Biomoléculas

Tema 4. La Química de las Biomoléculas

Carbohydrates, Proteins, Lipids, and Nucleic Acids

Dra. María de los Ángeles Farrán Morales

Objetivos de Aprendizaje • Conocer los cuatro tipos fundamentales de moléculas asociadas a los sistemas biológicos.

• Contextualizar las moléculas biológicas dentro de la Química orgánica.

• Estudiar las estructura tridimensional de las moléculas biológicas y correlacionarlas con su estructura química

• Estudiar las funciones de las moléculas biológicas y correlacionarlas con su estructura química.

Las moléculas de la vida son moléculas orgánicas Contienen átomos de Carbono (C), Hidrógeno(H) , Nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S) Lípidos Carbohidratos

Proteínas

Ácidos Nucleicos

Las moléculas biológicas tienen la función de generar energía para la vida y también crean la infraestructura de la vida

Materiales de las células y energía

Papel de la molécula de agua en la bioquímica

El agua es el disolvente en el que tiene lugar la vida. Tiene un momento dipolar y puede formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua y con otras moléculas biológicas

Fuerzas que ayudan a mantener la estructura de las molĂŠculas de la vida

Las moléculas biológicas son polímeros

¿Cómo se forman los polímeros?

O C OH H 2N

OH HO

H 2O

H 2O

O O

C N H

Reacción de deshidratación Formación de un éter

Reacción de deshidratación Formación de un grupo amido

Degradación de los polímeros ●Reacciones

de Hidrólisis

●Requieren

una molécula de agua para romper el enlace entre los monómeros H O H

O

OH HO Reacción de Hidrólisis

Las biomoléculas y sus unidades estructurales Polímeros

Monómeros

Carbohidratos

Monosacáridos

Proteínas Ácidos Nucleicos

Aminoácidos Nucleótidos

Carbohidratos

Funciones Almacenaje de energía El glucógeno se encuentra en el hígado y los músculos como moléculas estructurales Paredes celulares de plantas, exoesqueletos de insectos Receptores de señalización de las células

Los Carbohidratos tienen la siguiente fórmula general:

Cn(H2O)n

Estructura y propiedades químicas • También se llaman azúcares o glúcidos • Sus unidades estructurales, los monosacáridos, son compuestos orgánicos que contienen C, H y O. Son polialcoholes que contienen un grupo aldehído (aldosas) o cetona (cetosas), es decir polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas)

CHO H C OH HO C H

CH2OH C O HO C H

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

CH2OH

CH2OH

Clasificaciรณn de los monosacรกridos

Aldosas O C

Monosacรกridos

H

Cetosas O C

Aldotriosas (3C) Aldotetrosas (4C) Aldopentosas (5C) Aldohexosas (6C)

Cetotriosas (3C) Cetotetrosas (4C) Cetopentosas (5C) Cetohexosas (6C)

Los monosacรกridos tienen centros quirales H

O

C H C OH Carbono quiral

CH2OH

D- (+)- Gliceraldehido

H

O

C OH C H CH2OH L- (-)- Gliceraldehido

¿Cómo se mide la actividad óptica?

Cuando una sustancia interacciona con la luz polarizada plana y el plano de la luz polarizada gira se denomina ópticamente activa

¿Como se representan los monosacáridos?

Proyecciones de Fischer Una proyección de Fischer es una forma simplificada de dibujar en dos dimensiones átomos de carbono tetraédricos con sus sustituyentes. La molécula se dibuja en forma de cruz, con el carbono asimétrico en el punto de intersección. Las líneas horizontales representan enlaces dirigidos hacia el observador; las líneas verticales representan enlaces que se alejan del observador.

B C H HO

B A

=

H C OH A D

B HO C A L

H

=

A

B C H OH

Tres modos de representar un monosacรกrido

Proyecciรณn de Fischer

Estructuras de las aldosas

Estructuras de las cetosas

Mutarrotación de los monosacáridos Cuando un monosacárido de cadena abierta se cicla a las formas piranosa o furanosa, se genera un nuevo centro de quiralidad en el carbono que estaba como carbonilo. Los dos diastereoisómeros producidos se llaman anómeros, y el átomo de carbono hemiacetálico se denomina centro anomérico ( a, b) CHO H HO

OH H

H

OH

H

OH CH2OH

a

CH2OH O OH H H OH H C OH C C H H OH

b

En disolución acuosa los monosacáridos se encuentran en equilibrio entre la forma abierta y la forma ciclada

Disacáridos: enlace glucosídico Dos monosacáridos reaccionan con pérdida de una molécula de agua (deshidratación) para formar un enlace tipo éter que se denomina enlace O-glucosídico

Disacรกridos importantes

Polisacรกridos

El almidón •

•

El almidón es el principal polisacárido de reserva de la mayoría de los vegetales, y la principal fuente de calorías de la mayoría de la Humanidad.

El almidón es una mezcla de dos polisacáridos, la amilosa y la amilopectina. Ambos están formados por unidades de glucosa, en el caso de la amilosa unidas entre ellas por enlaces a (1->4) lo que da lugar a una cadena lineal. En el caso de la amilopectina, aparecen ramificaciones debidas a enlaces a(1->6).

a( 1->4)

a (1->6)

El glucógeno Su estructura es similar a la de la amilopectina, con ramificaciones cada cinco unidades de glucosa. Se utiliza como depósito de glucosa y se almacena en el hígado y en los músculos.

La celulosa Es un polisacรกrido formado por cadenas lineales de unidades de b-D-glucosa unidas por enlaces b(1->4). Su papel es estructural y los seres humanos no poseen enzimas para degradarla, solo los rumiantes y algunas bacterias b(1->4)

¿Por qué la celulosa es un material difícil de degradar y resistente?

Las cadenas lineales de celulosa forman fibras ya que están unidas entre sí por enlaces de hidrógeno

Conceptos de aprendizaje • Reconocer la estructura de los carbohidratos • Conocer su función.

• Distinguir el almidón, la celulosa y el glucógeno a nivel estructural

• Saber como se forman los di y polisacáridos y que tipo de enlace químico los une.

LĂ­pidos

Funciones • Son un grupo de moléculas cuya función es

• • •

almacenar fuentes de energía en un espacio pequeño.

Por sus características estructurales pueden empaquetarse.

Sirven de material aislante y protector de órganos.

Forman parte de las membranas celulares Pueden actuar como mensajeros químicos en el metabolismo. (Vitaminas, Hormonas)

Propiedades de los lípidos • Son compuestos orgánicos, contienen C, H, O y también P y N. • Los lípidos son moléculas insolubles en agua • Son en general sustancias blandas, untuosas al tacto y esto es debido a su estructura química.

• Dan reacciones de esterificación y sapofinicación

Clasificación de los lípidos •

Lípidos saponificables o complejos: contienen en su molécula ácidos grasos, que se pueden separar sometiéndolos a una reacción de saponificación (formación de jabón).

– Simples: integrados solo por C, H y O. Se incluyen los propios ácidos grasos, acilglicéridos y ceras.

– Complejos: además de C, H y O, contienen átomos de P, N o S. Se incluyen los fosfolípidos (glicerofosfolípidos y esfingifosfolípidos) y glucolípidos.

•

Lípidos insaponificables o simples: No contienen ácidos grasos. Son los isoprenoides, esteroides y prostaglandinas.

•

Lípidos conjugados: lípidos de los grupos anteriores unidos a otras sustancias.

Reacciones de esterificación y saponificación O

O OH Ácido carboxílico

HO Alcohol

O H 2O

Éster Reacción de esterificación (deshidratación) O

O NaOH O Éster

Reacción de saponificación

O-Na +

HO

¿Que estructura tiene un ácido graso?

Los ácidos grasos son componentes de los lípidos complejos y son ácidos orgánicos monocarboxílicos de cadena lineal de 12 a 24 átomos de carbono. Esta cadena lineal puede contener uno o varios dobles enlaces (ácidos grasos insaturados). Son moléculas anfipáticas, es decir tiene una parte polar, el grupo ácido y un apolar, la cadena hidrocarbonada.

Ă cidos grasos saturados e insaturados

Los รกcidos grasos forman micelas, liposomas y bicapas

¿Por qué es bueno complementar la dieta con ácidos grasos insaturados?

Por su estructura, dan fluidez a las membranas celulares evitando la acumulación de colesterol

Los triacilglicéridos Pueden ser saturados, cuando los ácidos grasos son saturados e insaturados, cuando las cadenas lineales del ácido graso contienen uno o mas dobles enlaces. El alcohol es el glicerol o glicerina en la reacción de esterificación.

Fosfolípidos • Los glicerofosfolípidos o fosfoglicéridos • Tienen la misma estructura que los triacilglicéridos pero en

• •

los fosfolípidos uno de los ácidos grasos se sustituye con una molécula de ácido fosfórico H3PO4 que proporciona la parte polar o hidrofílica.

Los esfingofosfolípidos El glicerol se sustituye por la esfingosina, un amino alcohol.

Ceras Son ésteres de ácidos grasos de 14-36 átomos de carbono con alcoholes de cadena larga (16-30 átomos de carbono)

La cera de abeja se obtiene por reacción de esterificación del alcohol miricilico (C30) con el ácido palmítico (C16)

Los fosfolĂ­pidos forman parte de las membranas celulares

LĂ­pĂ­dos simples o no saponificables Esteroides

Esterano

LĂ­pĂ­dos simples o no saponificables Isoprenoides o terpenos

Objetivos de aprendizaje • Conocer la función de los lípidos • Reconocer la estructura de los ácidos grasos y •

sus distintos tipos- saturados e insaturados Conocer la clasificación de los lípidos y reconocer su estructura química

ProteĂ­nas

Funciones de las proteĂ­nas

Los aminoácidos: unidades estructurales de las proteínas

a

Los aminoácidos esenciales son 20 y son a aminoácidos. Es decir el grupo ácido y el amino se encuentran separados por un átomo de carbono. Todos son enantiómeros L.

Los aminoรกcidos naturales son enantiรณmeros de la serie L

Los 20 aminoรกcidos esenciales

Tanto el carboxilo como el amino son grupos funcionales susceptibles de ionizaciรณn dependiendo de los cambios de pH, por eso los aminoรกcidos en disoluciรณn se encuentra realmente en la forma representada en la tabla, ionizados.

Las proteínas son poliaminoácidos

La secuencia de aminoácidos de una proteína determina su estructura tridimensional.

El enlace peptídico es un enlace tipo amida H 2O H H

H H

H H O O O Reacción de deshidratación H N C C + H N C C H N C C OH OH Reacción de hidrólisis R R' R Aminoácido Aminoácido H 2O

H H

O N C C OH R' Dipéptido

Enlace Peptídico

La formación de deshidratación.

un

enlace

peptídico

es

una

reacción

de

Estructura del enlace peptídico El enlace peptídico tiene carácter parcial de doble enlace y no puede girar.

Es rígido y plano.

FormaciĂłn de polipĂŠptidos

N-terminal

C-terminal

Los aminoácidos son moléculas zwitteriónicas

El Punto Isoeléctrico (PI) está definido como el pH en el cual las cargas positivas igualan a las cargas negativas y no existe movimiento en un campo eléctrico.

Estructura de las proteĂ­nas (4 niveles)

Las Hélices a Es un tipo de estructura secundaria de las proteínas. Se trata de una estructura helicoidal dextrógira. Cada giro de la hélice se produce cada 3.6 aminoácidos (5.4 Å) y esta estabilizada por enlaces de hidrógeno entre los aminoácidos. Los sustituyentes de las cadenas laterales se sitúan en el exterior de la hélice. Los que poseen una cadena lateral hidrofílica tienden a formar este tipo de estructura ya que se pueden forma enlaces de hidrógeno con el agua, lo que da estabilidad a la estructura

La estructura de las láminas u hojas plegadas b Es un tipo de estructura secundaria de las proteínas. Las cadenas de polipéptidos se estiran y se colocan de forma antiparalela para formar enlaces de hidrógeno entre ellas

Interacciones intramoleculares que hacen posible el plegamiento de las cadenas polipéptídicas para formar la estructura terciaria Las interacciones que ayudan al plegamiento de las cadenas polipétídicas son: 1- Enlaces de Hidrógeno 2Interacciones iónicas, puentes salinos (carga + y -) 3- Interacciones Hidrofóbicas 4- Puentes disulfuro (S-S)

Estructuras terciaria y cuaternaria

Desnaturalización de las proteínas El proceso de la desnaturalización o pérdida de función de una proteína ocurre cuando cambia su estructura por factores externos, físicos o químicos. Se alteran las interacciones moleculares. pH, temperatura, reactivos químicos,metales pesados, concentración salina

Objetivos de Aprendizaje • Conocer su función en el mundo biológico • Reconocer su estructura química así como las funciones químicas y la de sus componentes estructurales, los aminoácidos • Racionalizar los cuatro niveles estructurales de las proteínas y conocer las fuerzas moleculares que mantienen dichos niveles estructurales.

• Métodos de desnaturalización de las proteínas.

Ă cidos Nucleicos DNA and RNA

Funciones • Son los responsables de transmitir la información genética (DNA) • Codifican la secuencia de aminoácidos cuando se sintetiza una proteína ( RNA) • Sus unidades estructurales son los nucleótidos

Componentes de los nucleรณtidos

Las unidades estructurales de los ácidos nucleicos son los nucleótidos azúcar + base nitrogenada = nucleósido

NH 2 N N H HO H H

N

N H 2O

OH

O

NH 2

N

H

HO

N

O

H

OH

N

N

H

ázucar

H Reacción de deshidratación H OH

H H

H

ázucar +base nitrogenada +ácido fosfórico = nucleótido NH 2

NH 2 N N HO

N

H

H 2O HO

N OH

O H

H

OH

H

HO

H

Nucleósido

N

OH

P

P O

N

O 5' O H

OH Reacción de deshidratación H OH 3' O Ácido fosfórico

H H

H

N N

Síntesis de los ácidos nucleicos NH 2 N

-O

P O

HO

H H

P O

H

OH

H OH3' H

O H

H

H

OH

H

P

N

N O

O

OH H Enlace fosfodiéster O

N

5' H

H

O

H

H

NH 2

N

HO

NH 2 N

H

P O

N O

H

OH

N

5'

H 2O

O

N

N

O

N

O

O-

N

N

N

O

NH 2

H

H OH3' H

N N

Las bases pirimidínicas forman enlaces de hidrógeno con las bases púricas

DNA (ácido desoxirribonucleico) • Almacena la información genética en los genes • Codifica el orden de los aminoácidos en la síntesis de las proteínas • Está compuesto por nucleótidos de desoxirribosa y las siguientes bases nitrogenadas: Adenina (A) Timina (T) Citosina (C) Guanina (G)

Estructura del DNA La desoxirribosa y el grupo fosfato de unen para formar la estructura base.

Las bases nitrogenadas (AGCT) de una hebra forman enlaces de hidrógeno con una segunda hebra (antiparalela) y forman una doble hélice dextrógira. Los grupos fosfato están desprotonados y se sitúan al exterior de la hélice Una doble cadena de DNA mide de 22 a 26 Å(2,2 a 2,6 nanómetros) de ancho, y una unidad (un nucleótido) mide 3,3 Å (0,33 nm) de largo. Por ejemplo, el cromosoma humano más largo, el número 1, tiene aproximadamente 220 millones de pares de bases.

La estructura del DNA: Watson y Crick

James Watson Francis Crick and Maurice Wilkins ganaron el premio Nobel de Medicina en 1962.

Resolvieron la forma B del DNA

Los tres tipos de DNA

B-DNA: DNA en disolución, 92% de humedad relativa, se encuentra en soluciones con baja fuerza iónica se corresponde con el modelo de la Doble Hélice.

A-DNA: ADN con 75% de humedad, requiere Na, K o Cs como contraiones, presenta 11 pares de bases por giro completo y 23 Å de diámetro.

Z-DNA: doble hélice levógira (enrollamiento a izquierdas), 12 pares de bases por giro completo, 18 de diámetro, se observa en segmentos de ADN con secuencia alternante de bases púricas y pirimidínicas, debido a la conformación alternante de los residuos azúcar-fosfato sigue un curso en zig-zag. Las posiciones N7 y C8 de la Guanina son más accesibles.

RNA (Ácido Ribonucleico) • Es el ácido nucléico más abundante de célula. Una célula típica contiene 10 veces más RNA que DNA. • Sus nucleótidos se componen de: • Ribosa. Esto indica que en la posición 2' del anillo del azúcar hay un grupo hidroxilo (OH) libre. Por este motivo, el RNA es químicamente inestable, de forma que en una disolución acuosa se hidroliza fácilmente.

• En el RNA la base que se une mediante enlaces de hidrógeno con la Adenina es el Uracilo, a diferencia del DNA, en el cual la Adenina se aparea con Timina.

ร cido ribonucleico (RNA)

Nucleรณtidos de Ribosa

Tipos estructurales de RNA Se distinguen varios tipos de RNA en función, sobre todo, de sus pesos moleculares: RNA heterogéneo regular (RNAhn) RNA pequeño regular (RNAsn) RNA de transferencia (RNAt) RNA Ribosómico (RNAr) RNA mensajero (RNAm) RNA vírico(RNAv)

Diferencias entre el DNA y RNA DNA

RNA

Ázucar

Desoxirribosa

Ribosa

Base Nitrogenada

Adenina, Guanina, Timina, Citosina

Adenina , Guanina, Uracilo, Citosina

Hebras

Doble hebra

Hebra única

Hélices

Forma hélice

No forma hélices

ATP( Adenosin-trifosfato) •

• •

Molécula de intercambio energético, debido a al presencia de grupo fosfato.

Es un nucleótido.

La energía se libera en la reacción de hidrólisis del trifosfato.

Objetivos de aprendizaje • Conocer la estructura del DNA, RNA y el ATP • Reconocer las bases nitrogenadas y sus •

enlaces Diferenciar estructuralmente el DNA y el RNA