Macromoléculas: Proteínas, lípidos, carbohidratos y ácidos nucleicos

Macromoléculas Macromoléculas: Polímeros Gigantes Polímeros están formados por enlaces covalentes entre unidades más pequeñas llamadas monómeros Reacciones de Condensación e Hidrólisis Proteínas: Polímeros de Amino-Ácidos Carbohidratos: Azúcares y Polímeros de Azúcar Lípidos: Moléculas Insolubles en Agua, enlaces no covalentes Ácidos Nucleicos: Macromoléculas de Información que pueden ser Catalíticas Vida desde la Vida

Macromoléculas: Polímeros Gigantes Estas macromoléculas son conservadas en todos los seres vivientes (ancestría común) Están presentes en todos los organismos en la misma proporción aproximadamente. Ventajas…. los organismos adquieren los elementos bioquímicos que necesitan, alimentándose de otros organismos.

Grupos Funcionales Cuales son los mas polares, busque enlaces C-O, N-H, P-O Grupo funcional: grupo de átomos con propiedades químicas específicas y comportamiento consistente Confiere esta propiedad a una molécula grande a la cual está pegado Una macromolécula puede tener varios grupos funcionales unidos

Grupos Funcionales Grupo funcional: grupo de átomos con propiedades químicas específicas y comportamiento consistente Confiere esta propiedad a una molécula grande a la cual está pegado Una macromolécula puede tener varios grupos funcionales unidos

Unidades Constitutivas de los Organismos 70% es agua

Macromoléculas: Polímeros Gigantes 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 info

¿Cómo se forman los polímeros? Reacciones de Condensación e Hidrólisis Polímeros se forman en reacciones de condensación o deshidratación en las cuales un OH de un monómero se une a un H de otro monómero (agua) Se requiere de energía para romper o para hacer un polímero. La reacción contraria, en la cual los polímeros se descomponen en sus unidades básicas (monómeros) se llama reacción de hidrólisis. Libera energía….

Proteínas

Proteínas: Polímeros de Amino-Ácidos Las Proteínas son polímeros de amino ácidos. Existen 20 aa Polipéptido… Las cadenas polipeptídicas se pliegan específicamente en 3-D El tamaño de las proteinas varía de unos pocos aminoácidos a unos millones de éstos. El plegamiento es crucial para el funcionamiento de una proteína y está influenciado por la secuencia de aminoácidos. Polypeptide chain: single, unbranched chain of amino acids

Funciones de las proteínas • Soporte estructural • Protección • Transporte • Catálisis • Defensa • Regulación • Movimiento

Proteínas: Polímeros de Amino-Ácidos Un amino ácido tiene cuatro grupos unidos al átomo de carbono central: Un átomo de hidrógeno Un grupo amino (NH3+) El ácido es un grupo carboxilo (COO–). Las diferencias entre los aminoácidos están dadas por los grupos R o cadenas terminales.

Estos aa son hidrofílicos y atraen iones de carga opuesta Los Veinte Amino-Ácidos que constituyen las Proteínas Los amino ácidos pueden ser clasificados de acuerdo a las características de sus grupos R (Grupos funcionales). Estos aa son hidrofílicos y atraen iones de carga opuesta

Estos forman puentes de hidrógeno Los Veinte Amino-Ácidos que constituyen las Proteínas Estos forman puentes de hidrógeno Cisteína tiene un grupo sulfhidrilo (- SH) forma enlaces disulfuro covalentes (—S—S—). Glicina tiene un átomo de hidrógeno como grupo R. Pequeña – bolsillos hidrofóbicos Prolina tiene un grupo amino modificado que forma un enlace covalente con el grupo R, formando un anillo. No permite hacer giros apretados

Los Veinte Amino-Ácidos que constituyen las Proteínas

Puentes disulfuro Puentes disulfuro

Proteínas: Polímeros de Amino-Ácidos Las proteínas son sintetizadas por reacciones de condensación entre el grupo amino y un grupo carboxilo de otro. Esta unión forma un enlace peptídico. Normalmente durante la traducción de un mRNA

Figura 3.5 Formación de enlaces peptídicos

Las proteínas están compuestas de: Amino ácidos Amino Lípidos Amino azúcares Amidas

REPASO: Reacciones de condensación e hidrólisis Energía A polímeros o monómeros Macromoléculas Cada una qué monómero?

Estructura proteíca primaria secundaria terciaria cuaternaria

Esqueleto N-C-C-N-C-C-N-C-C Estructura primaria Esqueleto N-C-C-N-C-C-N-C-C Estructura primaria de la Lisozima: KVFERCELARTLKRLGMDGYRGISLANWMCLAKWESGYNTRATNYNAGDRSTDYGIFQINSRYWCNDGKTPGAVNACHLSCSALLQDNIADAVACAKRVVRDPQGIRAWVAWRNRCQNRDVRQYVQGCGV

Estructura secundaria en proteínas: Hélices α • Hélices α — hélice o espiral con vuelta a la derecha que resulta de enlaces de H. Entre N-H de un aa con C=O de otro - periódico Los grupos R sobresalen del esqueleto peptídico Muy común en proteinas fibrosas estructurales. Ejemplos son: queratina de cabello, plumas y pezuñas. La estructura secundaria consiste de patrones regulares y repetidos en diferentes regiones en la cadena peptídica. Esta forma está determinada principalmente por puentes de hidrógeno entre N-H y C=O de diferentes aminoácidos Las estructuras secundarias más comunes son las hélices a y láminas b.

Estructura secundaria en proteínas: Láminas β • Láminas β — 2 o más cadenas de polipéptidos se alinean Entre N-H de un aa con C=O de otro - periódico Puede ser: Mismo péptido o diferentes (cuaternaria). Ej: Las telarañas están hechas de láminas β de diferentes peptidos.

Muchas proteínas tienen las dos estructuras Los cuatro niveles de la estructura de las proteínas Muchas proteínas tienen las dos estructuras

Proteínas: Polímeros de Amino-Ácidos La estructura terciaria es la forma tri- dimensional 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 F de Van der Waals Puentes de H Van der Waals forces include attractions between atoms, molecules, and surfaces. They differ from covalent and ionic bonding in that they are caused by correlations in the fluctuating polarizations of nearby particles (a consequence of quantum dynamics).

Figura 3.4 Un puente disulfuro

Figura 3.6 Los cuatro niveles de la estructura proteica (Parte 3)

Proteínas: Polímeros de Amino-Ácidos Descripción de la estructura terciaria: localización espacial de cada átomo en relación a los otros Alta tecnológía para determinarla

Proteínas: Polímeros de Amino-Ácidos 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

Bases de Datos de estructura ¿Como se obtiene la estructura 3-D de proteínas? - Cristalografía de rayos X - Resonancia magnetica nuclear (NMR) ¿Qué información contienen las bases de datos de estructura? - Un resumen práctico de datos experimentales - No son datos recogidos directamente de los instrumentos - No son una transformación matemática de los datos - Los datos son las coordenadas de cada átomo (x, y, z)

PDB = Protein Data Bank: base de datos de modelos

PDB = Protein Data Bank http://www.pdb.org/ 66961 modelos

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

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

PDB = Protein Data Bank

PDB = Protein Data Bank

Varias formas de representar una estructura terciaria…. Tres representaciones de Lisozima Varias formas de representar una estructura terciaria….

Proteínas: Polímeros de Amino-Ácidos Estructura Cuaternaria es el resultado de la forma en que múltiples unidades de polipeptidos se unen e interactúan. Un ejemplo de este tipo de estructura es la hemoglobina la cual tiene cuatro sub-unidades.

Estructura Cuaternaria

Proteínas: Polímeros de Amino-Ácidos La forma y la química de la superficie son cruciales para el funcionamiento de las proteinas: Enzimas – sustrato y cofactores Transporte: entrada de sustancias a la célula. Receptores en la superficie celular ……. La combinación de atracciones, repulsiones e interacciones determina la unión correcta.

Denaturación es la Pérdida de la Estructura Terciaria y la Función de una Proteína Estructura terciaria definida por fuerzas débiles. Alteración por: Temperatura: Puentes H e Interac. Hidrofóbicas pH: Atracciones y repulsiones iónicas Concentración de sustancias polares y no polares: Ptes H La pérdida de la estructura tridimensional normal de una proteina se llama denaturación.

Proteínas: Polímeros de Amino-Ácidos Proteínas a veces se unen a los ligandos equivocados 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 Azúcar Carbohidratos son moléculas de carbono con grupos hidrógeno e hidroxilo. Tienen la forma general: Cn(H2O)n Actúan como almacenamiento de energía y transporte de moléculas. Son también componentes estructurales.

Carbohidratos: Azúcares y Polímeros de Azúcar Existen cuatro categorías principales: Monosacáridos Disacáridos, consisten de dos monosacáridos Oligosacáridos, consisten de 3 a 20 monosacáridos Polisacáridos, compuestos de cientos o miles de monosacáridos

Células usan glucosa (monosacárido) como fuente de Energía Existe como cadena larga o como anillo. El anillo es más común, más estable

De una forma de glucosa a otrq

Carbohidratos: Azúcares y Polímeros de Azúcar Diferentes monosacáridos tienen diferente número de carbonos. Hexosas (azúcares de seis carbonos) incluyen isómeros estructurales de glucosa, fructosa, manosa y galactosa. Pentosas son azúcares de cinco carbonos.

Propiedades diferentes ADN ARN Monosacáridos son Azúcares Simples El más pequeño No forma de anillo Propiedades diferentes ADN ARN

Todos son C6H12O6 pero son isómeros estructurales Monosacáridos son Azúcares Simples Todos son C6H12O6 pero son isómeros estructurales Tienen propiedades bioquímicas diferentes

Carbohidratos: Azúcares y Polímeros de Azúcar Monosacáridos están unidos unos a otros covalentemente. Los enlaces se llaman enlaces glicosídicos. Disacáridos tiene sólo uno de estos enlaces: sacarosa, lactosa, maltosa, celobiosa.

Reconocidos por diferentes enzimas Disacáridos (Reacción de condensacion) Digerible por nosotros y muchos organismos No digerible por nosotros y muchos organismos (solo algunos microorganismos) Reconocidos por diferentes enzimas

Carbohidratos: Azúcares y Polímeros de Azúcar Oligosacáridos contienen más de dos monosacáridos. Pueden incluir otros grupos funcionales Se unen a proteínas o a lípidos en la superficie de la célula funcionan como señales de reconocimiento. Ej: Los tipos sanguineos en humanos ABO le deben su especificidad a cadenas de oligosacáridos.

Carbohidratos: Azúcares y Polímeros de Azúcar Polisacáridos son polímeros gigantes de monosacáridos conectados entre sí por enlaces glicosidicos. Almidón es un polisacárido de glucosa con enlaces a- 1,4 Celulosa es un polímero gigante de glucosa unido por un enlace b-1,4

Polisacáridos

Carbohidratos: Azúcares y Polímeros de Azúcar Los almidones varían por la cantidad de ramificaciones. Almidón animal llamado glicógeno, es un polisacárido altamente ramificado. Dificilmente digerible Facilmente digeribles Celulosa Almidón Glicógeno

Carbohidratos: Azúcares y Polímeros de Azúcar Los almidones varían por la cantidad de ramificaciones. Almidón animal llamado glicógeno, es un polisacárido altamente ramificado. Celulosa Almidón Glicógeno

Carbohidratos: Azúcares y Polímeros de Azúcar 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

Componente de la Quitina Componente del cartílago Los grupos —OH pueden ser sustituidos por grupos amino convirtiéndose en amino-azúcares tal como glucosaminas y galactosamina.

Figura 3.17 Carbohidratos modificados químicamente (Parte 4)

Lípidos

Lípidos: Moléculas Insolubles en Agua Lípidos son insolubles en agua Por qué? Enlaces covalentes no polares Se agregan entre ellos, lejos del agua No son polímeros estrictamente hablando – las moléculas individuales no están unidas por enlaces covalentes

Lípidos: Moléculas Insolubles en Agua Funciones principales en los organismos: Almacenamiento de energía (grasas y aceites) Membranas celulares (fosfolípidos) Captura de la energía lumínica (carotenos) Hormonas y vitaminas (esteroides y ácidos grasos modificados) Aislamiento térmico Aislamiento eléctrico de los nervios Repelencia al agua (ceras y aceites)

Lípidos: Moléculas Insolubles en Agua GRASAS Y ACEITES Almacen energía Éstos son triglicéridos, compuestos de tres moléculas de ácidos grasos + una molécula de glicerol.

Síntesis de un Triglicérido

Más flexibles, líquidos a T amb. Aceites vegetales Ácidos Grasos Saturados e Insaturados INSATURADOS Más flexibles, líquidos a T amb. Aceites vegetales SATURADOS rígidos, rectos y sólidos a temperatura ambiente. Grasa animal

Lípidos: Moléculas Insolubles en Agua Fosfolípidos tienen dos colas de ácidos grasos hidrofóbicas y un grupo fosfato hidrofílico unido al glicerol. Se organizan en ambientes acuosos

Fosfolípidos Forman una Bicapa La bicapa….. anfipáticos

Lípidos: Moléculas Insolubles en Agua Carotenos son pigmentos que absorben luz y se encuentran en plantas y animales. b-caroteno: atrapa luz durante la fotosíntesis En animales: se rompe y se convierte en Vitamina A

Lípidos: Moléculas Insolubles en Agua Esteroides son moléculas de señalización. Compuestos orgánicos con una serie de anillos fusionados. Colesterol: Necesario en membranas celulares de animales y precursor de hormonas (Testosterona y estrógeno)

Lípidos: Moléculas Insolubles en Agua Ceras son moléculas altamente polares hechas de ácidos grasos saturados unidos a alcoholes grasos. Repelen agua y previene la pérdida de agua en estructuras como el pelo, plumas y hojas.

Ácidos nucleicos

Ácidos Nucleicos: Macromoléculas de Información Que Pueden Ser Catalíticas Ácidos Nucleicos son polímeros especializados en el almacenamiento y transmisión de información. Monómero: nucleótido Existen dos tipos de acidos nucleicos: DNA (ácido deoxiribonucleico) y RNA (ácido ribonucleico).

Ácidos Nucleicos: Macromoléculas de Información Que Pueden Ser Catalíticas Almacenamiento y transmisión de información Son polímeros de nucleótidos. Un nucleótido consiste de un azúcar pentosa, un grupo fosfato y una base que contiene nitrogéno.

ADN—desoxiribosa ARN—ribosa

Ácidos Nucleicos: Macromoléculas de Información Que Pueden Ser Catalíticas ADN es de dc generalmente. Las dos cadenas de polímeros son unidas a través de puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. Clases: Purinas tienen una estructura de doble anillo. Pirimidinas tienen solo un anillo. La unión de las bases es complementaria: Purina con pirimidina

Fosfodiester entre C3 y C5= Azucar-Fosfato-A-P-A-P-A-P Características de Diferenciación entre ADN y ARN Fosfodiester entre C3 y C5= Azucar-Fosfato-A-P-A-P-A-P

Ácidos Nucleicos: Macromoléculas de Información Que Pueden Ser Catalíticas Los enlaces que unen los nucleótidos: enlaces fosfodiester. Entre C3 y C5 de la ribosa Resultado: Azucar-Fosfato-Azucar-Fosfato….. Antiparalelas Las hebras de ADN forman una doble hélice, una molécula con giro hacia la derecha.

Ácidos Nucleicos: Macromoléculas de Información Que Pueden Ser Catalíticas ARN Diferente de DNA:

Ácidos Nucleicos: Macromoléculas de Información Que Pueden Ser Catalíticas ARN Diferente de DNA: Solo una cadena U vs T Ribosa vs desoxirribosa Pero: Los puentes de hidrógeno entre los ribonucleótidos en el ARN pueden resultar en formas tridimensionales complejas.

Puentes de Hidrógeno en ARN

Table 3.3

Ácidos Nucleicos: Macromoléculas de Información Que Pueden Ser Catalíticas ADN y filogenia: qué tan parecido es parecido? Especies cercanas: Secuencia de ADN más parecida que especies lejanas Confirmación/refutación de las clasificaciones tradicionales Comparaciones de DNA confirman que nuestros “parientes” más cercanos son los chimpancés: compartimos más del 98% de nuestras secuencias de DNA.

Ácidos Nucleicos: Macromoléculas de Información Que Pueden Ser Catalíticas Otros roles de nucleótidos (no de ADN y ARN): El ribonucleótido ATP actúa como un transductor de energía en múltiples reacciones bioquímicas. El ribonucleótido GTP provee la energía necesaria para la síntesis de proteínas. cAMP (AMP cíclico) es un ribonucleótido especial que es esencial para la acción de las hormonas y la transferencia de información en el sistema nervioso.

Teorías del Orígen de la Vida Las organismos vivientes están compuestos por los mismos elementos que el universo inanimado. La disposición de esos elementos en los sistemas biológicos es única. Existen dos teorías para el origen de la vida: Vida a partir de fuentes extraterrestres Evolución química

Teorías del Orígen de la Vida Vida a partir de fuentes extraterrestes ¿Pudo la vida haber venido de algún lugar fuera de la Tierra? La composición de los meteoritos sugiere que algunas de las moléculas complejas pudieron haber venido de fuera (nucleótidos, aminoácidos…). Calor de la atmósfera mató los organismos en ellos? Debatido…. No hay pruebas…

Teorías del Orígen de la Vida Evolución Química Condiciones de la tierra primitiva llevaron a formación de moléculas únicas para la vida?

Síntesis de Moléculas Prebióticas bajo una Atmósfera Experimental En los años 50’, Stanley Miller y Harold Urey montaron una atmosfera “primitiva” experimental y usaron chispas eléctricas para simular rayos. En pocos días, el sistema contenía nucleótidos, aminoácidos…

Teorías del Orígen de la Vida Las fases tempranas de la evolución química pudieron resultar en el surgimiento de polímeros que probablemente han permanecido casi invariables, por 3.8 billones de años.

RNA como molécula de origen de la vida? Dogma central de la biología molecular? RNA almacena información y puede ser catalítico! Ribozimas – estructura secundaria Puede hacer copias de sí mismo y es el catalizador en la síntesis de proteínas Origen de la vida centrado en molécula de RNA que luego se asoció con otras?

Teorías del origen de la vida Qué vino primero, ácidos nucleicos o proteínas? Ciertas moléculas de ARN se conocen como ribozimas y pueden tener actividad catalitica. Propuesto: la vida existió en forma de RNA primero (es una molécula de información y puede ser catalítica: sintetizar proteínas) Y cómo se originaron lípidos, polisacáridos, etc?

Durante el renacimiento: generación espontánea. La vida de la vida Durante el renacimiento: generación espontánea. Primeros experimentos en contra de la generación espontánea: En 1668, Francisco Redi condujo un experimento para probar dicha hipótesis. Carne al aire libre, carne con una tela encima y carne en un recipiente hermetico. Solo moscas de la primera

La vida de la vida Invención del microscopio en 1660: vasto y nuevo mundo biológico  surgía espontaneamente del ambiente químico. Louis Pasteur

¿Con que base se aparea la Citosina (C)? G T

Figura 3.28 Contradiciendo la Generación espontánea (Parte 1)

Figura 3.28 Contradiciendo la Generación espontánea (Parte 2)