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

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3 H, O, C y N constituyen 99+% de los átomos en el cuerpo humanoBiomoléculas: H, O, C y N constituyen 99+% de los átomos en el cuerpo humano ELEMENTO PORCENTAJE Oxígeno Hidrógeno Carbono Nitrógeno

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.

5 414 351 712 292

6 615 343 816

7 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 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

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

9 Propiedades de Biomoléculas Reflejan su Aptitud a la Condición Vivientevan der Waals: kJ/mol Puentes de Hidrógeno: kJ/mol Enlaces Iónicos : 20 kJ/mol Interacciones Hidrofóbicas : <40 kJ/mol Covalentes: kJ/mol

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12 Componentes moleculares de una E. coli% del peso total Número de especies de la célula moleculares Agua Proteínas ,000 Acidos nucleicos DNA RNA >3,000 Polisacáridos Lípidos Subun. monoméricas e intermediarios Iones inorgánicos

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15 Hidroxilo (alcohol) Carbonilo (aldehído) Carboxilo

16 carboxilo amino imidazol

17 Epinefrina fenilo metilo hidroxilos amino

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19 Totalmente reducido Totalmente oxidadogrado de oxidación del carbono en las moléculas biológicas Totalmente reducido Totalmente oxidado

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

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

22 MONOMOEROS QUE DAN ORIGEN A LAS MACROMOLECULAS BIOLOGICAS

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

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28 AGUA Propiedades del Agua pH Buffers Papel del agua en ambiente

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31 Punto de fusión, ebullición y calor de vaporización de algunos solventes comunes Fusión Ebullición Calor de (C) (C) vaporiz. (J/g)* Agua ,260 Metanol (CH2OH) ,100 Propanol (CH3(CH2)2CH2OH) Butanol (CH3(CH2)2CH2OH Acetona (CH3COCH3) Benceno (C6H6) Cloroformo (CHCl3) * medida de energía requerida para romper fuerzas atracción entre moléculas

32 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

33 Comparasión entre Hielo y AguaPuentes de H y Movimiento Hielo: 4 puentes-H per 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 = sec)

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35 átomos electronegativosAceptor de hidrógeno Donador de átomos electronegativos

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

37 Propiedades Solventes del AguaIones 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

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

40 Interacciones HidrofóbicasUn 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 kJ/mol)

41 Moléculas AnfifílicasTambién 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

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

44 Lípidos dispersos en H2OCada molécula lipídica fuerza las moléculas de agua que lo rodea a que estén altamente ordenadas

45 Clusters de moléculas lipídicas dispersos en H2OSólo porciones de lípidos hacia los bordes del cluster fuerzan el ordenamiento del agua. Existen menos moléculas de H2O ordenadas y la entropía aumenta

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

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

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49 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- H H+ + OH- [H+] [OH-] Ke = [H2O]

50 Si Ke x [H2O] = Kw Kw = [H+] [OH-]Kw = 10-14, por tanto, en agua pura (neutra): [H3O+] = [OH-] = 10-7 mol/litro 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

51 [H+](M) pH [OH-](M) pOHESCALA DE pH [H+](M) pH [OH-](M) pOH 100 M (1)

52 El pH y la [H+] en los fluidos corporalesFluido pH [H+] mol/L Plasma Acidemia extrema x 10-7 Normal x 10-8 Alcalemia extrema x 10-8 Jugo pancreático x 10-8 Acidez urinaria máxima x 10-5 Jugo gástrico x 10-2

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

54 B A S E OH- + H30+ H20 NH3 + H30+ NH4+ + H20Molécula 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- + H H20 Algunas bases aceptan directamente un protón NH3 + H NH4+ + H20

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

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

57 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+ Lo que se forma es una base Esta puede aceptar un protón y reconvertirse en un ácido A- (base conjugada) + H+  HA (ácido) 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.

58 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.

59 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]

60 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

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65 LISOSOMAS: Por qué tienen un pH más ácido?