CIENCIAS MEDICAS DE LA HABANA INSTITUTO SUPERIOR DE CIENCIAS MEDICAS DE LA HABANA INTRODUCCION AL ESTUDIO DE LAS BIOMOLECULAS Lic. Gilberto Tárano Cartaya Profesor Titular de Bioquímica

Sumario - Composición de la materia viva. - Bioelementos y biomoléculas. - Fuentes de estabilidad: enlaces e interacciones. - El agua.

Objetivos Citar los principales elementos químicos que componen la materia viva. Destacar la importancia de las fuerzas que unen los átomos en la formación de las biomoléculas. Mencionar las principales interacciones débiles que colaboran a la estabilidad de las biomoléculas. Citar las propiedades del agua.

¿Tenemos algo en común?

¿Tenemos algo en común?

Composición general de la materia viva. Composición elemental: bioelementos. La combinación de los bioelementos en grupos funcionales por medio de enlaces fuertes. Multifuncionalidad originando a las biomoléculas.

Los invito a un análisis. Observemos la siguiente diapositiva. Construya una lista de los seis principales elementos presentes en las moléculas orgánicas: biomoléculas.

La tabla periódica.

Los seis elementos básicos para las moléculas de la vida: C H O N S P

¿En cuales de las biomoléculas los encontramos?

Los seis elementos básicos para las moléculas de la vida:

¿Quién cree UD que es el más abundante en nuestro organismo? Elemento Símbolo % Oxígeno O 63.0 Hidrógeno H 25.2 Carbono C 9.5 Nitrógeno N 1.4 total 99.1

Menos del 1% restante de la composición de nuestro organismo se reparte en otros bioelementos… Símbolo Fósforo P Azufre S Calcio Ca Cloro Cl Magnesio Mg Sodio Na Potasio K

Otros bioelementos forman parte de nuestro organismo pero en muy pequeñas cantidades, se les llama oligoelementos o elementos esenciales. Para reflejar la importancia destacaremos a dos de ellos: El yodo y el fluor.

Su importancia tiene que ver con la cantidad adecuada como veremos a continuación: Pueden causar daño cuando en nuestra nutrición se encuentran en exceso o en defecto.

El iodo: efectos de su deficiencia nutricional.

Bocio endémico: Una mujer del Congo con un típico bocio endémico. Tres mujeres del Himalaya con típico bocio endémico.

Cretinismo Un adulto masculino del Congo con tres mujeres del mismo rango de edad (17-20 años), todos los cuales sufren de cretinismo mixedematoso.

Severa enfermedad deficitaria de Iodo: Una mujer enana con cretinismo con su médico de familia. Ambas con la misma edad (35 años) del Distrito de Hetian, Xinjiang, China. (Courtesía de la Dra Ma Tai of Tianjin).

Retardo Mental Un hombre de Ecuador de 40 años de edad, sordo-mudo, incapaz de mantenerse parado o caminar. El uso de las manos está fuertemente limitado a pesar de la extrema espasticidad de las extremidades superiores.

Minerales: efectos de su exceso nutricional. Fluor

Fluorosis dental por exceso de fluor antes de los 8 años de edad.

Biomoléculas. SIMPLES: Oxígeno molecular — O2 Nitrógeno molecular – N2 COMPUESTAS: Orgánicas --- Glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Inorgánicas – H2O y sales minerales

¿Cómo surgen las biomoléculas? Como resultado de la formación de enlaces covalentes entre los átomos. Mediante estos enlaces surgen los grupos funcionales que caracterizan a familias de sustancias. A continuación estudiaremos las agrupaciones atómicas más frecuentes encontradas en las biomoléculas.

Los grupos funcionales: Grupo funcional Representación Hidroxilo -OH Carbonilo = C = O Carboxilo - C O O H Amino - NH2 Amida - C O NH2 Sulfhídrilo - S H

Ejemplos de multifunciones: Aunque el hidroxilo es característico de los alcoholes y el carbonilo de los aldehídos y de las cetonas, su presencia en un mismo átomo de carbono crea un GRUPO CARBOXILO. Ejemplos: los ácidos orgánicos:

Ejemplos de multifunciones: Si un ácido orgánico presenta un grupo amino en la posición alfa se está en presencia de un aminoácido.

Ejemplos de multifunciones: Una cetona polihidroxilada: la fructosa, un monosacárido.

Ejemplos de multifunciones: Un aldehído polihidroxilado: la glucosa, un monosacárido.

Ejemplos de multifunciones: Un nucleótido como biomolécula multifuncional.

Fuentes de estabilidad: enlace e interacciones. Estos grupos funcionales son estables en medio acuoso. Sus átomos están unidos por medio de enlaces covalentes y esto los hace fuertes y estables. Estos grupos funcionales pueden establecer interacciones entre ellos.

Enlace químico e interacciones no covalentes

Estructura electrónica de algunos elementos 1s 2s 2p 2p 2p H C N O F Ne 1s 2s 2p 2p 2p 1s 2s 2p 2p 2p 1s 2s 2p 2p 2p 1s 2s 2p 2p 2p

Enlaces covalentes 1. Compartición de electrones en orbitales moleculares 2. Estado sólido, líquido y gaseoso 3. Fuertes (>50 kcal/mol) 4. Tantos como orbitales con electrones desapareados 5. Determinan la estabilidad de la biomolécula.

Hibridación de orbitales C C C C Sin hibridación sp3: tetraedro 1s 2s 2p 2p 2p Hibridación de orbitales C Sin hibridación 1s sp3 sp3 sp3 sp3 C sp3: tetraedro 1s sp2 sp2 sp2 2p C sp2: triángulo 1s sp sp 2p 2p C sp: lineal

Energía de enlaces covalentes, kcal/mol H-H 103 H-Cl 102 HO-H 119 H2N-H 107 H3C-H 102

Interacciones débiles: Fuerzas de van der Waals. Puentes de hidrógeno. Interacciones iónicas o salinas. Interacciones hidrofóbicas.

- Son interacciones muy débiles. Fuerzas de van der Waals - Son interacciones muy débiles. - En el medio biológico tienen importancia en ausencia de agua. Rotas por detergentes. Se establecen entre núcleos de átomos y los electrones de otros.

Puentes de hidrógeno - Compartición de un protón entre dos pares electrónicos - Dador: Grupo X-H - Aceptor: Grupo Y: con un par electrónico Débil (mucho más fuerte que las interacciones de van der Waals)

Algunos puentes de hidrógeno

Algunos puentes de hidrógeno

El agua.

ADN Estructura mantenida por puentes de H

Par Adenina-Timina

Par Guanina-Citosina

Proteínas: Estructura en a-hélice

Interacciones iónicas o salinas - Entre grupos de carga opuesta en solución - Débiles (más fuertes que int. de van der Waals) - Los iones participantes aparecen solvatados. - Rotas por altas concentraciones salinas, por pH extremos.

Nucleosoma: Asociación ADN-histonas

Interacciones hidrofóbicas: Sumamente frecuentes en los ácidos nucleicos y las proteínas. Esenciales para la morfoestructuración de las membranas biológicas. Se establece entre los residuos de las biomoléculas que tienen características apolares.

Interacciones hidrofóbicas:

El agua Las biomoléculas existen en un ambiente acuoso. Participa de muchas reacciones químicas de la célula. Determinar muchas propiedades biológicas de las macromoléculas. Propiedades extraordinarias para apoyar la vida. La molécula está altamente polarizada. La temperatura de fusión y de ebullición son inusuales en compuestos semejantes. Considerada un solvente casi universal. Medio de intercambio de sustancias para la célula.

Resumen: La seres vivos estamos formados por los mismos átomos de C, H, O, N, P y S. Estos por medio de los enlaces covalentes se integran formando las biomoléculas como los lípidos, los glúcidos, las proteínas y los ácidos nucleicos, donde para estas dos últimas el papel de las interacciones débiles es esencial para poder efectuar sus funciones.

Actividades a desarrollar en relación con esta introducción. Clase Taller No. 1: Ácidos grasos y monosacáridos. Clase Taller No. 2: Nucleótidos y aminoácidos.

Bibliografía: Básica Capítulo 2: Introducción al estudio de las biomoléculas. Texto Provisional de Morfofisiología I. Colectivo de autores del ICBP Victoria de Girón. Complementaria Bioquímica, Cardellá-Hernández.