El agua

El agua

Está en  todas las células vivientes y forma de 60% a 90% de su masa, aunque hay excepciones que expulsan agua. En la bioquímica es importante entender el agua y sus propiedades .Los componentes macromoleculares como las proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos y membranas; asumen sus formas como respuesta al agua. Otras interaccionan con el agua haciéndolas solubles.

Las propiedades físicas le permiten funcionar como solvente de sustancias iónicas y polares, mientras que las propiedades químicas condicionan a enlaces débiles con otros compuestos.

La molécula de agua es polar

La molécula de agua tiene forma de V y el ángulo de los dos enlaces covalentes es de 104.5°.Sus propiedades se deben en su gran mayoría a su forma angulada. En el agua, los enlaces covalentes implican a dos átomos distintos de hidrogeno, cada uno comparte su único electrón con el átomo de oxígeno. El ángulo en el agua es de 104.5° pero si los electrones apuntaran a las cuatro esquinas de un tetraedro el ángulo seria de 109.5°. Esto es debido a una fuerte fuerza de repulsión entre pares de electrones solitarios y esa repulsión trata de unir enlaces covalentes, con reducción de ángulo a 104.5°.

La polaridad de una molécula depende de la polaridad de sus enlaces covalentes como de su geometría. La disposición angulada de los enlaces polares del agua produce un dipolo permanente para toda la molécula.

Puentes de hidrógeno en el agua

 

La atracción entre uno de los átomos de hidrógeno, ligeramente positivo, de una molécula de agua y los pares de electrones parcialmente negativos en uno de los orbitales híbridos sp³, produce un puente de hidrógeno.

En un puente de hidrógeno entre dos moléculas de agua, el átomo de hidrógeno permanece enlazado covalentemente a su átomo de oxigeno que es el donador de hidrógeno.

El agua no es la única molécula capaz de formar puentes de hidrógeno; esas pueden existir en cualquier átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno unido a otro átomo electronegativo. Los puentes de hidrógeno son más débiles que los enlaces covalentes típicos.

En los puentes de hidrógeno, la orientación es importante. Un puente de hidrógeno es más estable cuando el átomo de hidrógeno y los dos átomos electronegativos asociados a él forman casi una línea recta. Una sola molécula de agua puede formar puentes de hidrógeno hasta con cuatro moléculas de agua.

El agua como solvente

Las propiedades físicas se combinan para hacer al agua un solvente excelente. El pequeño tamaño de las moléculas de agua determina que puedan asociarse con partículas de soluto y hacerlas más solubles.

A.   Las sustancias iónicas y polares se disuelven en agua: El agua puede interactuar y disolver otros compuestos polares y compuestos que se ionizan. Las moléculas que se pueden disociar y formaciones se llaman electrolitos. Las sustancias que disuelven fácilmente en agua son denominadas electrofilicas o amantes del agua. Los electrolitos no son las únicas sustancias hidrofilicas que son solubles en agua. Toda  molécula polar también tendrá tendencia a solvatarse por moléculas de agua. Los compuestos orgánicos iónicos, como los carboxilatos y las aminas, deben su solubilidad en agua a sus grupos funcionales polares. La cantidad de grupos polares en una molécula afectan su solubilidad en agua.

B.   Concentraciones celulares y difusión: hay tres razones por la cual los solutos se disuelven con más lentitud en las células la viscosidad del citoplasma es mayor que la del agua, las moléculas con carga se enlazan automáticamente entre si dentro de las células y ello restringe su movilidad, los choques con moléculas de agua inhiben la difusión a causa de hacinamiento molecular.

C.   Presion osmótica: es la presión necesaria para evitar flujo de solvente que depende de la concentración molar total del soluto y no de su naturaleza química. Las membranas permeables al agua separan el citosol del medio externo.

Interacciones no covalentes

Se presentan clases de interacciones no covalentes:

·         Puentes de hidrogeno.

·         Interacciones hidrofóbicas.

·         Interacción carga – carga

·         Fuerza de van der Waals

A.   Interacciones carga- carga: son interacciones electrostáticas entre dos partículas cargadas. Son interacciones covalentes más grandes.

B.   Puentes de hidrogeno: En general cuando un átomo de hidrogeno está unido de forma covalente a un átomo fuertemente electronegativo se puede formar un puente de hidrogeno.

C.   Fuerza van der Waals: interacción entre dipolos permanentes de dos enlaces polarizados sin carga, o las interacciones entre un dipolo permanente y un dipolo transitorio, inducido en una molécula vecina. Son fuerzas de atracción como repulsión.

D.  Interacciones hidrofóbicas: Asociación de una molécula o grupo relativamente no polar con otras moleculas no polares.

El agua es nucleofilica

A las sustancias ricas en electrones se les llama nucleofilico (“amantes” del núcleo) porque buscan especies con carga positiva, o con deficiencia en electrones llamadas electrófilos (“amantes” del electrón). Los nucleofilicos pueden tener carga negativa o contar con pares no compartidos de electrones.

Ionización del agua

Una de las propiedades importantes del agua es su pequeña tendencia a ionizarse. La reacción de ionización es una reacción reversible típica. Las reacciones de protonación y desprotonación son muy rápidas.

La escala de pH

Existen varios procesos bioquímicos —como el transporte de oxígeno en la sangre, la catálisis de reacciones con enzimas y la generación de energía metabólica durante la respiración o la fotosíntesis— que están muy influidos por la concentración de protones.

Ecuacion de Henderson- hasselbalch que define al pH de una solución.

Se dice que el agua pura es “neutra” con respecto a la carga iónica total ya que la concentración de los iones hidrógeno con carga positiva y la de los iones hidróxido con carga negativa es igual.

También las soluciones acuosas pueden contener menos iones H⁺ que el agua pura.

Las soluciones básicas tienen valores de pH mayores que 7.0 y las soluciones ácidas tienen valores de pH menores que 7.0.

El valor normal de pH en la sangre humana es 7.4, que con frecuencia se llama pH fisiológico. La sangre de pacientes que padecen ciertas enfermedades, como diabetes, puede tener menor pH, condición que se llama acidosis. El estado en el que el pH de la sangre es mayor que 7.4 se llama alcalosis.

Proteínas

Proteina

Una proteína puede ser una sola cadena polipeptídica o puede estar formada por varias de esas cadenas unidas entre sí por interacciones débiles. Como regla general, cada cadena polipeptídica es codificada por un solo gen. El estudio de grandes conjuntos de proteínas, como el de todo el complemento de proteínas producidas por una célula, es parte de un campo emergente llamado proteómica.

Las proteínas tienen diversas formas. Muchas son macromoléculas aproximadamente esféricas, hidrosolubles y compactas cuyas cadenas polipeptídicas están dobladas de manera apretada.

Niveles de la estructura de las proteínas

· Estructura primaria: describe la secuencia lineal de residuos de aminoácidos en una proteína.

·  Estructura secundaria: regularidades en las conformaciones locales mantenidas por puentes de hidrogeno entre los hidrógenos de amida y los oxígenos de carbonilo en la columna vertebral del péptido.

·       Estructura terciaria: describe la cadena polipéptido totalmente plegada  y compactada.

·       Estructura cuaternaria: asociación de dos o más cadenas de polipetidica en una multisubunidad o proteína oligomera.

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Métodos para determinar la estructura de las proteínas

Se puede determinar por métodos químicos, como la degradación de Edman, o en forma indirecta, a partir de la secuencia del gen. La técnica acostumbrada para determinar la conformación tridimensional de una proteína es la cristalografía con rayos X. En esta técnica se apunta un haz de rayos X colimados, o paralelos, a un cristal de moléculas de proteína. Los electrones en el cristal difractan los rayos X, que se registran entonces en una película, o mediante un detector electrónico.

La técnica de cristalografía con rayos X se ha desarrollado hasta el punto en que es posible determinar la estructura de una proteína sin tener un conocimiento preciso de la secuencia de aminoácidos.

Hay muchas maneras de exhibir la estructura tridimensional de las proteínas. Los modelos volumétricos muestran a cada átomo como una esfera maciza.

Tales imágenes muestran la naturaleza densa y muy empacada de las cadenas polipeptídicas plegadas. Estos modelos de estructuras se usan para ilustrar la forma general de una proteína y la superficie expuesta a un solvente acuoso. Se puede apreciar con facilidad que el interior de las proteínas plegadas es casi impenetrable hasta para moléculas pequeñas como las del agua.

Otra técnica para analizar la estructura macromolecular de las proteínas es la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) (o NMR, de nuclear magnetic resonance). Este método permite estudiar las proteínas en solución, por lo que no requiere la tediosa preparación de cristales. En la espectroscopia de RMN se coloca una muestra de la proteína en un campo magnético.

Conformación del grupo peptídico

La estructura de las proteínas comienza con la de los enlaces peptídicos, o enlaces de péptido, que unen a los aminoácidos en una cadena polipeptídica. Los dos átomos que intervienen en el enlace peptídico, junto con sus cuatro sustituyentes (el átomo de oxígeno carbonílico, el átomo de hidrógeno de amida y los dos átomos adyacentes de carbono a) constituyen el grupo peptídico.

Debido a la naturaleza del doble enlace en el enlace peptídico, la conformación del grupo peptídico se restringe a una de dos conformaciones posibles, que puede ser trans o cis.En la conformación trans, los dos carbonos a de residuos adyacentes de aminoácido están en lados opuestos del enlace peptídico y en las esquinas opuestas del rectángulo que forma el grupo peptídico plano. En la conformación cis, los dos carbonos a están en el mismo lado del enlace peptídico y están más cerca entre sí. Las conformaciones cis y trans se producen durante la síntesis de la proteína, cuando el enlace peptídico se forma uniendo dos aminoácidos a la cadena polipeptídica.

La hélice alfa

La conformación helicoidal a fue propuesta por Linus Pauling y Robert Corey en 1950. Tuvieron en cuenta las dimensiones de los grupos peptídicos, las posibles restricciones estéricas y las oportunidades de estabilización por formación de puentes de hidrógeno. En teoría, una hélice a puede ser una rosca izquierda o derecha. Las hélices a que se encuentran en las proteínas casi siempre son derechas.

  

Hebras B y láminas B

La otra estructura secundaria común se llama estructura b, una clase que incluye a hebras B y láminas B.Las hebras B son partes de la cadena polipeptídica que se encuentran casi totalmente extendidas. Cada residuo en una hebra B ocupa de 0.32 a 0.34 nm de la longitud total, en contraste con la espiral compacta de una hélice alfa, donde cada residuo corresponde a 0.15 nm de la longitud general. Cuando se ordenan varias hebras B lado a lado forman láminas B. Las proteínas casi nunca contienen hebras B aisladas porque la estructura en sí no es mucho más estable que otras conformaciones. Sin embargo, las láminas B se hallan estabilizadas por puentes de hidrógeno entre los oxígenos carbonílicos y los hidrógenos de amida en hebras B adyacentes.

Asas y giros

En una hélice a o en una hebra b, los residuos consecutivos tienen una conformación similar que se repite en toda la estructura. También, las proteínas presentan tramos de estructura tridimensional no repetitiva. La mayor parte de esas regiones de estructura secundaria se puede caracterizar como rizos (o asas) y giros (o vueltas) porque causan cambios de dirección en la columna vertebral del polipéptido. Como en las regiones repetitivas, las conformaciones de los grupos peptídicos en las regiones no repetitivas están restringidas.

Las asas y los giros unen a hélices a y hebras b y permiten que la cadena de polipéptido se doble sobre sí misma para producir la forma tridimensional compacta que se ve en la estructura nativa. Hasta la tercera parte de los residuos de aminoácidos en una proteína típica está formada por esas estructuras no repetitivas. Las asas contienen con frecuencia residuos hidrofílicos y se suelen encontrar en las superficies de las proteínas, donde están expuestas al solvente y forman puentes de hidrógeno con el agua.

Las asas que sólo contienen pocos (hasta cinco) residuos se llaman giros si causan un cambio abrupto en la dirección de una cadena de polipéptidos. Los tipos más comunes de giros bruscos se llaman giros inversos.

Aminoácidos

Aminoácidos

El estudio de las proteínas ocupa a  los bioquímicos al desear comprender las composiciones, formas tridimensionales y actividades químicas.

Algunas funciones biológicas son:

A.   Muchas proteínas actúan como enzimas, los catalizadores bioquímicos. Las enzimas catalizan casi todas las reacciones que suceden en los organismos vivos.

B.   Algunas proteínas se unen con otras moléculas para su almacenamiento y transporte.

C.   Algunas proteínas, como la tubulina, actina y colágena, proporcionan soporte y forma a las células, y en consecuencia a los tejidos y los organismos.

D.  Los conjuntos de proteínas pueden efectuar trabajo mecánico, como el movimiento de flagelos, la separación de cromosomas en la mitosis y la contracción de los músculos.

E.   Muchas proteínas desempeñan un papel en la descodificación de la información celular.

F.    Algunas intervienen en la traducción, mientras que otras juegan un papel en la regulación de la expresión genética al unirse a los ácidos nucleicos. Algunas proteínas son hormonas que regulan las actividades bioquímicas en las células o los tejidos blancos; otras proteínas sirven como receptores de las hormonas.

G.  Algunas proteínas desarrollan funciones muy especializadas. Por ejemplo, los anticuerpos defienden a los vertebrados contra infecciones bacterianas y víricas, y las toxinas, que producen algunas bacterias, matan organismos mayores.

Estructura de los aminoácidos

Todos los organismos emplean los mismos 20 aminoácidos como bloques constructivos para armar las moléculas de proteína. A estos 20 aminoácidos se les llama aminoácidos comunes, estándar o normales. Se puede obtener una cantidad enorme de polipéptidos al unir los 20 aminoácidos comunes. Los aminoácidos se llaman así porque son derivados aminados de ácidos carboxílicos. En los 20 aminoácidos comunes, los grupos amino y carboxilo están unidos al mismo átomo de carbono: el átomo de carbono . Los estereoisómeros son compuestos que tienen la misma fórmula molecular pero difieren en el orden o configuración de sus átomos en el espacio. Los dos estereoisómeros son moléculas distintas que no se pueden interconvertir con facilidad entre sí ya que un cambio de configuración requiere romper uno o más enlaces. Los estereoisómeros de aminoácidos no son imágenes especulares (es decir, imágenes en espejo) superponibles; a dichos estereoisómeros se les llama enantiómeros.

Estructura de los aminoácidos

La estructura de los 20 aminoácidos se encuentra en proyecciones de Fischer. Se usan las abreviaturas de tres y de una letra para indicar cada aminoácido.

En los organismos vivos hay más de 200 aminoácidos diferentes. Además de los normales, que están incorporados en las proteínas, todas las especies contienen una diversidad de aminoácidos L que son precursores de los aminoácidos comunes, o bien son intermediarios en otras rutas bioquímicas. Algunos aminoácidos comunes sufren modificaciones químicas para producir aminas con importancia biológica. Se sintetizan con reacciones catalizadas por enzimas, que incluyen descarboxilación y desaminación.

A.   Grupos R alifáticos

La glicina (Gly, G) es el aminoácido más pequeño porque su grupo R no es más que un átomo de hidrógeno; en consecuencia, el carbono alfa de la glicina no es quiral.

Hay cuatro aminoácidos: alanina (Ala, A), valina (Val, V), leucina (Leu, L) y el isómero estructural de la leucina, isoleucina (Ile, I), que tienen cadenas laterales alifáticas saturadas.

La alanina, valina, leucina e isoleucina desempeñan un papel importante en el establecimiento y mantenimiento de las estructuras tridimensionales de las proteínas por su tendencia a agruparse lejos del agua. La valina, leucina e isoleucina se conocen como aminoácidos de cadena ramificada porque sus cadenas laterales de átomos de carbono contienen ramificaciones. Los tres aminoácidos son muy hidrofóbicos.

B.Grupos R aromáticos

La fenilalanina (Phe, F), tirosina (Tyr, Y) y el triptófano (Trp, W) presentan cadenas laterales con grupos aromáticos. En el caso de la fenilalanina es una cadena hidrofóbica bencílica. La tirosina se parece estructuralmente a la fenilalanina.

La cadena lateral del triptófano contiene un grupo indol bicíclico. La tirosina y el triptófano no son tan hidrofóbicos.

C.   Grupos R sulfurados

La metionina (Met, M) y la cisteína (Cys, C) son los dos aminoácidos azufrados. La metionina contiene un grupo tioéter metilo, no polar, en su cadena lateral, lo que la convierte en uno de los aminoácidos más hidrofóbicos. La metionina desempeña un papel especial en la síntesis de proteínas. La estructura de la cisteína se parece a la de la alanina, con un átomo de hidrógeno reemplazado por un grupo sulfhidrilo .

D.   Cadenas laterales con grupos alcohol

La serina (Ser, S) y la treonina (Thr, T) tienen cadenas laterales polares sin carga que contienen grupos beta-hidroxilo. Estos grupos alcohol dan carácter hidrofílico a las cadenas laterales alifáticas.

E.   Grupos R básicos

La histidina (His, H), lisina (Lys, K) y arginina (Arg, R) presentan cadenas laterales hidrofílicas que son bases nitrogenadas y tienen carga positiva a pH 7.

F.   Grupos R ácidos y sus amidas derivadas

El aspartato (Asp, D) y el glutamato (Glu, E) son aminoácidos dicarboxílicos y tienen cadenas laterales hidrofílicas con carga negativa a pH 7.

La asparagina (Asn, N) y la glutamina (Gln, Q) son las amidas del ácido aspártico y el ácido glutámico, respectivamente.

Otros aminoácidos y derivados de aminoácido

Algunos aminoácidos comunes sufren modificaciones químicas para producir aminas con importancia biológica. Se sintetizan con reacciones catalizadas por enzimas, que incluyen descarboxilación y desaminación. Los mamíferos pueden sintetizar la histamina a partir de la histidina. En la médula adrenal, la tirosina se metaboliza a epinefrina, que también se conoce como adrenalina.

Característica estructural de los aminoácidos

• ·         Carbono  alfa es un centro quiral.

·        Son ópticamente activos.

·         Tienen estructura tetraédrica.

·         Tienen dos enantiometros.

·         Configuración absoluta L o D.

 

Ionización de los aminoacidos

Las propiedades físicas de los aminoácidos reciben influencias de los estados iónicos de los grupos alfa -carboxilo y alfa-amino y de todos los grupos ionizables que haya en las cadenas laterales. Cada grupo ionizable guarda relación con un valor específico de pKa, que corresponde al pH al que son iguales las concentraciones de las formas protonada y no protonada Cuando el pH de la solución es menor que el pKa, predomina la forma protonada y el aminoácido es entonces un ácido real, capaz de donar un protón. Cuando el pH de la solución es mayor que el pKa del grupo ionizable, la forma no protonada de ese grupo predomina, y el aminoácido existe en forma de base conjugada, que es aceptora de protones. Cada aminoácido tiene al menos dos valores de pKa que corresponden a la ionización de los grupos alfa -carboxilo y alfa-amino.

Unión de aminoácidos por enlace peptídico

El enlace que se forma entre los aminoácidos es un enlace de amida y se llama enlace peptídico, o enlace de péptido. Esta unión se puede concebir como el resultado de una condensación simple del grupo carboxilo alfa de un aminoácido con el grupo amino alfa de otro. 

Los grupos que intervienen en los enlaces peptídicos no tienen cargas iónicas.

Tecnicas de purificación de las proteínas

La mayor parte de las técnicas de purificación se lleva a cabo entre 0 y 4°C para minimizar los procesos dependientes de la temperatura, como la degradación y la desnaturalización (desdoblado) de la proteína. El primer paso en la purificación de una proteína es preparar una solución de proteínas. El siguiente paso de la purificación es, con frecuencia, una relativamente separación cruda, o fraccionamiento, procedimiento que aprovecha las distintas solubilidades de las proteínas en soluciones salinas. Se mezcla suficiente sulfato de amonio con la solución de proteínas para precipitar a las impurezas menos solubles, que se eliminan por centrifugación.

La proteína objetivo, y otras más, con mayor solubilidad, permanecen en el líquido que se llama fracción sobrenadante. A continuación se añade más sulfato de amonio a la fracción sobrenadante y se precipita la proteína que se desea. La mezcla se centrifuga, se separa el líquido y el precipitado se disuelve en un volumen mínimo de solución amortiguadora. En el caso típico, el fraccionamiento con sulfato de amonio obtiene una purificación del doble al triple (es decir, de la mitad a dos terceras partes de las proteínas no deseadas se eliminan de la fracción que resulta, de proteína enriquecida). En este momento, el solvente que contiene sulfato de amonio residual se intercambia por diálisis por una solución amortiguadora adecuada para cromatografía. En la diálisis, se coloca una solución de la proteína en un cilindro de tubo de celofán sellado en un extremo. A continuación el tubo se sella en el otro extremo y se suspende dentro de un gran volumen de solución amortiguadora.

Las técnicas cromatográficas se clasifican de acuerdo con el tipo de matriz. En la cromatografía de intercambio iónico la matriz tiene cargas positivas (resinas de intercambio de aniones) o cargas negativas (resinas de intercambio de cationes).

La cromatografía por filtración en gel separa a las proteínas con base en su tamaño molecular.

La cromatografía de afinidad es el tipo de cromatografía en columna más selectivo.

Se basa en interacciones específicas de unión entre la proteína deseada y alguna otra molécula enlazada en forma covalente a la matriz de la columna.

Tecnicas analíticas

A.   Electroforesis en gel de poliacrilamida: las muestras de proteína se colocan en una matriz de gel de poliacrilamida con muchos enlaces cruzados y se aplica un campo eléctrico.

B.   Espectrometría de masas, como indica el nombre, es una técnica que determina la masa de una molécula. El tipo más sencillo de espectrómetro de masas mide el tiempo que tarda una molécula cargada, en fase gaseosa, para trasladarse desde su punto de inyección hasta un detector sensible.

C.   Espectrometría de masas por electroaspersión: la solución de proteína se bombea a través de una aguja metálica, a alto voltaje, para crear diminutas gotitas. El líquido se evapora con rapidez en un vacío y las proteínas cargadas se enfocan hacia un detector mediante un campo magnético.

D.  Ionización por desorción asistida por matriz: En este método la proteína se mezcla con una matriz química y la mezcla se precipita en un sustrato metálico.