enrique Castro
➢Composición elemental
Macroelementos
Oligoelementos
➢Moléculas orgánicas
Grupos funcionales
Configuración: isomerías
Conformación
➢Enlace covalente
Electronegatividad
Reactividad
➢Tipos de reacciones
Redox
Enlaces C-C
Transferencia de grupo
Condensación/hidrólisis
➢Tipos de biomoléculas
➢ Interacciones débiles
I. electrostáticas
Puentes de hidrógeno
I. van der Waals
BiomoléculasBiomoléculas
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162011 Enrique Castro
TermodinámicaTermodinámica
ΔG = ΔH - T·ΔSEnergía útil, que realiza TRABAJO
Orden interno
Cambios de calor
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172011 Enrique Castro
Temodinámica de reacciones químicasTemodinámica de reacciones químicas
A + B C + D
G = G⁰ RT⋅ln [C ]⋅[D ]
[A]⋅[B ]
K eq =[C ]eq⋅[D]eq[A]eq⋅[B ]eq
G⁰ = −RT⋅ln K eq
ΔG determina posición del equilibrio (K)pero no la velocidad con la que se alcanza
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Reacciones acopladasReacciones acopladas
A + B C + D K eq1
=[C ]eq⋅[D]eq[A]eq⋅[B ]eq
ΔG1
C + H I + J K eq2
=[ I ]eq⋅[ J ]eq[C ]eq⋅[H ]eq
ΔG2
A + B + H D + I + J
K eq=K eq1 ⋅K eq
2 =[D ]eq⋅[ I ]eq⋅[ J ]eq[ A]eq⋅[B ]eq⋅[H ]eq
ΔG= ΔG1 + ΔG2
suma
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Velocidad de reacciónVelocidad de reacción
A Pk
1
k-1
Keq
v = −d [A]dt
=d [P ]dt
= k 1⋅[A] − k−1⋅[P ]
veq= k 1⋅[A]eq− k−1⋅[P ]eq=0 ; K eq=k 1
k−1
=[P ]eq[A]eq
En el equilibrio no hay más reacción neta: vA→P = vP→A
Constante de velocidad
Ecuación de velocidadCurva exponencial
[A]=[A]0⋅e−kt
El cociente de las constantes de velocidaddetermina la posición del equilibrio (K
eq)
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202011 Enrique Castro
Equilibrios de unión: Kd y afinidadEquilibrios de unión: Kd y afinidad
P + L PLKa
Kd
K a =[PL ]
[P ]⋅[L]
K d =[P ]⋅[L ][PL ]
[P ]+[PL]=PT
K a =[PL]
(PT−[PL ])⋅[L]
K a⋅PT⋅[L]−K a⋅[L ]⋅[PL ] = [PL ]
[PL ]⋅(1+K a⋅[L]) = K a⋅PT⋅[L ]
[PL] =K a⋅PT⋅[L ]
1+K a⋅[L]
[PL] =PT⋅[L]
1K a
+[L ]
[PL ] =PT⋅[L]
K d+[L]
[PL ]PT
=[L]
K d+[L]
[PL]PT
=[L]
L0.5+[L]
La KD tiene unidades
de concentración
KD = [L]0.5
[L] cuando 50% unidaConcentración de Ligando, [L]
Pro
teín
a unid
a, [
PL]
PT
PT
Kd
Alta Kd = baja afinidad
Kd otro ligando
Saturación100% P unido
Curvahipérbólica
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Equilibrios de unión: velocidad de disociación de PLEquilibrios de unión: velocidad de disociación de PL
PL P + Lkoff
kon
von=k on⋅[P ]⋅[L ]voff=k off⋅[PL ]
K D =k offk on
=[P ]⋅[L][PL ]
M 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
La kon
tiene dimensiones de M-1·s-1
La koff
tiene dimensiones de s-1 La v tiene dimensiones de M·s-1
k off = K D⋅k onLas reacciones controladas por difusióntienen k
on ≈ 109 M-1·s-1
KD (M) koff (s-1) t½ (s)
10-3 106 0,69 μs10-6 103 0,69 ms10-9 1 0,69 s10-12 10-3 693 s (11 min)10-18 10-9 6,9·108 s (20 años)
Entonces KD indica
duración del complejo
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222011 Enrique Castro
Tipos de biomoléculasTipos de biomoléculas
AV
DK P
H
MacromoléculasMonómeros
Glúcidos
Lípidos
Proteínas
Ác. nucleicos
aminoácidos
nucleótidos
Polisacáridos
monosacáridos
triglicéridosfosfolípidoscolesterol
informativos
autoensamblantes
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232011 Enrique Castro
Sillares de construcciónSillares de construcción
Nucleotides
Fatty Acids
Monosaccharides
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242011 Enrique Castro
Tamaños relativos de biomoléculasTamaños relativos de biomoléculasProteínas extracelulares
Proteínas intracelulares
Heparán sulfato (polisacárido extracelular)
Membrana(bicapa lipídica)
DNA dúplex
tRNA
Insulina5.7 kD
Lisozima
Mioglobina16.7 kD
Hemoglobina65 kD
Citocromo c Ribonucleasa
Glutamina sintetasa
IgG151 kD
Metabolitos intracelulares
Ácidos nucleicos
arg
chol
cys metglucosa
aguaacetato
Complejos multiproteicos
chol
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➢Composición elemental
Macroelementos
Oligoelementos
➢Moléculas orgánicas
Grupos funcionales
Configuración: isomerías
Conformación
➢Enlace covalente
Electronegatividad
Reactividad
➢Tipos de reacciones
Redox
Enlaces C-C
Transferencia de grupo
Condensación/hidrólisis
➢Tipos de biomoléculas
➢Interacciones débiles I. electrostáticas
Puentes de hidrógeno
I. van der Waals
BiomoléculasBiomoléculas
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262011 Enrique Castro
Enlace covalente: estructura molecularEnlace covalente: estructura molecular
Energía térmica media a 25ºC < 4 kJ/molE
c = 3/2·RT
Enlaces covalentes forman la estructura interna de las biomoleculas
extraordinariamente estables
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272011 Enrique Castro
Estructura tridimensional y tamaño molecularEstructura tridimensional y tamaño molecular
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282011 Enrique Castro
Interacciones intermoleculares: no covalentesInteracciones intermoleculares: no covalentes
Interacciones electrostáticas• Iones y/o dipolos• Ley de Coulomb
Enlaces de hidrógeno• Grupos X-H polarizados• Relativamente fuerte
Interacciones de van der Waals• Universales, muy débiles• Corto alcance
Efecto hidrofóbico• Entrópico
4-80 kJ/mol≈20 kJ/mol
12-30 kJ/mol
0,3-9 kJ/mol
3-40 kJ/mol≈12 kJ/mol
Energía térmica media a 25ºC < 4 kJ/molE
c = 3/2·RT
Enlace covalente: >210 kJ/mol
Interacciones débiles pueden formarse y romperse: dinámica molecular
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292011 Enrique Castro
Interacciones electrostáticasInteracciones electrostáticasLey de Coulomb: iones
• no-direccional (esférico)• Constante dieléctrica
(apantallamiento)
F=1
4⋅⋅q1⋅q2
r²
= r⋅0
F=Kr⋅q1⋅q2
r²
permitividad eléctrica del vacíoЄ0 = 8,85·10-12 N·m2·Cb-2
(constante universal)
Constante dieléctricaЄr , dependiente del medio
ión cargado negativanente
Atmósfera con un exceso de contraiones positivos
Radio efectivo de la atmósfera contraiónica
Lejos del ión el promedio de aniones y cationes es el mismo, y la carga media es nula
anióncatión
constante dieléctrica
U =1
4⋅⋅q1⋅q2
r
Ley de Coulomb: dipolos• más débil• direccional
+q -q
d
= q⋅dmomento dipolar
en serie
en paralelo
interacción necesita buen alineamiento
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Interacciones electrostáticas (2)Interacciones electrostáticas (2)
menor energíamenor alcance
80 kJ/mol
4 kJ/mol
distancia de contacto : 0,28-0,35 nm
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312011 Enrique Castro
Puentes de hidrógenoPuentes de hidrógeno
δ-
δ+
δ-
Par de electrones de no-enlace
Átomo muy electronegativo
Muy raro Sdébil
I. dipolo-dipolo• pares de no-enlace• estable por corto• direccional• muy selectivo
(especificidad)
H pequeño, d corta: buena interacción de Coulomb
dDireccional,X – H - Y en línea
Selectivo,Sólo determinados grupos
δ-
δ+
δ-
12-30 kJ/mol
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322011 Enrique Castro
Puentes de hidrógeno (2)Puentes de hidrógeno (2)
propiedades aceptoras dependen de hibridación sp2/sp3
pares e- no-enlazantes
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Enrique Castro, 2003
332011 Enrique Castro
Interacciones de van der WaalsInteracciones de van der Waals
Lodish Fig. 2,15
Mathews & van Holde Fig. 2-6
Fuerzas de dispersión• sincronización de nubes electronicas• no-direccional• muy corto alcance• muy débiles• universales: Σátomos
Repulsión; U ∝ 1/r12
impedimento estérico
Atracción; U ∝ 1/r6
0,3-9 kJ/mol
Muy importantes en grandes superficies complementarias
especificidad
• polarizables (n grande)• aromáticos (π)
Enrique Castro, 2003
342011 Enrique Castro
Efecto hidrofóbicoEfecto hidrofóbico
I. hidrófoba• ordenamiento superficial• efecto entrópico• no-direccional• largo alcance
ΔG = ΔH - T·ΔS
ΔS → ΔG
3-40 kJ/mol≈12 kJ/mol
depende de superficie