Bases Bioquímicas de la vida

BASE QUÍMICA DE LA VIDA: BIO BI OEL ELEM EMEN ENT TOS Y BI BIOM OMOL OLÉC ÉCUL ULAS AS

BASE QUÍMICA DE LA VIDA 

Uno de los principales descubrimientos de la biología es que los organismos vivos están compuestos del mismo tipo de elementos químicos. Toda la materia viva está compuesta por: Agua (hasta 75-80% del peso celular), Bioelementos primarios como C, O, N, H, P y S. Bioelementos secundarios: como Ca, Na, Cl, K, Mg, Fe, etc.  

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BASE QUÍMICA DE LA VIDA 

Uno de los principales descubrimientos de la biología es que los organismos vivos están compuestos del mismo tipo de elementos químicos. Toda la materia viva está compuesta por: Agua (hasta 75-80% del peso celular), Bioelementos primarios como C, O, N, H, P y S. Bioelementos secundarios: como Ca, Na, Cl, K, Mg, Fe, etc.  

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CONSTITUYENTES DE LA MATERIA 

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Átomos: unidades fundamentales de la materia Los elementos son sustancias puras que están compuestas por un solo tipo de átomos El número de protones identifica el elemento Los electrones son responsables de la formación de los enlaces químicos

CONSTITUYENTES DE LA MATERIA 

1. 2. 3. 4.

Los Los átomo átomoss tien tienen en:: Volumen Núme Número ro atóm atómic ico o Símb Símbol olo o quím químic ico o antida dad d de Masa: Canti mate materi ria a pres presen ente te

LA TABLA PERIÓDICA

LAS MOLÉCULAS SE FORMAN MEDIANTE ENLACES QUÍMICOS 

El comportamiento de los electrones determina como ocurren las reacciones.

LAS MOLÉCULAS SE FORMAN MEDIANTE ENLACES QUÍMICOS

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Enlace químico: fuerza de atracción que une a los átomos para formar moléculas. Existen diferentes tipos de enlaces químicos: Enlaces covalentes  Enlaces iónicos  Enlaces de hidrógeno  Interacciones hidrofóbicas  Fuerzas de van der Waals 

LAS MOLÉCULAS SE FORMAN MEDIANTE ENLACES QUÍMICOS 

Enlace covalente: átomos que comparten uno o más electrones en su última órbita o nivel para alcanzar su estabilidad.    

Es muy fuerte y difícil de romper. Sencillo, doble, triple Coordinado Solubilidad variable de acuerdo a polaridad.  No polar (simétrico)  Polar (asimétrico)

LAS MOLÉCULAS SE FORMAN MEDIANTE ENLACES QUÍMICOS

LAS MOLÉCULAS SE FORMAN MEDIANTE ENLACES QUÍMICOS 

Enlaces covalentes polares cuando las cargas de un elemento son mayores a las del otro y se comparten electrones asimétricamente = ELECTRONEGATIVIDAD

LAS MOLÉCULAS SE FORMAN MEDIANTE ENLACES QUÍMICOS

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Enlace iónico: átomos que transfieren completamente uno o más electrones y se forman por atraccion de cargas positivas y negativas 

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Cationes (+) y aniones (-) Se rompe con facilidad obteniéndose los iones que lo forman Las substancias con enlaces iónicos son solubles en solventes polares.

LAS MOLÉCULAS SE FORMAN MEDIANTE ENLACES QUÍMICOS

LAS MOLÉCULAS SE FORMAN MEDIANTE ENLACES QUÍMICOS

LAS MOLÉCULAS SE FORMAN MEDIANTE ENLACES QUÍMICOS

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Enlaces de hidrógeno: se forman por la atracción de la carga parcial (+) del hidrógeno de una molécula y la carga parcial (–) del hidrógeno de otra molécula. Los enlaces de hidrógeno se forman entre moléculas de agua y son importantes en la estructura del ADN y proteínas

LAS PROPIEDADES DEL AGUA 

El agua tiene una estructura ÚNICA que la convierte en un es un solvente eficáz!

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Es una molécula polar 

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Forma enlaces de hidrógeno

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Tiene forma tetraédrica

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¿QUE MÁS?

LAS PROPIEDADES DEL AGUA

LAS PROPIEDADES DEL AGUA

LAS PROPIEDADES DEL AGUA 

¿Porque el agua moja?

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¿Como sube de las raíces a las hojas el agua?

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¿Porque el hielo flota?

¿DE QUÉ SE COMPONEN LOS ORGANISMOS?

• • • •

Proteinas Ácidos nucleicos Carbohidratos Lípidos

MACROMOLÉCULAS Macromoléculas: polímeros gigantes que se forman por reacciones de condensación e hidrólisis.

Macromolécula: > 1 kilodalton

Condensación e Hidrólisis de Polímeros

Condensación e Hidrólisis de Polímeros

MACROMOLÉCULAS • Proteínas: polímeros de aminoácidos • Carbohidratos: azúcares y polímeros de azúcares • Lípidos: moléculas insolubles en agua: glicerol, ácidos grasos, fosfolípidos, carotenoides, esteroides • Ácidos nucleicos: polímeros de nucleótidos

MACROMOLÉCULAS • Las funciones de las macromoléculas están relacionadas con su forma y las propiedades químicas de sus monómeros.

• Algunas de las funciones de las macromoléculas son:  –  –  –  –  –  –  –

Almacenamiento de energía Soporte estructural Transporte Protección y defensa Regulación de actividades metabólicas Movimiento, crecimiento y desarrollo Almacenamiento de información

¿DE DÓNDE SURGIERON LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS? Dos teorías: 1. La vida tiene origen extraterrestre 2. La vida se originó en la tierra por evolución química

¿DE DÓNDE SURGIERON LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS? • Origen extraterrestre

Meteorito ALH84001 (4500 millones de años)

PHOTO 3.1 LIFELIKE STRUCTURES ON MARS METEORITE ALH

84001. SEM.

¿DE DÓNDE SURGIERON LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS? • Origen de la vida segun la evolución química Las condiciones de la tierra primitiva dieron origen a las moléculas orgánicas Experimento de Stanley Miller y Harold Urey.

GRUPOS FUNCIONALES El comportamiento químico de un compuesto está dado por los GRUPOS FUNCIONALES Son grupos de H, N y O unidos a los esqueletos de carbono

PROTEÍNAS

Las diferencias entre los aminoácidos están dadas por los grupos R o cadenas terminales.

PROTEÍNAS

AA con cadenas hidrofílicas cargadas

PROTEÍNAS

AA con cadenas polares NO cargadas

PROTEÍNAS

AA con cadenas no-polares hidrofóbicas

FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS Función

Tipo de proteína

Catálisis

Enzimas

Defensa

Inmunoglobulinas, Toxinas, Antígenos de superficie

Transpor porte

Tran ransportadores de membran rana, transportadores circulantes

Soporte

Fibras

Movimiento

Músculo

Regul gulación

Osmótica, Génic nicos, Hormo rmonas nas

Almac Almacena enami mient ento o

Unión Unión de iones iones

Ejemplos Polimerasa Proteasas

Uso Sintesis DNA y RNA

ESTRUCTURAS PROTEICAS • Código de tres letras y de una letra para los AA Glicina

Gly

G

Tirosina

Tyr

Y

Alanina

Ala

A

Metionina

Met

M

Serina

Ser

S

Triptofano

Trp

W

Treonina

Thr

T

Asparagina

Asn

N

Cisteina

Cys

C

Glutamina

Gln

Q

Valina

Val

V

Histidina

His

H

Isoleucina

Ile

I

Leucina

Leu

L

Acido aspártico

Asp

D

Prolina

Pr o

P

Acido glutámico

Glu

E

Fenilalanina

Phe

F

Lisina

Lys

K 

Arginina

Arg

R 

ESTRUCTURAS PROTEICAS • Existen cuatro estructuras protéicas:

1. Primaria: secue secuenci ncia a de amino aminoáci ácido doss Estructura primaria de la Lisozima: Lisozima: KVFERCELARTLKRLGMDGYRGISLANWM CLAKWESGYNTRATNYNAGDRSTDYGIFQI NSRYWCNDGKTPGAVNACHLSCSALLQDN IADAVACAKRVVRDPQGIRAWVAWRNRCQ NRDVRQYVQGCGV

ESTRUCTURAS PROTEICAS 1. Primaria: secue secuenci ncia a de amino aminoáci ácido doss

ESTRUCTURAS PROTEICAS 2. Secundaria: patrones regulares repetidos en diferentes puntos de la cadena polipeptídica

Hélices α Láminas β

ESTRUCTURAS PROTEICAS 3. Terciaria: es la forma tridimensional del polipéptido completo El determinante primario de esta estructura es la interacción entre los grupos R por: Enlaces o puentes disulfuro (entre Cisteínas) Interacciones hidrofóbicas Enlaces iónicos Fuerza de Van der Waals Puentes de H

3. Terciaria: es la forma tridimensional del polipéptido completo

Interacciones no-covalentes entre Proteínas y otras Moléculas

UNIONES NO COVALENTES ENTRE PROTEÍNAS Y OTRAS MOLECULAS A través de grupos R

ESTRUCTURAS PROTEICAS 4. Cuaternarias: es la estructura final de la proteina, dada por la asociación de los diferentes polipéptidos

ESTRUCTURAS PROTEICAS 4. Cuaternarias

Hemoglobina

¿Se puede predecir la configuración de una proteina a partir de la secuencia? SI! NO! Pero...

• Antes: muy difícil • Ahora: en una semana se publican unas cuantas estructuras terciarias de proteínas. Por:  – Biotecnología ha permitido purificar  proteínas a mayor escala  – Avances computacionales para el análisis de datos atómicos = BIOINFORMÁTICA, PROTEÓMICA

PDB = Protein Data Bank http://www.rcsb.org/pdb/ 30263 modelos

PDB = Protein Data Bank: base de datos de modelos

JALVIEW (BARTON GROUP)

PDB = Protein Data Bank http://www.rcsb.org/pdb/ 30263 modelos

PDB = Protein Data Bank: http://www.rcsb.org/pdb/

PDB = Protein Data Bank

PDB = Protein Data Bank

Tres representaciones de Lisozima

Varias formas de representar una estructura terciaria.

DENATURACIÓN • Pérdida de la estructura tridimensional de una proteina  – Temperatura: Puentes H e Interaciones hidrofóbicas  – pH: Atracciones y repulsiones iónicas  – Concentración de sustancias polares y no polares: Puentes H

Denaturación es la Pérdida de la Estructura Terciaria y la Función de una Proteína

DENATURACIÓN • Proteínas a veces se unen a los ligandos equivocados (vaca loca)  – Denaturadas  – Recién sintetizada y no plegada correctamente

• Cómo lo evita la célula?  – Chaperoninas (o chaperonas) son proteinas especializadas que evitan que esto ocurra. • Unas ayudan al proceso de plegamiento • Otras evitan plegamiento hasta el momento adecuado

Chaperonas: Protegen a las Proteínas de Plegarse Inapropiadamente

CARBOHIDRATOS

CARBOHIDRATOS • Azúcares y polímeros de azúcares • Compuestos primordialmente de H - C – OH

• Dos funciones: 1. Fuente de energía (almacenamiento y transporte) 2. Componentes estructurales

CARBOHIDRATOS • Existen cuatro categorías principales:  – Monosacáridos: azúcares simples- glucosa, fructosa  – Disacáridos: dos monosacáridos  – Oligosacáridos: de 3 a 20 monosacáridos  – Polisacáridos: compuestos de cientos o miles de monosacáridos – almidón, glucógeno, celulosa

CARBOHIDRATOS • Todas las células contienen glucosa • C6 H12 O6 • La glucosa existe en dos formas: lineal y anillo (más abundante y más estable) • El anillo posee dos configuraciones: α y β

Monosacáridos: Glucosa >C=O

Monosacáridos: Glucosa

Numeración de carbonos estandar

Monosacáridos:

El más pequeño No forma anillo

Propiedades diferentes ARN ADN

Monosacáridos:

Son isómeros estructurales: C6H12O6 pero tienen propiedades bioquímicas (funciones) diferentes

Disacáridos: Es la unión de dos monosacáridos covalentemente por enlaces glicosídicos Glucosa + Fructosa = Sucrosa Glucosa + Galactosa = Lactosa

Digerible por nosotros y muchos organismos

No digerible por nosotros y muchos organismos (solo algunos microorganismos)

MALTOSA

CELULOSA Reconocidos por diferentes enzimas

Oligosacáridos: • Contienen más de dos monosacáridos • Se encuentran con frecuencia unidos a proteinas y lípidos de la superficie celular, y sirven de señales de reconocimiento

Oligosacáridos: • Los grupos sanguíneos ABO, son determinados por los oligosacáridos de la superficie celular  de los heritrocitos. • Son diferentes gracias a las cadenas de oligosacaridos

Oligosacáridos: GRUPOS SANGUÍNEOS

Polisacáridos: • Son cadenas larguísimas de monosacaridos unidos or enlaces glicosídicos

• Almidón: polisacárido de glucosa con enlaces glicosídicos α Almacenamiento de energía en plantas • Glucógeno: polisacárido de glucosa altamente ramificado Almacenamiento de energía en animales

Polisacáridos: • Celulosa: polisacárido de glucosa con enlaces glicosídicos β Componente de paredes vegetales, muy estable

Polisacáridos:

Polisacáridos: Difícilmente digerible

Celulosa

Fácilmente digeribles

Almidón

Glucógeno

Carbohidratos modificados • Los carbohidratos son modificados por la adición de grupos funcionales:  – Oxidación de un OH a COOH  – Adición de fosfato  – Adición de grupos amino

Carbohidrato Modificado Químicamente

Fosfato adicionado a uno a más sitios hidroxilo (—OH) da lugar a un azúcar-fosfato  importantes en obtención de energía en la célula

Carbohidrato Modificado Químicamente

Los grupos —OH pueden ser sustituidos por grupos amino convirtiéndose en amino-azúcares tal como glucosaminas y galactosamina. Son componentes escenciales de cartílago y tejido conectivo en vertebrados