BIOPOLÍMEROS

BIOPOLÍMEROS
Macromoléculas de
Interés Biológico

Macromoléculas

Moléculas orgánicas
encontradas en Bioquímica
Moléculas Pequeñas
– azucares, aminoácidos, nucleótidos, ácidos, grasos
y otros derivados de ácidos carboxílicos simples
– la ínterconversión de moléculas pequeñas puede ser
utilizada para liberar o almacenar energía, lo cual
constituye la base del metabolismo.
– Clases particulares de pequeñas moléculas se utilizan
como subunidades (monómeros) para construir las
macromoléculas.
Macromoléculas:
– proteínas, formadas por cadenas de aminoácidos
– ácidos nucleicos, formados por cadenas de nucleótidos
– polisacáridos, formados por cadenas de azucares
– Lípidos complejos

Tipos principales
Las células contienen 4 tipos principales
de macromoléculas (polímeros):
Proteínas
Polisacáridos
Ácidos nucleicos
Algunos lípidos. Estas moléculas
nunca son tan grandes como las de
los otros 3 grupos

Dalton
Terminología: Una unidad que es
conveniente aplicar en la bioquímica
para describir el tamaño de las
macromoléculas es el kiloDalton, kDa.
Un Dalton=1 g mol-1, de modo que una
proteína típica tendría entre 10 y
10,000 kDa o sea 104 a 107 g·mol-1.

Componentes
En la estructura de las macromoléculas de interés biológico solo
participan unas 60 moléculas simples.
Las células contienen miles de diferentes
polímeros llamados macromoléculas
Los polímeros son macromolécules formadas
por una o varias (20 en el caso de las
proteínas) subunidades pequeñas,
monómeros, unidos entre sí por uniones
covalentes
La mayoría de las macromoléculas biológicas
son polímeros lineales de sus unidades
monoméricas – unas pocas son ramificadas,
sobre todo los carbohidratos

Si todos los polímeros en una célula fueran
hidrolizados (separados en sus componentes
monoméricos) esto es lo que se obtendría:
Monómeros Número de
cada clase
Macromoléculas que
forman
Aminoácidos 20 Proteínas
Ácidos grasos 10 Lipidos de almacenamiento
Membranas
Azúcares y 10 Polisacáridos
compuetos
relacionados
Glicoproteínas
Ácidos Nucleicos
Nucleótidos 5 Ácidos Nucleicos
Otras
15 Contribuyen a formar
moléculas
todas

Formación
En general la construcción de las
macromoléculas se hace por pérdida de una
molécula de agua (condensación o
deshidratación) y requiere la intervención
de catalizadores biológicos (enzimas) y
gasto de cantidades considerables de
energía (ATP)

Todas las diferentes
categorías de enlaces
que unen los
monómeros en las
macromoléculas
involucran la
eliminación de los
elementos del H 2O,
proceso llamado
condensación.
Enlaces

Degradación de Biopolímeros
-Hidrólisis-
La mayoría de las macromoléculas
pueden ser separadas en sus
subunidades (monómeros) por la adición
de moléculas de agua (hidrólisis).
Cada ruptura de uno de los enlaces entre
subunidades monoméricas requiere una
molécula de agua

La reacción inversa a la
condensación es la
ruptura del enlace por la
incorporación de H 2O, lo
cual restaura los
compuestos originales.
En el caso del enlace
amídico se recuperan el
ácido carboxílico y el
grupo amino originales
rompiéndose el enlace.
Este proceso se llama
hidrólisis.
Enlaces

La Hidrólisis
La hidrólisis es un buen ejemplo de un ataque nucleofílico.
La molécula de H 2O usa al O como nucleófilo para atacar
un enlace susceptible, tal como el enlace peptídico.
El enlace es susceptible porque el átomo de C del grupo
C=O es deficiente en electrones, puesto que los electrones
son atraídos hacia el átomo de O, muy electronegativo, del
grupo C=O
Puesto que el C es deficiente en electrones, puede
acomodar el par electrónico del grupo hidroxilo.
Esto da lugar a la formación de un estado de transición (se
llama así una etapa semi-estable en el camino de la reacción
química)
El estado de transición alcanza un estado estable por la
producción de los productos que resultan del rompimiento del
enlace C–N.
Esto sucede porque el átomo de N puede funcionar bien como
un grupo que se libera reteniendo los electrones que quedan
libres al romperse el enlace

HIDRÓLISIS, mecanismo

Hidrólisis de Polipéptidos
El agua pura hidroliza el enlace peptídico con extrema lentitud, esto se
debe a que el O: neutro es un nucleófilo débil.
Por esta razón la hidrólisis de péptidos y proteínas debe hacerse en
presencia de un catalizador:
• La hidrólisis ácida se realiza en HCl 6 M a 110 o y toma 24 a 72
horas lograr la hidrólisis completa de una cadena peptídica en sus
aminoácidos componentes
• La hidrólisis básica se realiza en NaOH 4 M a 110 o , y toma 16
horas para lograr la hidrólisis completa, pero algunos amino ácidos
son destruidos bajo estas condiciones.
• La hidrólisis puede también realizarse a temperatura ambiente
utilizando enzimas digestivas llamadas proteasas, cuya función es
precisamente hidrolizar enlaces peptídicos.
Después de la hidrólisis, los aminoácidos liberados pueden ser
identificados por cromatografía (de intercambio iónico, de fase reversa,
etc) o por otros medios.

La Secuencia lineal
La Secuencia lineal, o configuración, de un
biopolímero puede tener importantes
funciones celulares.
En todos los biopolímeros existe un sentido
direccional durante su síntesis y en el
establecimiento de su función.
El DNA se sintetiza del extremo 5’ al extremo 3’
Las proteínas son sintetizadas del extremo amino al
extremo carboxi.
Los Polisacáridos se sintetizan típicamente de la
posición 1 a la posición 4.

El principio de construcción polimérica
de la estructura macromolecular (1)
Las Proteínas están formadas por cadenas
de aminoácidos unidos covalentemente.
etc. aminoácido aminoácido aminoácido etc.
Enlaces peptídico (amidas) unen los
aminoácidos entre si para formar la cadena
Una proteína de 100 aminoácidos pesaría ~ 11 kDa.
Cada proteína estaría constituida por una secuencia diferente y
especifica de aminoácidos y tendría, por lo tanto, un tamaño y una
estructura tridimensional característica.

La estructura primaria de una proteína esta dada por la secuencia lineal de los
aminoácidos que la forman y por la localización de los puentes disulfuro (-S-S-).
Nótese la indicación de los extremos de la cadena peptídica, a la izquierda el
extremo amino-terminal y a la derecha el extremo carboxi-terminal

Enlace Peptídico
Midiendo cuidadosamente la longitud del enlace
peptídico, Pauling llegó a la conclusión de que
este tipo de enlaces se comportaba como un
enlace doble, obedeciendo fundamentalmente a
la contribución de la forma de segunda
resonancia de la amida.
A partir de esta conclusión debe aceptarse que el
enlace peptídico es un enlace rígido e incapaz
de rotar libremente,
Y, por lo tanto, solo puede adquirir dos formas
geométricas distintas: cis y trans.
En las proteínas, los enlaces peptídicos son casi
invariablemente de forma trans como se muestra
en la figura siguiente.
La Rotación en el enlace peptídico solo se permite
sobre los enlaces del carbono α.

Enlace Peptídico
Longitud del enlace
sencillo C-N
Longitud del enlace C-N
en el enlace peptídico =
1.32 Å.
Longitud del enlace
dobleC=N
Estas determinaciones sugirieron
a Pauling que el enlace peptídico
debe considerarse más como un
enlace doble que como un enlace
C-N sencillo.

Niveles de Estructura Proteica
Primaria Secundaria Terciaria Cuaternaria

El principio de construcción polimérica
de la estructura macromolecular (2)
Los Polisacáridos están formados por
cadenas de azucares unidos covalentemente.
etc. azúcar azúcar azúcar etc.
Enlaces glicosìdicos unen los azucares entre
si para formar la cadena
La mayor parte de los polisacáridos (por ejemplo, almidón, celulosa,
glucógeno) no poseen tamaños definidos y están formados por
secuencias repetitivas simples de uno o dos azucares, La
diferencia es que los polisacáridos habitualmente tienen
ramificaciones.

Enlaces Glucosídicos 1
Hay dos tipos de enlaces entre un monosacárido
y otras moléculas
El hidroxilo anomérico puede reaccionar con un grupo hidroxilo de otro
azúcar, o de cualquier otro compuesto, uniendo las dos moléculas y
liberando agua, el enlace formado recibe el nombre de enlace Oglucosídico:
HO
HO
H
OH
H
H
R-OH + HO-R' R-O-R' + H 2O
H
O
OH
α-D-glucopyranose
OH
H
+
CH 3-OH
methanol
H 2O
HO
HO
H
OH
H
H
H
O
OH
H
OCH 3
methyl-α-D-glucopyranose
α-D-glucopiranosa metanol metil-α-D-glucopiranosa

Enlaces Glucosídicos 2
El enlace O-Glucosídico tambien puede realizarse entre
dos -OH de dos carbohidratos, lo cual dará como resultado
la formación de un disacárido, o aumentará el número de
monómeros que forman ya un oligo- o un poli-sacárido.
El enlace será α-Glucosídico si el monosacárido que
participa con su carbón anomérico es α y será β-
Glucosídico si dicho monosacárido es β.

Enlaces Glucosídicos 3
El hidroxilo anomérico
puede reaccionar con un
grupo amino de cualquier
otro compuesto, uniendo
las dos moléculas. El
enlace formado recibe el
nombre de enlace Nglucosídico.
El enlace N-Glucosídico se
puede realizar también
entre un grupo –OH de un
azúcar y un compuesto
aminado, originando
aminoazúcares

Enlace O-glicosídico
Serina (Ser) S
NANA = Ácido N-acetil-Neuramínico
Gal = Galactosa
GalNac = N-acetil-galactosamina
Forma proteínas conjugadas con
azúcares, llamadas glicoproteínas

etc.
El principio de construcción polimérica
de la estructura macromolecular (3)
Los Ácidos nucleicos son un poco may complejos.
Enlaces glicosídicos unen las bases a los azucares
Base Base Base
azúcar fosfato azúcar fosfato azúcar etc. etc.
Enlaces fosfodiéster unen los fosfatos a los
azucares para formar la cadena
La cadena fosfo-glucídica (columna vertebral) es sumamente simple y
repetitiva, pero a cada azúcar se une una de cuatro bases diferentes dando
a los ácidos nucleicos secuencias muy especificas que constituyen el
fundamento de la biología molecular.

Los ácidos Nucleicos
Composición
Los ácidos nucleicos son biopolímeros formados por
unidades monoméricas llamadas nucleótidos.
Los nucleótidos están formados por la unión de:
– A) Una base nitrogenada, que puede ser:
- Pirimidínica: Timina (T), Citosina (C) o Uracilo (U)
- Púrica: Guanina (G) o Adenina (A)
– B) Una pentosa, que puede ser la D-ribosa en el RNA; o la D-2desoxirribosa
en el DNA
– C) Ácido fosfórico, que cuando participa en la formación de la
cadena de ácido nucleico une las pentosas de dos nucleósidos
consecutivos a través de una unión fosfodiéster. Esta unión se
hace entre el C-3´de una pentosa, con el C-5´de la pentosa
siguiente.

Ácidos Nucleicos
Estos ácidos nucleicos son moléculas muy grandes
que están constituidas por dos partes principales:
Una columna vertebral, formada por enlaces
fosfodiéster entre las pentosas de los nucleótidos,
que sostiene y estructura y ordena toda la
molécula
Una estructura central, basada en la formación de
puentes de hidrógeno entre las bases, donde
reside el mecanismo de conservación y/o de
transferencia de la información contenida en el
ácido nucleico.

Ácidos Nucleicos
La columna vertebral está formada por la unión covalente
de moléculas de azúcar y de fosfato que se alternan en
una larga cadena de forma helicoidal, tal como está
representada esquemáticamente abajo:
Base Base

Ácido Desoxirribonucleico
El ácido desoxirribonucleico, conocido en general
como DNA, es el material genético de todos los
organismos.
Constituye la base química por medio de la cual los
caracteres hereditarios son pasados de una
generación a la siguiente.
El DNA fue descrito por primera vez en 1869 por
Federico Miescher mientras estudiaba la sustancia
conocida como nucleína.
Sin embargo, no fue sino hasta mediados del siglo
XX cuando el DNA fue aceptado universalmente como
el reservorio de la información genética de las
células.

Polaridad del DNA
Las dos columnas de pentosa-fosfato
que se unen para formar la
estructura de doble hélice del DNA
están orientadas con su polaridad
invertida.
Esta relación llamada “antiparalela”
se produce porque el extremo 5’ de
una de las cadenas se aparea con el
extremo 3’ de la otra (ver figura).

Componentes del Genoma
humano
El genoma humano esta formado por
3.2 x 10 9 pares de bases del DNA
Aproximadamente el 3% codifica
para la síntesis de proteínas
Un 40 a 50% es repetitivo,
sintetizado por (retro) transposición
¿Cual es la función del 50%
restante?

Genoma Humano
22 pares autosómicos + 2
cromosomas sexuales
3 x 10 9 pares de bases en
el genoma haploide
¿Donde están y cuales son
los 30,000 a 40,000 genes
necesarios para la función
adecuada?
¿Que más tiene el genoma
que sea interesante o
importante?

La Revolución de la Genómica
Se conocen (casi) todos los genes en el
genoma, y las secuencias de las proteínas
que codifican.
LA BIOLOGíA SE ESTÁ VOLVIENDO
UNA CIENCIA FINITA Y EXACTA
• Las Hipótesis deben ahora apegarse a lo que
sabemos que pasa, no a lo que se puede
imaginar que puede pasar.
No se debe ya pensar en genes
individuales
• Pensemos en el genoma completo o en
sistemas de genes

Lipoproteínas
Las lipoproteínas son complejos macromoleculares compuestos por
proteínas y lípidos que transportan masivamente las grasas por
todo el organismo. Son esféricas, hidrosolubles, formados por un
núcleo de lípidos apolares (colesterol esterificado y triglicéridos)
cubiertos con una capa externa polar de 2 nm formada por
apoproteínas, fosfolípidos y colesterol libre. Muchas enzimas,
antígenos y toxinas son lipoproteínas.
Tienen, entre otras funciones, la estabilización de las moléculas de
lípidos, como triglicéridos, fosfolípidos, colesterol, en un entorno
acuoso como es la sangre. Actúan como una especie de detergente
y también sirven como indicadores del tipo de lipoproteína de que
se trata. Los receptores de lipoproteínas de la célula pueden así
identificar a los diferentes tipos de lipoproteínas y dirigir y controlar
su metabolismo.

Lipoproteínas, su papel en
la interacción y fijación de
las moléculas proteicas a
las membranas celulares