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Bioquímica y biofísica
Unidad 1
Las bases de la bioquímica : una de estas bases es la tabla periódica, elementos biógenos son C (neutro), H, O, N, S y representan el 95% de las masas en la materia, además se le agrega el fosforo y el calcio. La unidad de la materia es el átomo, conformado por subpartículas (protón +, neutrón neutro, electrón -)
En condiciones normales los átomos nos presentan carga neta: su numero de protones y electrones es el mismo. Sin embargo, existen átomos cargados, denominados iones, con una diferencia de carga. Si pierden electrones, los átomos presentan mayor numero de protones que de electrones y su carga será positiva y formara cationes y, si los ganan, tendrá mayor numero de carga negativa y constituirá cationes. Los protones y neutrones se localizan en el núcleo del átomo, en el que se concentra casi toda la masa. Los electrones se encuentran alrededor de este en orbitales atómicos. Los orbitales atómicos: son las zonas que rodean al núcleo. Para cada átomo concreto existe un numero definido de orbitales que se caracterizan por poseer una determinada energía potencial. Cada orbital queda definido por un conjunto de tres números, denominados números cuánticos: El primero conocido como numero cuántico principal (letra n) describe el tamaño y energía del orbital. A medida que aumenta su tamaño, lo hace su energía y su distancia al núcleo. El segundo, numero cuántico azimutal (letra l) representa un subnivel de energía y define la forma geométrica del orbital (se representa con las letras s, p, d, y f) El tercero, numero cuántico magnético (letra m) define la orientación en el espacio (P1, Py, Y P2) Orbitales híbridos: los orbitales s y p de la última capa están tan próximos en su nivel de energía que pueden interaccionar formando orbitales híbridos que combinan caracteres de ambos orbitales. Este tipo de orbital consiguen que el elemento forme el mayor número de enlaces posibles, mientras que mantiene la mayor distancia entre ellos para minimizar las fuerzas de repulsión
Valencia : es un elemento que indica en número de enlaces que será capaz de estableces para formar un compuesto estable. Esta relacionado con los electrones ubicados más externamente en el átomo. Formula espacial del C:
Los elementos se combinan y forman moléculas : Un elemento es mas estable cuando se aproxima a una configuración electrónica en que sus orbitales estén completos. Salvo casos excepcionales, los átomos tienden a asociarse formando moléculas o agregados químicos. La unión entre átomos se establece a través de enlaces químicos, y estas nuevas moléculas se comportan como unidades elementales de nuevas sustancias. A veces se asocian dos átomos iguales (ej. : la moléculas de O2). Los electrones de las ultimas capas, que ocupan los niveles de mayor energía, son los que van a participar de las reacciones químicas y se conocen como electrones de valencia. Los que no participan de las reacciones son los gases nobles (8 electrones en su última capa), estos elementos tienen poca tendencia a reaccionar químicamente debido a que su configuración eléctrica se caracteriza por tener completa su última capa. Se produce un dipolo cuando un par de cargas eléctricas de la misma magnitud pero opuestas están separadas por cierta distancia.
Moléculas y enlaces químicos:
- Un elemento es mas estable cuando la configuración electrónica en sus orbitales más externos indica que están completos (regla del octeto)
- Cuando los elementos no tienen completos sus orbitales tienden a agruparse con otros elementos en iguales condiciones formando moléculas
- Las uniones o enlaces en las estructuras químicas que forma el carbono son de tipo COVALENTES
Los átomos enlazados por un enlace covalente comparten un par de electrones sin que ninguno los ceda totalmente.
Polaridad de enlaces y moléculas: la geometría del agua se comporta como dipolo, la deferencia de electronegatividad determina los enlaces Cov. Polar, cov. No polar, Iónicos. Polaridad y enlaces polares: dos átomos de electronegatividades muy diferentes forman un enlace covalente, los electrones no son compartidos en igual medida por los dos átomos, de
En las diferentes biomoléculas de los seres vivos se encuentran, de forma recurrente, una serie de grupos funcionales: la naturaleza de estos grupos es determinante en el funcionamiento de la molécula biológica; tanto para el establecimiento de enlaces covalentes entre moléculas y la formación de biopolímeros, o macromoléculas, como para la asociación e interacción mediante enlaces débiles entre ellas y con el medio. Los grupos funcionales son las diferentes asociaciones entre átomos que proporción características funcionales a las moléculas. también son una base muy importante de la bioquímica, Cada vértice quiere decir que hay un carbono y de su pone que este C esta enlazado con un H. si esto no es así se escribe.
Acido carboxílico:
Esteres:
Amidas:
Aldehídos Alcoholes:
Amidas: Éteres:
Fosforilo: Sulfhídrico (tiol):
Enlaces intermoleculares: interacciones entre moléculas de enlaces débiles. Sin embargo, al darse mucho de estos enlaces, en conjunto la unión resulta ser muy fuerte.
Las interacciones electroestáticas de divide en: Puente salino: entre iones de carga neta en soluciones acuosa.(H2O Na+ Cl- ). Los polos + del
H2O interactúan con el anión (Cl-) Los polos – del H20 interactúan con el catión (Na+). esto es un tipo de electroestático (entre cargas opuestas). Aquellos grupos funcionales que se comportan como ácidos o bases, es decir, que tengan la capacidad de ceder un protón al medio o de captarlo, van a presentar una carga real (un electrón de mas o de menos del que corresponde al aromo neutro), lo que lo convierte en un ion. Los iones, en solución acuosa, pueden atraerse o repelerse según la carga que porten. Este tipo de atracción electroestática, se considera una interacción débil, ya que al estar el ion en solución acuosa se encuentra solvatado reduciendo la fuerza de enlaces entre los iones de carca opuesta.
Puentes de Hidrogeno: De naturaleza fuerte. Es muy común entre moléculas polares en medio acuoso, y es la responsable de las múltiples uniones débiles entre las moléculas de agua. Debe existir un átomo de H unido covalentemente a un átomo electronegativo (N, O).
Fuerzas de Van dar Waals: Son interacciones muy débiles que mantienen unidas temporalmente átomos o moléculas no polares. También son interacciones de tipo carga-carga, pero depende de la distancia entre átomos. Son “dipolos temporales”, solo en el momento en el que el electrón de un átomo se acerca o aleja del átomo con el que esta enlazado. Este tipo de dipolos temporales se están formando continuamente entre moléculas en solución, y no es necesario que las moléculas sean polares. Puede establecer, por lo tanto, un dipolo temporal en un enlace covalente no polar.
Interacciones Hidrofóbicas: se darán entre moléculas y grupos funcionales no polares. No va haber tampoco entre ellos ningún tipo de interacción: la unión se basa únicamente en la imposibilidad que tiene las moléculas hidrofóbicas en interaccionar con el agua. La fuerza que mantiene unidas a las moléculas apolares o hidrofóbicas se basa en la tendencia de expulsar el agua de su entorno, debido a su repulsión con grupos polares del agua
Soluciones y concentraciones: Las soluciones son mezclas homogéneas de dos sustancias: soluto y solvente. La concentración de una solución esta dada por la proporción del soluto en ella. Es una medida que presenta unidades: %, g/l, mol/l El solvente disuelve al soluto El soluto se encuentra en menor cantidad
Sustancia que interactúa fácilmente con el agua Hidrófila/Hidrofílica
Sustancia que no interactúa fácilmente con el agua Hidrófoba/ Hidrofóbica
La molécula de agua es un dipolo: el agua es el medio liquido fundamental en el que se va desarrollar la mayor parte de las reacciones químicas de la célula. Es, por lo tanto, el principal disolvente biológico. La molécula de agua presenta la característica química de comportarse como un dipolo: átomo de O, con una carga parcial negativa, y los dos átomo de H con una carga parcial positiva. Esta disposición es debida a la diferente electronegatividad entre átomo de H y el átomo de O. Las interacciones débiles que establece una molécula de agua con las de su alrededor se realiza mediante puentes de hidrogeno. Este tipo de enlaces débiles es de vital importancia, no solo por permitir la formación y rotura de los enlaces y, por lo tanto, dar
disoluciones acidas y básicas a una temperatura de 25°C, pueden identificarse por sus valores de pH:
Las soluciones tampón regular el PH de la célula: Ciertos grupos funcionales presentes en las moléculas biológicas pueden comportarse como ácidos o bases débiles. Por ello, su estado de ionización dependerá de la concentración de protones del medio. Si se tiene en cuenta que la mayoría de las enzimas van a presentar este tipo de grupos ionizables en su centro activo, se comprenderá el importante papel que puede jugar una pequeña fluctuación del pH celular. Por ejemplo: si un grupo amino de un residuo de una enzima presenta carga positiva a un pH 7, un ligero aumento del pH, puede forzar a que el H+ del grupo amino sea cedido al medio y, por lo tanto, pierda esa carga. Los tampones son sistemas acuosos que tienden a amortiguar los cambios que se producen en el pH, cuando se añaden pequeñas cantidades de acido (H+) o de base (OH-). Estos sistemas tampón están constituidos por un ácido débil y su base conjugada, o bien por una base débil y su acido conjugado.
Reacciones químicas de energía libre: En una reacción química, los reactivos interaccionan para formar productos. Pero, la mayoría de las reacciones químicas, la reacción no finaliza cuando todo el reactivo se ha convertido en producto. En lugar de ello, llega un momento en el que el producto formado comienza a reaccionar para dar un nuevo reactivo. Es decir, la reacción ocurre de forma reversible. Cuando la velocidad de reacción que va hacia delante (formación de producto) y la velocidad de la reacción marcha atrás (formación de reactivo) se igualan, se dice que la reacción alcanza el equilibrio. La gran mayoría de las reacciones que tienen lugar en la célula son reacciones reversibles. En el equilibrio, las velocidades se igualan, y la relación entre las concentración de productos de reactivos y productos es constante. Los principios de termodinámica ayudan a predecir si una reacción se produce espontáneamente o no. Cuando una reacción más se aleja de su equilibrio mayor será la posibilidad de que se de forma espontánea porque está más favorecido el producto. La variación de energía libre de Gibbs se calcula a partir de la energía libre al comienzo y final de la reacción: G= G final – G inicial
Para reacciones en equilibrio el (variación) G será 0. GF = GI Para reacciones que se dan espontáneamente G tendrá un valor negativo (menor GF- mayor GI) Para reaccionar que no se dan espontáneamente G tendrá un valor positivo (mayor GF- menor GI)
Cuando G tiene un valor positivo, la energía en el estado inicial tiene menor energía que el final y no se dará espontáneamente. Sin embargo, podrá darse si se la acopla a otra reacción que aporte energía a ese primer estado.
REACCIONES REDOX: son reacciones donde se transfiere electrones de una molécula a otra
- Se dan entre una molécula que cede electrones y otra que acepta
- En la biomoléculas el proceso redox ocurre sobre el átomo de carbono
- En las biomoléculas la transferencia de un electrón se realiza de forma de H
- Aumenta el contenido de oxígeno o una disminución en el contenido de hidrogeno
R-CH3 + B (agente reductor ) R-CH2-OH + BH (agente oxidante) La energía se concentra en las formas reducidas.
Condensación o deshidratación las reacciones de condensación son importantes en la síntesis de las biomoléculas. Se dan entre dos grupos funcionales polares que se enlazan covalentemente con la producción de una molécula de agua
BIOMOLECULA
Unidad 2
Monosacáridos.
Llamados hidratos de carbono, carbohidratos o sacáridos, son moléculas simples que responden a la formula (CH2O)n. La n varia entre 3 y 7 Son unidades monoméricas se conocen como monosacáridos, la combinación de dos o más unidades de monosacáridos dan lugar a los disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos.
Función: energía-estructura parte del exoesqueleto. Forma glucoproteínas y glucolípidos.
entonces aparece la forma aldarica, con dos grupos carboxilos Reducción: los grupos aldehído y cetona pueden sufrir también reacciones de reducción a grupos alcohol, otra forma reducida de los monosacáridos son los desoxiazúcares, donde se ha situado un grupo OH por un H. Esterificación: Los numerosos grupos hidroxilos presentes en los monosacáridos permiten la unión mediante enlaces éster de un ácido fosfórico, formando los azucares fosfato, de gran importancia biológica dado su alto valor energético.
Aminoazucares : cuando se produce la sustitución del grupo OH del C2 de un carbohidrato por una amina (-NH2), se obtiene un aminoazucar. La D-glucosamina y la D-galactosamina son aminoazucares muy frecuentes en polisacáridos. Además, estas aminas pueden acetilarse mediante enlaces amida, convirtiéndose por ejemplo: N-acetilglucosamina.
DISACARIDOS: los monosacáridos se unen entre ellos a través de un enlace o-glucosídico. La reacción se da entre un -OH de un monosacárido con el C1 (de una aldosa) o C2 (de una cetona( de un azúcar diferente.
Oligosacáridos: Los monosacáridos se unen mediante enlace O-glucosídico: Una reacción muy importante, es la que produce la unión covalente de dos azucares, mediante un enlace de condensación. La reacción entre un hidroxilo cualquiera de un monosacárido con el grupo OH del carbono anomérico (C-1 en aldosas y C-2 en cetosas)de un azúcar diferente, producirá la unión mediante un enlace O-glucosídico de los dos monosacáridos. En la célula, este enlace de condensación será catalizado por diferentes enzimas, de acuerdo con los azucares que intervengan en la reacción. Las enzimas distinguen no solo es tipo de azúcar sino también el tipo de anómero. Una vez enlazado un anómero, por ejemplo (alfa) D-glucosa a un hidroxilo de otro monosacárido, que podría ser el -OH del carbono 4, la posición del carbono anomérico quedara fijada. En este caso el enlace se denominara (alfa1;4). La hidrolisis de este enlace en condiciones fisiológicas serán muy lenta en ausencia de la enzima adecuada. La unión de dos monosacáridos mediante este tipo de enlaces permitirá la extensión de la molécula, ya que quedara libre siempre un -OH del carbono anomérico para iniciar otro enlace O-glucosídico y podrá, por lo tanto, formar oligosacáridos o polisacáridos. Polisacáridos: la mayoría de los hidratos de carbono se encuentra en la naturaleza formando polímeros de gran masa molecular y tamaño, es decir, en forma de polisacáridos, también denominados glucanos. Si atentemos a la naturaleza de los monosacáridos que los componen, se podría clasificar en homopolisacáridos, formados por el mismo tipo de monosacáridos, o heteropolisacáridos, si lo están por diferentes monosacáridos. Además, también podrían diferir
en la longitud y disposición de las cadenas; en forma lineal o ramificad, según como estén enlazados.
FUNCIONES: Reserva energética y forma estructuras. De reserva: ALMIDON: formado por amilosa (polímero lineal de glucosas unidas por enlaces alfa 1 4) y amilopectina (polímero ramificado. Polímero lineal glucosas unidas por enlace alfa 1 4 que se ramifican a partir de la glucosa unida por enlaces alfa 1 6) GLUCOGENO: principal fuente de glucosa confines energéticos que tiene las células de animales. Es un polímero de glucosa unidas por enlaces alfa 1 4 con ramificaciones a partir de enlaces alfa 1 6, altamente ramificado. GLUCOSAMINOGLUCANOS (GAG): son mixtos. Son heteropolisacáridos con función estructural en tejidos animales. forman parte de la matriz extracelular junto a otras biomoléculas dando resistencia y sostén a los tejidos.
DE FORMA ESTRUCTURAL: la consistencia gelatinosa de la matriz es conferida por los heteropolisacáridos, denominados glucosaminoglicanos (GAG), altamente hidratados debido a su naturaleza acida. Estos polisacáridos proporcionan a los tejidos resistencia a la comprensión y rellenan los espacios intermoleculares; además, su naturaleza porosa permite la difusión de nutrientes y oxigeno por los tejidos. GLUCOCONJUGADOS: la superficie celular y la matriz extracelular están compuestas por moléculas ricas en hidratos de carbono. En este caso, los azucares están unidos covalentemente por proteínas o lípidos de membrana, siendo el glucoconjugado la molécula biológicamente activa. El papel de los azucares en estas moléculas es el de transportar información: actúan en el reconocimiento y adhesión molecular, migración celular, respuestas inmunitarias. Glucolípidos: son moléculas de lípidos de la membrana unidos covalentemente a oligosacáridos. azúcar-Lípidos Glucoproteínas: azúcar- proteínas. Son oligosacáridos unidos a una proteína. son importantes en el reconocimiento celular y la transmisión de señales. Proteoglucanos: GAG- proteínas. Sirven para el reconocimiento y transmisión de señales, flexibilidad y compresibilidad.
Azucares reductores: poseen en su grupo (aldehído, cetona) carbonilo intacto y que atreves del mismo puede reaccionar como reductores con otras moléculas (aldehído siempre intacto) Disacáridos pueden ser reductores o no reductores: los disacáridos más comunes en la naturaleza son los que forman por la unión de, al menos, una molécula de D-glucosa. El simple hecho de que la unión fije un tipo de anómero alfa o beta, producirá un disacárido diferente, con diferentes características físicas, químicas y, por lo tanto, biológicas.
Maltosa: (reductor) no esta involucrados los C1 en el enlace sacarosa si lo esta es no reductor. Lactosa: (reductor) después del oxígeno va el C1.
Unidad 3
LIPIDOS: Son biomoléculas insolubles en agua (hidrofóbicas). Solubles en soluciones orgánicas, son estructuras muy diversas. Sus funciones son de almacenamiento de energía química, estructural, protectora, hormonal, vitaminas.
Se dividen en saponificables ( pueden formar jabones )y no saponificables ( no pueden formar jabones)
- Lípidos complejos: Glicerofosfolipidos: su estructura está compuesta por 2 AG esterificado a los dos primeros -OH de una molécula de glicerol. En el 3er -OH posee un grupo polar unido por enlaces fosfodiéster (x). Son lípidos estructurales, forman parte de la membrana plasmática de la célula.
Esfingolípidos: en su estructura, no contiene el alcohol glicerol, en su lugar presentan en aminoalcohol esfingosina, un AG y un grupo polar (x). Forman parte de la membrana plasmática de la célula. Tiene funciones asociadas al reconocimiento celular.
- Ceras: surgen de la unión éster de un AG de una cadena larga (sat. o insat.) Con un alcohol de cadena larga. Sus funciones tienen que ver con sus carácter hidrofóbico y con sus consistencia.
- Terpeno: no posee AG en su composición. Se forma a partir de una estructura de 5 átomos de C. llamada ISOPRENO. Actúan como pigmentos, hormonas y agentes defensivos.
A partir de ellos se forma algunas vitaminas liposolubles, como A, E o K.
- Esteroides: derivan de una estructura llamada ciclopentano-perhidrofenantreno se diferencian en el número y posición de dobles enlaces y la ubicación de sustituyentes.
Colesterol: principal esteroide en tejidos animales. Poseen una zona polar (-OH) y una apolar (cadena lateral de C). Ácidos biliares: emulsionan las grasas de las dietas en el intestino Hormonas esteroideas: Participan del metabolismo de biomoléculas e influyen en el desarrollo de los organismos.
- (^) Eicosanoides: son compuestos derivados del ácido araquidónico (AG de 20 aminoácidos de C y 4 dobles enlaces). se clasifican en: prostaglandinas: contracción de músculos en el parto, control del flujo sanguíneo, elevación de la temperatura corporal y la inflamación. tromboxanos: intervienen en la formación de coágulos sanguíneos leucotrienos: inducen la contracción de los músculos que rodean las vías aéreas
Los fosfoglicéridos como principales constituyentes de las membranas: están constituidos por dos ácidos grasos esterficados al primer y segundo -OH de glicerol. El tercer grupo -OH esta unido por un enlace fosfodiéster a un grupo de cabeza muy polar. Todos los fosfolípidos poseen dos colas no polares aportada por los dos ácidos grasos de cadena larga, generalmente uno saturado y otro insaturado. El fosfoglicérido más simple, en el que X=H, es el ácido fosfático. Los demás derivan de él y se forman por unión de diferentes compuestos al grupo fosfato. Los fosfoglicéridos se nombran según el alcohol polar en el grupo de cabeza. Los fosfoglicéridos son lípidos estructurales de las membranas biológicas. Estas membranas están formadas por una doble capa lipídica que constituye una barrera de paso de las moléculas polares e iones. Un extremo de la molécula es hidrofóbico y el otro hidrofílico. Vitaminas liposolubles: las vitaminas son esenciales para el buen funcionamiento del organismo. No puede ser sintetizada por el ser humano y otros vertebrados, por lo que
Catión: en un medio acido se comporta como una base tomando H+. Zwitterion: forma eléctricamente neutra, se comporta como un ion dipolar. Anión: en un medio básico se comporta como un acido donando H+. Los aminoácidos presentan carácter acido y básico: los aminoácidos presentan un grupo amino con carácter básico (aceptor de protones) y un grupo carboxilo con carácter acido (dador de protones). Como a pH fisiológicos los aminoácidos se encuentran en su forma de ion dipolar, en realidad de carácter acido lo presenta el grupo amino protonado y el carácter básico el grupo carboxilo ionizando. Este tipo de sustancia que pueden actuar como acido o como base se conocen como sustancias anfóteras. Además algunos aminoácidos tienen un grupo acido o básico en su cadena lateral.
La carga eléctrica de los aminoácidos varia con el pH: La curva de titulación de la Gly, por debajo del valor de pH y del pK del grupo acido denomina la forma totalmente protonada con carga neta positiva (NH+3,-CH-COOH). Por encima de este valor empieza a aumentar en porcentaje de moléculas que se encuentran en la forma del ion dipolar, con carga neta cero, hasta llegar al pI en el que es la forma denominante. Por encima de este valor de pH el grupo NH+, va perdiendo su protón y va disminuyendo en porcentaje de la forma dipolar hasta que se iguala con la forma del ion negativo del pH que coincide con el pK del grupo NH+3. Por encima de este valor denominara la forma con carga negativa.
Aminoácidos apolares :
El punto isoeléctrico: valor de PH en el aminoácido donde esta neutro. Condensación: el grupo acido de uno (OH) con el grupo (H) del grupo amino. Por un enlace peptídico. Se forman DI (tri) péptido + H2O
CUANDO HAY MAS DE 10 AMINOACIDOS DE LLAMA
PROTEINA.
La función de la proteína: estructurales, transporte o almacenamiento, contracción muscular, defensa, recepción y transmisión de señales, reguladoras, enzimáticas, reserva.
NIVELES DE ESTRUCTURA:
- La estructura tridimensional de las proteínas esta determinada por la identidad de los aminoácidos que la componen y por el orden concreto en que estos aminoácidos
Bases nitrogenadas: derivan de las moléculas llamadas purina (dos anillos) y pirimidinas (un solos anillos) ADN: A,T,C,G. ARN: A,U,C,G.
Se unen al azúcar a través de un enlace N-B-Glucosídico (reacción de condensación + H2O)
ENLACE N-B-GLUCOSIDICO:
Base nitrogenada + azúcar = nucleósido
EL NUCLEOTIDO SE FORMA:
LOS NUCLEOTIDOS DE LOS ACIDOS NUCLEICOS ESTAN UNIDOS POR
ENLACES FOSFODIESTER: los nucleótidos pueden unirse unos a otros para formar el ADN o el ARN. La unión se realiza mediante “puentes” de grupos fosfatos, en los cuales el grupo -OH en la posición 5’ de un nucleótido esta unido al grupo -OH del siguiente mediante un enlace fosfodiéster. Como se forma un polímero? Se unen los nucleótidos, lo hacen mediante enlaces fosfodiéster. El grupo -OH en posición 5´ de un nucleótido se une al -OH del siguiente- R1-O-P-O-R
ATP: esta formado por la base nitrogenada de adenina y el azúcar ribosa a la que se le une en forma secuencial 3 grupos fosfato (trifosfato). Cuando un grupo fosfato se rompe libera mucha energía.
El que tiene el grupo fosfato libre es 5 prima (5´) y en que tiene el grupo OH del azúcar libre es 3 prima (3´).
ADN: esta formado por dos cadenas de polinucleótidos, una doble hélice que son antiparalelas. Las bases nitrogenadas ocupan el centro del hélice, y las cadenas de azucares y fosfato se ubican en el exterior. Cada base esta unida a su base complementaria por puentes de hidrogeno. La principal función es almacenar y transferir información genética
