BIOPOLÍMEROS
BIOPOLÍMEROS
BIOPOLÍMEROS
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>BIOPOLÍMEROS</strong><br />
Macromoléculas de<br />
Interés Biológico
Macromoléculas
Moléculas orgánicas<br />
encontradas en Bioquímica<br />
Moléculas Pequeñas<br />
– azucares, aminoácidos, nucleótidos, ácidos, grasos<br />
y otros derivados de ácidos carboxílicos simples<br />
– la ínterconversión de moléculas pequeñas puede ser<br />
utilizada para liberar o almacenar energía, lo cual<br />
constituye la base del metabolismo.<br />
– Clases particulares de pequeñas moléculas se utilizan<br />
como subunidades (monómeros) para construir las<br />
macromoléculas.<br />
Macromoléculas:<br />
– proteínas, formadas por cadenas de aminoácidos<br />
– ácidos nucleicos, formados por cadenas de nucleótidos<br />
– polisacáridos, formados por cadenas de azucares<br />
– Lípidos complejos
Tipos principales<br />
Las células contienen 4 tipos principales<br />
de macromoléculas (polímeros):<br />
Proteínas<br />
Polisacáridos<br />
Ácidos nucleicos<br />
Algunos lípidos. Estas moléculas<br />
nunca son tan grandes como las de<br />
los otros 3 grupos
Dalton<br />
Terminología: Una unidad que es<br />
conveniente aplicar en la bioquímica<br />
para describir el tamaño de las<br />
macromoléculas es el kiloDalton, kDa.<br />
Un Dalton=1 g mol-1, de modo que una<br />
proteína típica tendría entre 10 y<br />
10,000 kDa o sea 104 a 107 g·mol-1.
Componentes<br />
En la estructura de las macromoléculas de interés biológico solo<br />
participan unas 60 moléculas simples.<br />
Las células contienen miles de diferentes<br />
polímeros llamados macromoléculas<br />
Los polímeros son macromolécules formadas<br />
por una o varias (20 en el caso de las<br />
proteínas) subunidades pequeñas,<br />
monómeros, unidos entre sí por uniones<br />
covalentes<br />
La mayoría de las macromoléculas biológicas<br />
son polímeros lineales de sus unidades<br />
monoméricas – unas pocas son ramificadas,<br />
sobre todo los carbohidratos
Si todos los polímeros en una célula fueran<br />
hidrolizados (separados en sus componentes<br />
monoméricos) esto es lo que se obtendría:<br />
Monómeros Número de<br />
cada clase<br />
Macromoléculas que<br />
forman<br />
Aminoácidos 20 Proteínas<br />
Ácidos grasos 10 Lipidos de almacenamiento<br />
Membranas<br />
Azúcares y 10 Polisacáridos<br />
compuetos<br />
relacionados<br />
Glicoproteínas<br />
Ácidos Nucleicos<br />
Nucleótidos 5 Ácidos Nucleicos<br />
Otras<br />
15 Contribuyen a formar<br />
moléculas<br />
todas
Formación<br />
En general la construcción de las<br />
macromoléculas se hace por pérdida de una<br />
molécula de agua (condensación o<br />
deshidratación) y requiere la intervención<br />
de catalizadores biológicos (enzimas) y<br />
gasto de cantidades considerables de<br />
energía (ATP)
Todas las diferentes<br />
categorías de enlaces<br />
que unen los<br />
monómeros en las<br />
macromoléculas<br />
involucran la<br />
eliminación de los<br />
elementos del H 2O,<br />
proceso llamado<br />
condensación.<br />
Enlaces
Degradación de Biopolímeros<br />
-Hidrólisis-<br />
La mayoría de las macromoléculas<br />
pueden ser separadas en sus<br />
subunidades (monómeros) por la adición<br />
de moléculas de agua (hidrólisis).<br />
Cada ruptura de uno de los enlaces entre<br />
subunidades monoméricas requiere una<br />
molécula de agua
La reacción inversa a la<br />
condensación es la<br />
ruptura del enlace por la<br />
incorporación de H 2O, lo<br />
cual restaura los<br />
compuestos originales.<br />
En el caso del enlace<br />
amídico se recuperan el<br />
ácido carboxílico y el<br />
grupo amino originales<br />
rompiéndose el enlace.<br />
Este proceso se llama<br />
hidrólisis.<br />
Enlaces
La Hidrólisis<br />
La hidrólisis es un buen ejemplo de un ataque nucleofílico.<br />
La molécula de H 2O usa al O como nucleófilo para atacar<br />
un enlace susceptible, tal como el enlace peptídico.<br />
El enlace es susceptible porque el átomo de C del grupo<br />
C=O es deficiente en electrones, puesto que los electrones<br />
son atraídos hacia el átomo de O, muy electronegativo, del<br />
grupo C=O<br />
Puesto que el C es deficiente en electrones, puede<br />
acomodar el par electrónico del grupo hidroxilo.<br />
Esto da lugar a la formación de un estado de transición (se<br />
llama así una etapa semi-estable en el camino de la reacción<br />
química)<br />
El estado de transición alcanza un estado estable por la<br />
producción de los productos que resultan del rompimiento del<br />
enlace C–N.<br />
Esto sucede porque el átomo de N puede funcionar bien como<br />
un grupo que se libera reteniendo los electrones que quedan<br />
libres al romperse el enlace
HIDRÓLISIS, mecanismo
Hidrólisis de Polipéptidos<br />
El agua pura hidroliza el enlace peptídico con extrema lentitud, esto se<br />
debe a que el O: neutro es un nucleófilo débil.<br />
Por esta razón la hidrólisis de péptidos y proteínas debe hacerse en<br />
presencia de un catalizador:<br />
• La hidrólisis ácida se realiza en HCl 6 M a 110 o y toma 24 a 72<br />
horas lograr la hidrólisis completa de una cadena peptídica en sus<br />
aminoácidos componentes<br />
• La hidrólisis básica se realiza en NaOH 4 M a 110 o , y toma 16<br />
horas para lograr la hidrólisis completa, pero algunos amino ácidos<br />
son destruidos bajo estas condiciones.<br />
• La hidrólisis puede también realizarse a temperatura ambiente<br />
utilizando enzimas digestivas llamadas proteasas, cuya función es<br />
precisamente hidrolizar enlaces peptídicos.<br />
Después de la hidrólisis, los aminoácidos liberados pueden ser<br />
identificados por cromatografía (de intercambio iónico, de fase reversa,<br />
etc) o por otros medios.
La Secuencia lineal<br />
La Secuencia lineal, o configuración, de un<br />
biopolímero puede tener importantes<br />
funciones celulares.<br />
En todos los biopolímeros existe un sentido<br />
direccional durante su síntesis y en el<br />
establecimiento de su función.<br />
El DNA se sintetiza del extremo 5’ al extremo 3’<br />
Las proteínas son sintetizadas del extremo amino al<br />
extremo carboxi.<br />
Los Polisacáridos se sintetizan típicamente de la<br />
posición 1 a la posición 4.
El principio de construcción polimérica<br />
de la estructura macromolecular (1)<br />
Las Proteínas están formadas por cadenas<br />
de aminoácidos unidos covalentemente.<br />
etc. aminoácido aminoácido aminoácido etc.<br />
Enlaces peptídico (amidas) unen los<br />
aminoácidos entre si para formar la cadena<br />
Una proteína de 100 aminoácidos pesaría ~ 11 kDa.<br />
Cada proteína estaría constituida por una secuencia diferente y<br />
especifica de aminoácidos y tendría, por lo tanto, un tamaño y una<br />
estructura tridimensional característica.
La estructura primaria de una proteína esta dada por la secuencia lineal de los<br />
aminoácidos que la forman y por la localización de los puentes disulfuro (-S-S-).<br />
Nótese la indicación de los extremos de la cadena peptídica, a la izquierda el<br />
extremo amino-terminal y a la derecha el extremo carboxi-terminal
Enlace Peptídico<br />
Midiendo cuidadosamente la longitud del enlace<br />
peptídico, Pauling llegó a la conclusión de que<br />
este tipo de enlaces se comportaba como un<br />
enlace doble, obedeciendo fundamentalmente a<br />
la contribución de la forma de segunda<br />
resonancia de la amida.<br />
A partir de esta conclusión debe aceptarse que el<br />
enlace peptídico es un enlace rígido e incapaz<br />
de rotar libremente,<br />
Y, por lo tanto, solo puede adquirir dos formas<br />
geométricas distintas: cis y trans.<br />
En las proteínas, los enlaces peptídicos son casi<br />
invariablemente de forma trans como se muestra<br />
en la figura siguiente.<br />
La Rotación en el enlace peptídico solo se permite<br />
sobre los enlaces del carbono α.
Enlace Peptídico<br />
Longitud del enlace<br />
sencillo C-N<br />
Longitud del enlace C-N<br />
en el enlace peptídico =<br />
1.32 Å.<br />
Longitud del enlace<br />
dobleC=N<br />
Estas determinaciones sugirieron<br />
a Pauling que el enlace peptídico<br />
debe considerarse más como un<br />
enlace doble que como un enlace<br />
C-N sencillo.
Niveles de Estructura Proteica<br />
Primaria Secundaria Terciaria Cuaternaria
El principio de construcción polimérica<br />
de la estructura macromolecular (2)<br />
Los Polisacáridos están formados por<br />
cadenas de azucares unidos covalentemente.<br />
etc. azúcar azúcar azúcar etc.<br />
Enlaces glicosìdicos unen los azucares entre<br />
si para formar la cadena<br />
La mayor parte de los polisacáridos (por ejemplo, almidón, celulosa,<br />
glucógeno) no poseen tamaños definidos y están formados por<br />
secuencias repetitivas simples de uno o dos azucares, La<br />
diferencia es que los polisacáridos habitualmente tienen<br />
ramificaciones.
Enlaces Glucosídicos 1<br />
Hay dos tipos de enlaces entre un monosacárido<br />
y otras moléculas<br />
El hidroxilo anomérico puede reaccionar con un grupo hidroxilo de otro<br />
azúcar, o de cualquier otro compuesto, uniendo las dos moléculas y<br />
liberando agua, el enlace formado recibe el nombre de enlace Oglucosídico:<br />
HO<br />
HO<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
H<br />
R-OH + HO-R' R-O-R' + H 2O<br />
H<br />
O<br />
OH<br />
α-D-glucopyranose<br />
OH<br />
H<br />
+<br />
CH 3-OH<br />
methanol<br />
H 2O<br />
HO<br />
HO<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
H<br />
H<br />
O<br />
OH<br />
H<br />
OCH 3<br />
methyl-α-D-glucopyranose<br />
α-D-glucopiranosa metanol metil-α-D-glucopiranosa
Enlaces Glucosídicos 2<br />
El enlace O-Glucosídico tambien puede realizarse entre<br />
dos -OH de dos carbohidratos, lo cual dará como resultado<br />
la formación de un disacárido, o aumentará el número de<br />
monómeros que forman ya un oligo- o un poli-sacárido.<br />
El enlace será α-Glucosídico si el monosacárido que<br />
participa con su carbón anomérico es α y será β-<br />
Glucosídico si dicho monosacárido es β.
Enlaces Glucosídicos 3<br />
El hidroxilo anomérico<br />
puede reaccionar con un<br />
grupo amino de cualquier<br />
otro compuesto, uniendo<br />
las dos moléculas. El<br />
enlace formado recibe el<br />
nombre de enlace Nglucosídico.<br />
El enlace N-Glucosídico se<br />
puede realizar también<br />
entre un grupo –OH de un<br />
azúcar y un compuesto<br />
aminado, originando<br />
aminoazúcares
Enlace O-glicosídico<br />
Serina (Ser) S<br />
NANA = Ácido N-acetil-Neuramínico<br />
Gal = Galactosa<br />
GalNac = N-acetil-galactosamina<br />
Forma proteínas conjugadas con<br />
azúcares, llamadas glicoproteínas
etc.<br />
El principio de construcción polimérica<br />
de la estructura macromolecular (3)<br />
Los Ácidos nucleicos son un poco may complejos.<br />
Enlaces glicosídicos unen las bases a los azucares<br />
Base Base Base<br />
azúcar fosfato azúcar fosfato azúcar etc. etc.<br />
Enlaces fosfodiéster unen los fosfatos a los<br />
azucares para formar la cadena<br />
La cadena fosfo-glucídica (columna vertebral) es sumamente simple y<br />
repetitiva, pero a cada azúcar se une una de cuatro bases diferentes dando<br />
a los ácidos nucleicos secuencias muy especificas que constituyen el<br />
fundamento de la biología molecular.
Los ácidos Nucleicos<br />
Composición<br />
Los ácidos nucleicos son biopolímeros formados por<br />
unidades monoméricas llamadas nucleótidos.<br />
Los nucleótidos están formados por la unión de:<br />
– A) Una base nitrogenada, que puede ser:<br />
- Pirimidínica: Timina (T), Citosina (C) o Uracilo (U)<br />
- Púrica: Guanina (G) o Adenina (A)<br />
– B) Una pentosa, que puede ser la D-ribosa en el RNA; o la D-2desoxirribosa<br />
en el DNA<br />
– C) Ácido fosfórico, que cuando participa en la formación de la<br />
cadena de ácido nucleico une las pentosas de dos nucleósidos<br />
consecutivos a través de una unión fosfodiéster. Esta unión se<br />
hace entre el C-3´de una pentosa, con el C-5´de la pentosa<br />
siguiente.
Ácidos Nucleicos<br />
Estos ácidos nucleicos son moléculas muy grandes<br />
que están constituidas por dos partes principales:<br />
Una columna vertebral, formada por enlaces<br />
fosfodiéster entre las pentosas de los nucleótidos,<br />
que sostiene y estructura y ordena toda la<br />
molécula<br />
Una estructura central, basada en la formación de<br />
puentes de hidrógeno entre las bases, donde<br />
reside el mecanismo de conservación y/o de<br />
transferencia de la información contenida en el<br />
ácido nucleico.
Ácidos Nucleicos<br />
La columna vertebral está formada por la unión covalente<br />
de moléculas de azúcar y de fosfato que se alternan en<br />
una larga cadena de forma helicoidal, tal como está<br />
representada esquemáticamente abajo:<br />
Base Base
Ácido Desoxirribonucleico<br />
El ácido desoxirribonucleico, conocido en general<br />
como DNA, es el material genético de todos los<br />
organismos.<br />
Constituye la base química por medio de la cual los<br />
caracteres hereditarios son pasados de una<br />
generación a la siguiente.<br />
El DNA fue descrito por primera vez en 1869 por<br />
Federico Miescher mientras estudiaba la sustancia<br />
conocida como nucleína.<br />
Sin embargo, no fue sino hasta mediados del siglo<br />
XX cuando el DNA fue aceptado universalmente como<br />
el reservorio de la información genética de las<br />
células.
Polaridad del DNA<br />
Las dos columnas de pentosa-fosfato<br />
que se unen para formar la<br />
estructura de doble hélice del DNA<br />
están orientadas con su polaridad<br />
invertida.<br />
Esta relación llamada “antiparalela”<br />
se produce porque el extremo 5’ de<br />
una de las cadenas se aparea con el<br />
extremo 3’ de la otra (ver figura).
Componentes del Genoma<br />
humano<br />
El genoma humano esta formado por<br />
3.2 x 10 9 pares de bases del DNA<br />
Aproximadamente el 3% codifica<br />
para la síntesis de proteínas<br />
Un 40 a 50% es repetitivo,<br />
sintetizado por (retro) transposición<br />
¿Cual es la función del 50%<br />
restante?
Genoma Humano<br />
22 pares autosómicos + 2<br />
cromosomas sexuales<br />
3 x 10 9 pares de bases en<br />
el genoma haploide<br />
¿Donde están y cuales son<br />
los 30,000 a 40,000 genes<br />
necesarios para la función<br />
adecuada?<br />
¿Que más tiene el genoma<br />
que sea interesante o<br />
importante?
La Revolución de la Genómica<br />
Se conocen (casi) todos los genes en el<br />
genoma, y las secuencias de las proteínas<br />
que codifican.<br />
LA BIOLOGíA SE ESTÁ VOLVIENDO<br />
UNA CIENCIA FINITA Y EXACTA<br />
• Las Hipótesis deben ahora apegarse a lo que<br />
sabemos que pasa, no a lo que se puede<br />
imaginar que puede pasar.<br />
No se debe ya pensar en genes<br />
individuales<br />
• Pensemos en el genoma completo o en<br />
sistemas de genes
Lipoproteínas<br />
Las lipoproteínas son complejos macromoleculares compuestos por<br />
proteínas y lípidos que transportan masivamente las grasas por<br />
todo el organismo. Son esféricas, hidrosolubles, formados por un<br />
núcleo de lípidos apolares (colesterol esterificado y triglicéridos)<br />
cubiertos con una capa externa polar de 2 nm formada por<br />
apoproteínas, fosfolípidos y colesterol libre. Muchas enzimas,<br />
antígenos y toxinas son lipoproteínas.<br />
Tienen, entre otras funciones, la estabilización de las moléculas de<br />
lípidos, como triglicéridos, fosfolípidos, colesterol, en un entorno<br />
acuoso como es la sangre. Actúan como una especie de detergente<br />
y también sirven como indicadores del tipo de lipoproteína de que<br />
se trata. Los receptores de lipoproteínas de la célula pueden así<br />
identificar a los diferentes tipos de lipoproteínas y dirigir y controlar<br />
su metabolismo.
Lipoproteínas, su papel en<br />
la interacción y fijación de<br />
las moléculas proteicas a<br />
las membranas celulares