Bioquímica General Intermedia Lehninger Principles of Biochemistry Fourth Edition David L. Nelson and Michael M. Cox

Biomoléculas y Agua Capítulos 1 y 2

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

PORCENTAJE 63.0 25.2 9.5 1.4

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. electrones

414

351

712

292

615

343

615

816

Biomoléculas Cuál es la energía de disociación de un enlace covalente? Enlace O-H H-H P-O C-H N-H C-O C-C S-H C-N C-S N-O S-S

Energía kJ/mol 470 436 419 414 389 351 343 339 293 260 222 214

C=O C=N C=C P=O

712 615 611 502

C≡C 816 N ≡N 930

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

Propiedades de Biomoléculas Reflejan su Aptitud a la Condición Viviente • • • • •

van der Waals: 0.4-4.0 kJ/mol Puentes de Hidrógeno: 12-30 kJ/mol Enlaces Iónicos : 20 kJ/mol Interacciones Hidrofóbicas : 3,000 5 20 500

1

20

Hidroxilo (alcohol) Carbonilo (aldehído)

Carboxilo

carboxilo amino

imidazol

fenilo metilo

hidroxilos

amino

Epinefrina

grado de oxidación del carbono en las moléculas biológicas

Totalmente reducido

Totalmente oxidado

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

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

Proteínas Hormonas peptídicas Neurotransmisores Alcaloides tóxicos

Aminoácidos

MONOMEROS QUE DAN ORIGEN A LAS MACROMOLECULAS BIOLOGICAS

Adenina

Acidos nucleicos ATP Coenzimas Neurotransmisores

Acido palmítico

Glucosa

Lípidos de membrana Grasas Ceras Celulosa Almidón Fructosa Manosa Sucrosa Lactosa

AGUA • • • •

Propiedades del Agua pH Buffers Papel del agua en ambiente

AGUA

PUENTES DE HIDROGENO

Punto de fusión, ebullición y calor de vaporización de algunos solventes comunes Fusión (°C) Agua Metanol (CH2OH) Propanol (CH3(CH2)2CH2OH) Butanol (CH3(CH2)2CH2OH Acetona (CH3COCH3) Benceno (C6H6) Cloroformo (CHCl3)

0 - 98 -127 -90 -95 6 -63

Ebullición (°C) 100 66 97 117 56 80 61

Calor de vaporiz. (J/g)* 2,260 1,100 687 590 523 394 247

* medida de energía requerida para romper fuerzas atracción entre moléculas

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

Comparasión entre Hielo y Agua • • • •

Puentes 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 = 0.00000000001 sec)

átomos electronegativos

Aceptor de hidrógeno

Donador de hidrógeno

átomos electronegativos

Hidroxilo de alcohol y H2O

Carbonilo de cetona y H2O

Grupos peptídicos en polipéptido

Entre bases complementarias del DNA

Propiedades Solventes del Agua • Iones 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

Cabeza grupo hidrofílico

Cola hidrofóbica alifática

Moléculas de agua altamente ordenadas forman “jaulas” alrededor de cadenas alifáticas hidrofóbicas

Interacciones Hidrofóbicas • Un 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 200-400 kJ/mol)

Lípidos dispersos en H2O Cada molécula lipídica fuerza las moléculas de agua que lo rodea a que estén altamente ordenadas

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

Compuestos anfipáticos en solución

Micelas Todos los grupos hidrofóbicos están secuestrados del agua; se minimiza la capa de moléculas de agua y la entropía aumenta

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

AGUA •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-

H20

H+ + OH-

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

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

ESCALA DE pH [H+](M) 100 M (1) 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14

pH

[OH-](M)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

pOH 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

El pH y la [H+] en los fluidos corporales Fluido Plasma •Acidemia extrema •Normal •Alcalemia extrema

pH

7.0 7.4 7.7

Jugo pancreático 8.0 Acidez urinaria máxima 4.5 Jugo gástrico 2.0

[H+] mol/L

1 x 10-7 4 x 10-8 2 x 10-8 1 x 10-8 3 x 10-5 1 x 10-2

A C I D O S Molécula capaz de donar protones Si una molécula capaz de disociarse para producir H+ es añadida al agua, protón se combinará con H2O para formar más H3O+ HCl + H20

←

H+ + Cl-

Aumenta cantidad de H+/H3O+ de la solución y pH cambia (baja)

B A S E • Molécula 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- + H30+

H20

Algunas bases aceptan directamente un protón

NH3 + H30+

NH4+ + H20

FUERZA DE LOS ACIDOS Y BASES Facilidad con la que aceptan o donan protones Un ácido FUERTE se ioniza casi totalmente y cambia el pH de manera marcada

HCl + H20

←

H30+ + Cl-

Lo mismo para una base fuerte, p.ej. NaOH

NaOH +H20

←

Na+ + OH-

FUERZA DE LOS ACIDOS Y BASES Un 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 + H30+

→

NH4+ + H20

Ninguno de ellos cambia el pH de manera significativa

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.

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.

 El ácido débil resiste el cambio de la adición de base (OH-).  La base débil resiste el cambio de la adición de ácido (H + ).

CH3-COOH Acido débil Acético

CH3-COO- + H+ Base conjugada Acetato

[CH3 – COO-] [H+] Ka = ______________ [CH3 – COOH] [A-] [H+] Ka = _______ [HA]

[A-] [H+] Ka = _______ [HA] log Ka = log [A-] + log [H+] – log [HA] -log [H+] = - log Ka + log [A-] - log [HA]

Ecuación de Henderson-Hasselbach

TITULACION DE UN ACIDO DEBIL

FOSFATO TIENE 3 pKs

Buffers Fisiológicos  El sistema buffer más usado en el cuerpo humano es una mezcla de ácido carbónico y su base conjugada, el ión bicarbonato (HCO3 -), el cual mantiene el pH de la sangre entre 7.35 y 7.45 .

LISOSOMAS: Cuál es el pH de esta organela? Si el pH de la célula es 7.4, cómo se mantiene el pH de los lisosomas?

Consideremos la Disociación del Acido Acético Asumamos que se ha añadido 0.1 eq base de una solución totalmente protonada de ác. acético • La ecuación de Henderson-Hasselbalch puede ser usada para calcular el pH de la solución: Con 0.1 eq OH¯ añadidos: • pH = pKa + log10 [0.1 ]

¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

[0.9]

• pH = 4.76 + (-0.95) • pH = 3.81

Considemos la Disociación del Acido Acético Otros casos.... • Qué sucede si añadimos exactamente 0.5 eq de base a una solución de ácido acético totalmente protonado? • Hacer este ejercicio • Cuál es el pH si añadimos 0.9 eq de base a una solución de ácido totalmente protonado? • Hacer este ejercicio