Bioquímica General Intermedia Lehninger Principles of Biochemistry Fourth Edition David L. Nelson and Michael M. Cox Biomoléculas y Agua Capítulos 1 y 2

H, O, C y N constituyen 99+% de los átomos en el cuerpo humano Biomoléculas: H, O, C y N constituyen 99+% de los átomos en el cuerpo humano ELEMENTO PORCENTAJE Oxígeno 63.0 Hidrógeno 25.2 Carbono 9.5 Nitrógeno 1.4

Biomoléculas Qué propiedades unen al H, O, C y N y hace a estos átomos tan apropiados a la química de la vida? Su capacidad para formar enlaces covalentes compartiendo pares de electrones.

414 351 712 292

615 343 816

Cuál es la energía de disociación de un enlace covalente? Biomoléculas Cuál es la energía de disociación de un enlace covalente? Enlace Energía kJ/mol O-H 470 H-H 436 P-O 419 C-H 414 N-H 389 C-O 351 C-C 343 S-H 339 C-N 293 C-S 260 N-O 222 S-S 214 C=O 712 C=N 615 C=C 611 P=O 502 C≡C 816 N ≡N 930

Dos Aspectos Importantes sobre las Fuerzas Débiles Reconocimiento Biomolecular es mediado por fuerzas químicas débiles Fuerzas débiles restringen a los organismos a un rango estrecho de condiciones ambientales

Propiedades de Biomoléculas Reflejan su Aptitud a la Condición Viviente van der Waals: 0.4-4.0 kJ/mol Puentes de Hidrógeno: 12-30 kJ/mol Enlaces Iónicos : 20 kJ/mol Interacciones Hidrofóbicas : <40 kJ/mol Covalentes: 200-450 kJ/mol

Componentes moleculares de una E. coli % del peso total Número de especies de la célula moleculares Agua 70 1 Proteínas 15 3,000 Acidos nucleicos DNA 1 1 RNA 6 >3,000 Polisacáridos 3 5 Lípidos 2 20 Subun. monoméricas 2 500 e intermediarios Iones inorgánicos 1 20

Hidroxilo (alcohol) Carbonilo (aldehído) Carboxilo

carboxilo amino imidazol

Epinefrina metilo amino hidroxilos fenilo

Todos los organismos vivos “construyen”moléculas con los mismos monómeros La estructura de una macromolécula determina su actividad biológica Cada género y especie está definida por su set de macromoléculas

pueden formar con 8 subunidades? 268 (2.11 x 1011) 48 (65,536) 208 (2.56 x 1010) Subunidades monoméricas Letras del deoxiribo- Amino alfabeto nucleótido acido (26) (4) (20) Palabras DNA Proteína Secuencias lineales ordenadas Cuántas secuencias se pueden formar con 8 subunidades?

Aminoácidos Adenina Acido palmítico Glucosa Proteínas Hormonas peptídicas Neurotransmisores Alcaloides tóxicos Acidos nucleicos ATP Coenzimas Lípidos de membrana Grasas Ceras Celulosa Almidón Fructosa Manosa Sucrosa Lactosa

AGUA Propiedades del Agua pH Buffers Papel del agua en ambiente

Punto de fusión, ebullición y calor de vaporización de algunos solventes comunes Fusión Ebullición Calor de (C) (C) vaporiz. (J/g)* Agua 0 100 2,260 Metanol (CH2OH) - 98 66 1,100 Propanol (CH3(CH2)2CH2OH) -127 97 687 Butanol (CH3(CH2)2CH2OH -90 117 590 Acetona (CH3COCH3) -95 56 523 Benceno (C6H6) 6 80 394 Cloroformo (CHCl3) -63 61 247 * medida de energía requerida para romper fuerzas atracción entre moléculas

Propiedades del Agua Alto punto de fusión, ebullición, tensión superficial Compuesto polar Donador y aceptor de puentes de H Potencial para formar 4 puentes de H por agua

Comparasión entre Hielo y Agua Puentes de H y Movimiento Hielo: 4 puentes-H por molécula de agua Agua: 2.3 puentes-H por molécula de agua Hielo: tiempo de vida de puente de H – aprox. 10 microsec Agua: tiempo de vida de puente de H – aprox. 10 psec (10 psec = 0.00000000001 sec)

átomos electronegativos Aceptor de hidrógeno Donador de átomos electronegativos

Hidroxilo de alcohol y H2O Carbonilo de cetona Grupos peptídicos en polipéptido Entre bases complementarias del DNA

Propiedades Solventes del Agua Iones están siempre hidratados en agua y llevan alrededor una “cubierta de hidratación" Agua forma puentes de H con solutos polares, p.ej. glucosa Interacciones Hidrofóbicas

Cabeza: grupo hidrofílico Moléculas altamente ordenadas forman “jaulas” alrededor de las cadenas hidrofóbicas

Interacciones Hidrofóbicas Un soluto no polar "organiza" el agua La red de puentes de H del agua se reorganiza para acomodar al soluto no polar Esto es un incremento en el "orden" del agua Esto es una disminución de la ENTROPIA < 40 kJ/mol; covalente entre 200-400 kJ/mol)

Moléculas Anfifílicas También llamadas "anfipáticas" Se refiere a moléculas que contienen tanto grupos polares como no polares También: moléculas que son atraídas a ambientes tanto polares como no polares Ejemplos – ácidos grasos

Moléculas de agua altamente ordenadas forman “jaulas” alrededor de cadenas alifáticas hidrofóbicas Cabeza grupo hidrofílico Cola hidrofóbica alifática

Lípidos dispersos en H2O Cada molécula lipídica fuerza las moléculas de agua que lo rodea a que estén altamente ordenadas

Clusters de moléculas lipídicas dispersos en H2O Sólo porciones de lípidos hacia los bordes del cluster fuerzan el ordenamiento del agua. Existen menos moléculas de H2O ordenadas y la entropía aumenta

Compuestos anfipáticos en solución Micelas Todos los grupos hidrofóbicos están secuestrados del agua; se minimiza la capa de moléculas de agua y la entropía aumenta

Cuatro tipos de Interacciones No covalentes (“Débiles”) entre biomoléculas en solvente acuoso

AGUA H20 H+ + OH- [H+] [OH-] Ke =-------------- [H2O] Prácticamente todas las reacciones químicas ocurren en solución. Agua es solvente más común para esas rxns Agua :solvente universal para sistemas biológicos Molécula se puede disociar en cantidades extremadamente pequeñas para formar: iones hidronio/protones: H3O+ o H+ iones hidroxilo: OH- H20 H+ + OH- [H+] [OH-] Ke =-------------- [H2O]

Si Ke x [H2O] = Kw Kw = [H+] [OH-] Kw = 10-14, por tanto, en agua pura (neutra): [H3O+] = [OH-] = 10-7 mol/litro [H+] [OH-] Ke =-------------- [H2O] Ambos componentes deben cambiar en direcciones opuestas A medida que [H3O+] aumenta, [OH-] debe disminuir Si sabemos una de las dos concentraciones, automáticamente sabremos la otra Si Ke x [H2O] = Kw Kw = [H+] [OH-]

[H+](M) pH [OH-](M) pOH ESCALA DE pH [H+](M) pH [OH-](M) pOH 100 M (1) 0 10-14 14 10-1 1 10-13 13 10-2 2 10-12 12 10-3 3 10-11 11 10-4 4 10-10 10 10-5 5 10-9 9 10-6 6 10-8 8 10-7 7 10-7 7 10-8 8 10-6 6 10-9 9 10-5 5 10-10 10 10-4 4 10-11 11 10-3 3 10-12 12 10-2 2 10-13 13 10-1 1 10-14 14 100 0

El pH y la [H+] en los fluidos corporales Fluido pH [H+] mol/L Plasma Acidemia extrema 7.0 1 x 10-7 Normal 7.4 4 x 10-8 Alcalemia extrema 7.7 2 x 10-8 Jugo pancreático 8.0 1 x 10-8 Acidez urinaria máxima 4.5 3 x 10-5 Jugo gástrico 2.0 1 x 10-2

A C I D O S Molécula capaz de donar protones Si una molécula capaz de disociarse para producir H+ es añadida al agua, protón se combinará con H2O para formar más H3O+ A C I D O S HCl + H20  H+ + Cl- Aumenta cantidad de H+/H3O+ de la solución y pH cambia (baja)

B A S E OH- + H30+ H20 NH3 + H30+ NH4+ + H20 Molécula capaz de aceptar protones NaOH + H2O+ Na+ + OH- Si molécula capaz de disociarse para producir OH- es añadida al agua, OH se combinará con H+/H3O+ reduciendo su concentración, pH cambia (aumenta) OH- + H30+ H20 NH3 + H30+ NH4+ + H20 Algunas bases aceptan directamente un protón

FUERZA DE LOS ACIDOS Y BASES Facilidad con la que aceptan o donan protones Un ácido FUERTE se ioniza casi totalmente y cambia el pH de manera marcada FUERZA DE LOS ACIDOS Y BASES Lo mismo para una base fuerte, p.ej. NaOH HCl + H20  H30+ + Cl- NaOH +H20  Na+ + OH-

FUERZA DE LOS ACIDOS Y BASES Un ácido débil como el acético, se ioniza muy poco en agua FUERZA DE LOS ACIDOS Y BASES Una base débil como amonio, acepta pocos protones de la solución acuosa CH3-COOH + OH- CH3-COO- + H2O NH3 + H30+  NH4+ + H20 Ninguno de ellos cambia el pH de manera significativa

HA (ácido)  A- (base conjugada) + H+ PARES ACIDO – BASE CONJUGADOS Cuando un ácido se disocia (dona un protón) el producto ya no es más un ácido porque no tiene más protones que donar. HA (ácido)  A- (base conjugada) + H+ El producto de la disociación de un ácido es la base conjugada de dicho ácido. De manera similar, cuando una base se ioniza (acepta un protón), forma un ácido conjugado. Estos se denominan pares ácido/base. Lo que se forma es una base Esta puede aceptar un protón y reconvertirse en un ácido A- (base conjugada) + H+  HA (ácido)

BUFFERS O TAMPONES La solución dentro de las células (el fluido intracelular), y la solución fuera de las células (fluido extracelular), son soluciones acuosas y mantienen un rango muy estrecho de [ H+] o propiamente dicho, de pH. Las funciones metabólicas (bioquímicas) del cuerpo funcionan sólo dentro de este rango estrecho de pH. Varios eventos metabólicos y exógenos pueden cambiar el balance ácido/base del cuerpo. Estos cambios son contrarrestados de varias formas, una de las cuales es mediante los buffers. Los buffers son soluciones que resisten el cambio de pH. Un buffer es una mezcla de un ácido débil y su base conjugada.

CH3-COOH CH3-COO- + H+ [CH3 – COO-] [H+] Ka = ______________ Acido débil Base conjugada Acético Acetato [CH3 – COO-] [H+] Ka = ______________ [CH3 – COOH] [A-] [H+] Ka = _______ [HA]

Ecuación de Henderson-Hasselbach [A-] [H+] Ka = _______ [HA] log Ka = log [A-] + log [H+] – log [HA] -log [H+] = - log Ka + log [A-] - log [HA] Ecuación de Henderson-Hasselbach

LISOSOMAS

TAREA Cómo funciona el buffer bicarbonato en los mamíferos? Por qué funciona como buffer al pH fisiológico de la sangre (pH aprox. 7.4) y no funciona como buffer a ese mismo pH en un tubo de ensayo?