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Docente: Ana Isabel Cañas Gutiérrez Bioingeniera M.Sc en ingeniería [email protected] Docente de Cátedra | Facultad de Ingeniería Textil y Nanotecnología | Universidad Pontificia Bolivariana Grupo de Investigación Sobre Nuevos Materiales

Unidad 1. Conceptos básicos de Bioquímica -

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Grupos funcionales Aminoácidos, péptidos y proteínas Enzimas Mecanismos de reacción enzimática Nucleótidos y ácidos nucleicos Carbohidratos y glicobiología Lípidos Principales rutas metabólicas

Unidad 1 - Aminoácidos, péptidos y proteínas

Unidad 1: Bioquímica

Aminoácidos Molécula orgánica con un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxílico(COOH)

Carbono central (α) unido a un grupo carboxilo, un grupo amino, un hidrógeno y la cadena lateral

Determina la identidad y las propiedades de cada uno de los diferentes aminoácidos

Unidad 1: Bioquímica

Aminoácidos Solamente los L-aminoácidos forman parte de las proteínas utilizadas en la actividad metabólica de animales y plantas

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

L y D Aminoácidos La glicina es el aminoácido de estructura más sencilla, ya que R es un átomo de Hidrógeno.

Solamente los L-aminoácidos se fabrican en las células y se incorporan a las proteínas. Algunos D-aminoácidos se encuentran en las paredes de las células de las bacterias, pero no en proteínas bacteriales.

David L. Nelson, Michael M. Cox-Lehninger Principles of Biochemistry, 5th Edition-W. H. Freeman (2008) (1)

Unidad 1: Bioquímica

Aminoácidos Arreglos espaciales únicos

Las células son capaces de sintetizar específicamente los isómeros L de los aminoácidos debido a que los sitios activos de las enzimas son asimétricos, haciendo que las reacciones que catalizan sean estereoespecíficas.

Stereoisomerism in alpha-amino acids

Unidad 1: Bioquímica

Aminoácidos Los grupos funcionales -NH2 y -COOH son susceptibles de ionización con los cambios de pH. Los aminoácidos en disolución se encuentran ionizados.

pH bajo

pH es igual al punto isoeléctrico (PI)

pH alto

En disolución acuosa generalmente se encuentran en Zwitterión y se le conoce como una forma dipolar: neutra + y - donde la carga neta es 0.

Unidad 1: Bioquímica

Aminoácidos Las proteínas son anfóteras

Una sustancia anfotérica es aquella que puede donar y aceptar H+ Los aminoácidos tienen un grupo ácido y un grupo básico

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Aminoácidos Clasificación Según Las propiedades de su cadena lateral Su obtención La ubicación del grupo amino

Unidad 1: Bioquímica

Aminoácidos

Aminoácidos, péptidos y proteínas

Clasificación Según Las propiedades de su cadena lateral “R”

pH 7 David L. Nelson, Michael M. Cox-Lehninger Principles of Biochemistry, 5th Edition-W. H. Freeman (2008) (1)

Unidad 1: Bioquímica

Aminoácidos Clasificación

Esenciales Son 9 y el cuerpo no los puede sintetizar por sí mismo. Por lo tanto, debemos ingerirlos necesariamente con los alimentos. Histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina.

Según

Aminoácidos, péptidos y proteínas

Su obtención

No esenciales

Nuestro cuerpo es capaz de fabricarlos por sí mismo a partir de otras sustancias. Alanina, asparagina, ácido aspártico y ácido glutámico.

David L. Nelson, Michael M. Cox-Lehninger Principles of Biochemistry, 5th Edition-W. H. Freeman (2008) (1)

Condicionales

Por lo regular no son esenciales, excepto en momentos de enfermedad y estrés. Arginina, cisteína, glutamina, tirosina, glicina, ornitina, prolina y serina.

Aminoácidos

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Dato curioso Cuando se carece de a.a. esenciales no es posible reponer las células de los tejidos que mueren o crear nuevos tejidos

El kwashiorkor es una enfermedad de los niños debida a la ausencia de nutrientes, como las proteínas en la dieta.

Síndrome Policarencial Infantil

Unidad 1: Bioquímica

Aminoácidos Clasificación

Esenciales

Según

Aminoácidos, péptidos y proteínas

Su obtención

Dato curioso

Unidad 1: Bioquímica

Aminoácidos Clasificación

Alfa-aminoácidos

El grupo amino está ubicado en el carbono 2 de la cadena

Según

Aminoácidos, péptidos y proteínas

La ubicación del grupo amino con respecto al grupo carboxilo

Beta-aminoácidos

El grupo amino está ubicado en el carbono 3 de la cadena

Gamma-aminoácidos

El grupo amino está ubicado en el carbono 4 de la cadena

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Dato curioso

Aminoácidos

El consumo de Beta Alanina está directamente relacionado con el aumento de la carnosina. Una sustancia que interviene en la fatiga muscular, y es que su liberación por nuestro cuerpo hace que nuestros músculos tengan más resistencia frente al esfuerzo y el cansancio aparezca más tarde. En su liberación tiene especial importancia la Beta Alanina, pues es a través de ella que se libera.

http://www.rendimientofisico.com/2015/08/la-beta-analina-el-suplemento-estrella.html

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Dato curioso

Aminoácidos

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Dato curioso

Aminoácidos

Comparación de beta alanina (derecha) y el aminoácido L alfa alanina (izquierda). La beta alanina es un aminoácido no esencial que no forma parte de las proteínas. Su aporte incrementa los niveles de carnosina, un dipéptido que tiene la capacidad de neutralizar los protones que se forman en exceso combatiendo la fatiga, aumentando el rendimiento y la duración de ejercicios de alta intensidad.

La carnosina (beta-alanil-L-histidina) es un dipéptido de los aminoácidos betaalanina y histidina. Está altamente concentrada en los tejidos musculares y cerebrales.

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Aminoácidos y péptidos

La unión de varios aminoácidos da lugar a cadenas llamadas péptidos o polipéptidos

Ser–Gly–Tyr–Ala–Leu, or SGYAL

Proteínas

La cadena polipeptídica supera una longitud entre 50 y 100 residuos aminoácidos, o la masa molecular total supera las 5000 uma y tienen una estructura tridimensional estable definida.

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Aminoácidos y péptidos

https://www.youtube.com/watch?v=u-x4-ekhKAM

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

macromoléculas biológicas más abundantes, que se producen en todas las células

Existen miles de diferentes tipos que se pueden encontrar en una sola célula

Son los instrumentos moleculares a través del cual se expresa la información genética Ribosomoas y síntesis de proteínas https://www.youtube.com/watch?v=L2WYfVHZ754 David L. Nelson, Michael M. Cox-Lehninger Principles of Biochemistry, 5th Edition-W. H. Freeman (2008) (1)

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Función biológica de las proteínas

“La información que guarda el ADN es la información para fabricar proteínas. No heredamos el color de pelo, o la estatura, heredamos recetas con las instrucciones para elaborar determinadas proteínas. Luego, las proteínas son las encargadas de dotar al organismo de su estructura, su función y sus características propias”.

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Función biológica de las proteínas

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Proteínas

Cómo se forma la estructura proteica http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/ proteins/protein%20structure.swf David L. Nelson, Michael M. Cox-Lehninger Principles of Biochemistry, 5th Edition-W. H. Freeman (2008) (1)

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Proteínas La estructura primaria es la forma de organización más básica de las Proteínas

cambios conservadores Efecto de las mutaciones genéticas sobre la estructura primaria de las proteínas

cambios no conservadores

Unidad 1: Bioquímica Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas Aminoácidos, péptidos y proteína

Proteínas Estructura secundaria: se determina por el plegamiento de las cadenas poli peptídicas

David L. Nelson, Michael M. Cox-Lehninger Principles of Biochemistry, 5th Edition-W. H. Freeman (2008) (1)

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Proteínas Estructura terciaria

De acuerdo a la conformación de las proteínas se clasifican en proteínas fibrosas y globulares

Interacciones: enlaces puestes disulfuro entre Cys, puentes de hidrógeno entre cadenas laterales, interacciones iónicas, interacciones de van der waals, y el efecto hidrófobo.

David L. Nelson, Michael M. Cox-Lehninger Principles of Biochemistry, 5th Edition-W. H. Freeman (2008) (1)

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Interacciones y enlaces implicados en la estructura. proteica Formación de estructuras secundarias, terciaria y cuaternaria Contracciones estéricas: Los enlaces peptídicos poseen una libertad de rotación, que en ausencia de bloqueamientos esteáricos, le permiten a los ángulos Φ y Ψ alcanzar todos los valores comprendidos entre 180 y -180. la presencia de cadenas laterales restringen ángulos de torsión Las interacciones de Van Der Waals: Fuerzas atractivas y repulsivas, que dependen de la distancia ente los átomos y también de los ángulos de torsión en torno a los átomos de carbono α. Las interacciones electrostáticas: Las proteínas pueden considerarse como polielectrolitos. Los valores de pKa de los grupos ionizables de las cadenas laterales, pueden variar en más de una unidad según lo que le rodea. Enlaces de Hidrogeno: Pueden aparecer entre el oxigeno de un grupo carbonilo de un enlace peptídico y el hidrogeno del NH de otra unión polipeptídica. Estabilizan la estructura secundaria y terciaria. Interacciones Hidrófobas: La cadena lateral de los residuos de aminoácidos tiene una estructura química apolar. Uniones covalentes disulfuro: Uniones covalentes entre residuos de cisteína que limita el número de estructuras proteicas posibles y contribuyen a su estabilización. http://datateca.unad.edu.co/contenidos/202015/202015/leccin_13_protenas.html

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Desnaturalización de proteínas

Ejemplos http://www.genomasur.com/BCH/BCH_libro/capitulo_02.htm

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Proteínas: resumen • Las diferencias en la función de las proteínas se debe a las diferencias en la composición y secuencia de aminoácidos.

• Algunas variaciones en la secuencia son posibles para una proteína en particular, con poco o ningún efecto sobre la función. • Las secuencias de aminoácidos se deducen fragmentando polipéptidos en péptidos más pequeños con reactivos conocidos para escindir enlaces peptídicos específicos. Determinar la secuencia de aminoácidos de cada fragmento mediante el procedimiento automatizado de degradación de Edman; Ordenando luego los fragmentos peptídicos encontrando solapamientos de secuencia entre fragmentos generados por diferentes reactivos. También se puede deducir una secuencia de proteínas de la secuencia de nucleótidos de su correspondiente gen en el ADN. • Se pueden sintetizar químicamente proteínas y péptidos cortos (hasta aproximadamente 100 residuos). El péptido se construye, un residuo de aminoácido a la vez, mientras está atado a un soporte sólido. • Las secuencias de proteínas son una rica fuente de información sobre la estructura y función de las proteínas, así como la evolución de la vida en la Tierra. Se están desarrollando métodos sofisticados para rastrear la evolución analizando los cambios lentos resultantes en las secuencias de aminoácidos de proteínas homólogas.

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Proteínas Métodos para el análisis de proteínas

Tarea 1. Describa uno de los siguientes métodos para analizar aminoácidos y proteínas y busque una estrategia para mostrar la información a los compañeros de la clase en tan solo 5 minutos. 1. Cuantificación de proteínas totales: Biuret, Lowry, Kendal, BCA 2. Xantoproteica, Ninhidrina, Hopkins cole, Ehrlich

3. Turbidimetría y Absorción en el ultravioleta 4. Electroforesis SDS y 2D 5. Cromatografía: intercambio de iones, por exclusión de tamaños 6. Cromatografía de afinidad y HPLC 7. Espectrometría de masas 8. Dicroísmo circular 9. Difracción de rayos x 10. Wester Blot Fecha de entrega: viernes 1 de febrero 8:00 am aula de clase

Unidad 1 - Enzimas

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Enzimas Biomoléculas de naturaleza proteica especializadas en la catálisis de las reacciones químicas que tienen lugar en la célula Tienen una conformación tridimensional muy definida y determinada. Poseen un centro activo, que es un lugar sobre la superficie de la enzima donde la catálisis de la reacción tiene lugar y unen sus sustratos

Pueden unir grupos prostéticos que participan en las reacciones enzimáticas. pueden ser iones metálicos o varios tipos de compuestos orgánicos. http://www.bionova.org.es/biocast/tema14.htm

http://www.ehu.eus/biomoleculas/enzimas/enz2.htm

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Enzimas Catalizadores específicos

Sustancias que, sin consumirse en una reacción, aumentan notablemente su velocidad

Cada enzima cataliza un solo tipo de reacción, y casi siempre actúa sobre un único sustrato o sobre un grupo muy reducido de ellos.

http://www.bionova.org.es/biocast/tema14.htm

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Enzimas Distintos Grados de especificidad

Muy específico

Enzima sacarasa

Rompe el enlace β-glucosídico de la sacarosa o de compuestos muy similares Sustrato natural Sacarosa

Sustratos análogos Maltosa y la isomaltosa

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Recordemos

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Enzimas

Es una enzima digestiva encargada de degradar las proteínas de los alimentos en el intestino

Entre los enzimas poco específicos están las proteasas digestivas como la quimotripsina, que rompe los enlaces amida de proteínas y péptidos de muy diverso tipo.

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

CATÁLISIS QUÍMICA

Enzimas

Reacciones transcurren molécula a molécula R (reactivos) —› P (productos) El comienzo de la reacción requiere un aporte inicial de energía de activación (Ea). Cuanto menor es la Ea más fácilmente transcurre la reacción. Se necesita la energía suficiente para alcanzar un estado activado llamado estado de transición, en el que es muy fácil que se rompan o se formen uno o más enlaces químicos para formar los productos P. La diferencia entre la energía de los reactivos y la del estado de transición recibe el nombre de energía libre de activación

http://www.bionova.org.es/biocast/tema14.htm

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Enzimas CATÁLISIS QUÍMICA Acción de los catalizadores

Disminuir la Ea

Los enzimas son catalizadores especialmente eficaces, ya que disminuyen la Ea aún más que los catalizadores inorgánicos. Por ejemplo, la descomposición del agua oxigenada (H2O2) para dar H2O y O2 puede ocurrir sin catalizador, con un catalizador inorgánico (platino), o con un enzima específico (catalasa). Las respectivas Ea para cada proceso son 18, 12 y 6 Kcal/mol. Así, se puede calcular que el platino acelera la reacción 20.000 veces, mientras que la catalasa la acelera 370.000 veces. Para que una reacción química tenga lugar, las moléculas de los reactantes deben chocar con una energía y una orientación adecuadas. Explicación: http://www.bionova.org.es/biocast/tema14.htm

Unidad 1: Bioquímica

Enzimas

Enzimas

Modelos sobre la forma en que el sustrato se une al centro activo del enzima:

Llave-cerradura

La estructura del sustrato y la del centro activo son complementarias

http://www.bionova.org.es/biocast/tema14.htm

Ajuste inducido

La unión del sustrato al centro activo del enzima desencadena un cambio conformacional que da lugar a la formación del producto.

Unidad 1: Bioquímica

Enzimas REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Cambios de pH

Presencia de cofactores

http://www.bionova.org.es/biocast/tema14.htm

Enzimas

La actividad enzimática y la velocidad de la reacción puede estar modulada por los siguientes factores: Cambios de temperatura

Concentraciones del sustrato y el producto final

Ejemplo: http://www.bionova.org.es/biocast/tema14.htm

Unidad 1: Bioquímica

Enzimas REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

Enzimas

La actividad enzimática y la velocidad de la reacción puede estar modulada por los siguientes factores:

Presencia de inhibidores

No competitivo

Competitivo

Moduladores Alostéricos

Activador alostérico: favorece la unión del sustrato

Inhibidor alostérico: impide la unión del sustrato http://www.bionova.org.es/biocast/tema14.htm

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Enzimas REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

La actividad enzimática y la velocidad de la reacción puede estar modulada por los siguientes factores:

Modificación covalente

Activación por proteólisis

Isoenzimas http://www.bionova.org.es/biocast/tema14.htm

Enzyme Lactate Dehydrogenase

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Enzimas CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS En función de su acción catalítica específica, las enzimas se clasifican en 6 grandes grupos o clases: Oxidoreductasas Catalizan reacciones de oxidorreducción: transferencia de hidrógeno (H) o electrones (e) de un sustrato a otro, según la reacción general:

AH2 + B

A + BH2

Ared + Box

Aox + Bred

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

RANSFERASAS

Transferasas

Enzimas Catalizan la transferencia de un grupo químico (distinto del hidrógeno) de un sustrato a otro, según la reacción: A-B + C

A + C-B

Un ejemplo es la glucoquinasa

glucosa + ATP

ADP + glucosa-6-fosfato

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Enzimas Catalizan las reacciones de hidrólisis: Un ejemplo es la lactasa, que cataliza la reacción:

Hidrolasas

A-B + H2O

Liasas

A-B

AH + B-OH

Catalizan reacciones de ruptura o soldadura de sustratos: Un ejemplo es la acetacetato descarboxilasa, que cataliza la reacción:

A+B

ácido acetacético

CO2 + acetona

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Enzimas Isomerasas

A

Catalizan la interconversión de isómeros: Son ejemplos la fosfotriosa isomerasa y la fosfoglucosa isomerasa

B

Ligasas

Catalizan la unión de dos sustratos con hidrólisis simultánea de un nucleótido trifosfato (ATP, GTP, etc.):

Un ejemplo es la piruvato carboxilasa

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Enzimas Cinética química Reacción de orden cero

Reacción de primer orden

La velocidad de formación del producto es independiente de la concentración de sustrato: v=k

La velocidad de formación de los productos es directamente proporcional a la concentración del sustrato: v = k [A]. La velocidad de hidrólisis de la sacarosa es proporcional a la concentración de sacarosa. Dicho matemáticamente, donde [A] es la concentración de sacarosa a cada tiempo (t) y k es la constante de proporcionalidad

Reacción de segundo orden

la velocidad de formación del producto depende de la concentración de dos sustratos v = k [A1] [A2] Si tenemos un único sustrato v = k [A]2

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Enzimas

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Enzimas Cinética de Michales-Menten

Del estudio del modelo se desprende que la velocidad de transformación de sustrato en producto en una reacción enzimática depende:

http://www.biorom.uma.es/contenido/UIB/Jmoldesarrollo/enzimas/enzima5.html

•La cantidad de sustrato presente. [S] •La afinidad del enzima por el sustrato. Km •La cantidad de enzima presente. [E] •El poder catalítico del enzima. [k2]

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Enzimas A medida que la reacción transcurre, la velocidad de acumulación del producto va disminuyendo porque se va consumiendo el sustrato de la reacción Las reacciones catalizadas por enzimas son saturables. La velocidad de catálisis no muestra un comportamiento lineal al aumentar la concentración de sustrato. Si la velocidad inicial de la reacción se mide a una determinada concentración de sustrato, de la reacción aumenta linealmente con el aumento de la [S]. Sin embargo, Cuando aumentamos la [S], la enzima se satura de sustrato y alcanza su velocidad máxima (Vmax), que no sobrepasará en ningún caso, independientemente de la [S].

[S]= concentración del sustrato V= velocidad de la reacción

Unidad 1: Bioquímica Aminoácidos, péptidos y proteínas

Enzimas Animación cómo las enzimas trabajan • http://highered.mheducation.com/sites/0072495855/student_view0 /chapter2/animation__how_enzymes_work.html#

Transcripción del ADN https://www.youtube.com/watch?v=h6LRbI4XNrc

http://www.genomasur.com/BCH/BCH_libro/capitulo_02.htm

La bromelina

La papaína

Lactobacillus bulgaricus y Estreptococo thermophilus En condiciones anaeróbicas transforman la lactosa en glucosa y esta en ácido lático.

Unidad 1: Bioquímica Enzimas

Trabajo 2

Enzimas Metodología

Metodología - Gelatina sin sabor de origen animal. - Un trozo de corazón de piña. - Jugo de piña enlatada.

- Prepare un sobre de gelatina en 300 ml de agua caliente. Separe la mezcla en tres recipientes. - Tome un trozo de corazón de piña, licue y cuélelo. - A uno de los recipientes con gelatina no le adicione nada. A otro recipiente adiciónele dos cucharadas de jugo de piña enlatada y al último recipiente adiciónele dos cuharadas de jugo del corazón de la piña.

Informe 1. Haga un seguimiento en el tiempo de lo que esta sucediendo y compare los tres casos (registro fotográfico). 2. Identifique la enzima y el sustrato (describa sus propiedades). 3. Explique brevemente cómo funciona la enzima sobre el sustrato. Fecha de entrega: viernes 16 de febrero 8:00 am aula de clase