Información

2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_06 - Biología

2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_06 - Biología


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Objetivos de aprendizaje asociados con 2020_Spring_Bis2a_Facciotti_Lecture_06

  • Ser capaz de clasificar biomoléculas comunes como lípidos, proteínas, carbohidratos o ácidos nucleicos.
  • Identificar y nombrar grupos funcionales polares y apolares.
  • Identificar macromoléculas en función de sus grupos funcionales.
  • Cree ilustraciones que sirvan como modelos de las estructuras tridimensionales de proteínas, carbohidratos y bicapas de fosfolípidos. Genere varios modelos para abarcar varios niveles de detalle y abstracción, como la estructura de una molécula específica hasta una función general en una célula..
  • Cree un boceto abstracto "a nivel de piezas" de un glicerofosfolípido que incluye (a) colas de lípidos (b) glicerol (c) fosfato (d) alguna decoración (por ejemplo, etanolamina). No es necesario que sea una estructura átomo por átomo, sino bastante una caricatura que representa el orden y los tipos de vínculos entre elementos.
  • Dibuja cómo las moléculas de agua pueden interactuar con las subpartes de lípidos.
  • Describir cómo las estructuras y propiedades químicas de los lípidos contribuyen a sus funciones (por ejemplo, formación de estructuras de membrana, contribución a la fluidez de la membrana, etc.).
  • Compare y contraste la influencia de diferentes longitudes de cadena de fosfolípidos y grado de saturación en lípidos de la membrana sobre la fluidez de la membrana.
  • Cree ilustraciones simples de carbohidratos que incluyan los principales grupos funcionales, la formación de enlaces glicosídicos y las posibles interacciones de los carbohidratos con moléculas de agua u otras biomoléculas.
  • Haga un diagrama de los azúcares pentosa y hexosa, sea capaz de numerar sus átomos de carbono e identifique los grupos funcionales clave en cada molécula.
  • Describe cómo el pH puede influir en el estado de protonación de los grupos funcionales en una biomolécula y cómo los cambios en el pH pueden influir en la función de las proteínas.
  • Describe la estructura y todas las partes de un aminoácido y un polipéptido.
  • Si se le dan los grupos R de aminoácidos, podrá categorizarlos como no polares, polares, ácidos o básicos a pH fisiológico.
  • Predecir la influencia potencial de los cambios de pH en la estructura y función de las biomoléculas.
  • Dados dos o más aminoácidos,pKavalores para grupos funcionales y un pH específico, dibuje una figura que represente los aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, identifique la columna vertebral y las cadenas laterales, los productos de las reacciones de condensación y las moléculas de agua que interactúan con la estructura.
  • Comprender cómo la secuencia de 1 ° y cómo las combinaciones de aminoácidos influyen en las estructuras de 2 °, 3 ° y 4 ° de una proteína.
  • Relacionar estructuras básicas, como hélices alfa y beta plisadas.hojasa la estructura terciaria de una proteína.
  • Describir las interacciones entre los aminoácidos en los niveles primario, secundario y terciario de la estructura de las proteínas.
  • Describa y discuta eltipos deenlaces y las porciones de los aminoácidos (grupo carboxilo,aminadogrupo, grupo R, carbono alfa) que son responsables de la formación de la estructura 1 °, 2 °, 3 ° y 4 ° de una proteína.
  • Cree modelos de dibujos animados simples que representen estructuras proteicas secundarias, terciarias y cuaternarias.
  • Comprender cómo los cambios en los aminoácidos en la bolsa de unión y / o el pH pueden alterar las moléculas pequeñas que se unen a las proteínas, si se proporciona información sobre los aminoácidos del sitio de unión..
  • Identificar un nucleótido a partir de su estructura molecular y poder descomponer la molécula en tres unidades funcionales principales:nitrogenadobase, ribosa y fosfatos.

Lípidos

Lípidos son un grupo diverso de compuestos hidrofóbicos que incluyen moléculas como grasas, aceites, ceras, fosfolípidos y esteroides. La abundancia de grupos funcionales apolares confiere a los lípidos un grado de hidrofóbica (teme al agua ”) y la mayoría de los lípidos tienen baja solubilidad en agua. La diversidad de moléculas de lípidos y su rango de actividades biológicas son quizásasombrosamentegrande para la mayoría de los nuevos estudiantes de biología. Comencemos por desarrollar un conocimiento básico de esta clase de biomoléculas.

Grasas y aceites

Una molécula de grasa común o triglicéridos. Estos tipos de moléculas son hidrófobas y, aunque tienen muchas funciones, probablemente sean más conocidas por su papel en la grasa corporal y los aceites vegetales. Molécula de triglicérido derivada de dos tipos de componentes moleculares: un grupo de "cabeza" polar y un grupo de "cola" no polar. El grupo "cabeza" de un triglicéridoses derivadoa partir de una sola molécula de glicerol. Glicerol, un carbohidrato,esta compuestode tres carbonos, cinco hidrógenos y tres grupos funcionales hidroxilo (-OH). El no polar ácido graso El grupo de "cola" comprende tres hidrocarburos (un grupo funcional compuesto por enlaces C-H) que también tienen un grupo funcional carboxilo polar (de ahí el término "ácido graso": el grupo carboxilo es ácido como máximo biológicamente relevantepH). El número de carbonos en el ácido graso puede variarde 4 a 36; Los más comunes son los que contienen de 12 a 18 carbonos.

Figura 1.Triacilglicerolestá formado por la unión de tres ácidos grasos a una columna vertebral de glicerol en una reacción de deshidratación.Se liberan tres moléculas de aguaen el proceso. Atribución:Marc T. Facciotti (trabajo propio).

Los modelos de los triglicéridos que se muestran arriba representan la relativo posiciones de los átomos en la molécula. Si busca en Google imágenes detriglicéridosencontrará algunos modelos que muestran las colas de fosfolípidos en diferentes posiciones de las que se muestran arriba. Utilizando su intuición, ¿puede dar una opinión sobre qué modelo cree que es una representación más correcta de la vida real? ¿Por qué?

Grasas naturales como mantequilla, aceite de canola, etc.están compuestosprincipalmente de triglicéridos. Las propiedades físicas de estas diferentes grasas varían en función de dos factores:

  1. El número de carbonos en las cadenas de hidrocarburos;
  2. El número de desaturaciones, o dobles enlaces, en las cadenas de hidrocarburos.

El primer factor influye en cómo estas moléculas interactúan entre sí y con el agua, mientras que el segundo factor influye drásticamente en su forma. La introducción de un doble enlace provoca una "torsión" en el hidrocarburo, por lo demás relativamente "recto", que se muestra en forma ligeramente exagerada en la Figura 3.

Con base en lo que puede comprender de esta breve descripción, ¿puede explicar por qué la mantequilla es sólida a temperatura ambiente mientras que el aceite vegetal es líquido?

Aquí hay una información adicional que podría ayudarlo a responder la pregunta: la mantequilla tiene un mayor porcentaje de hidrocarburos saturados y más largos en sus triglicéridos que el aceite vegetal.


Conexión de la vida real:

¿Alguna vez pensó en la importancia de los lípidos para la visión? Leer más aquí.

Esteroles

Esteroides son lípidos con una estructura de anillo fusionado. Aunque no se parecen a los otros lípidos discutidos aquí,están designadoscomo lípidos porquetambién están compuestos en gran partede carbonos e hidrógenos, son hidrófobos y son insolubles en agua. Todos los esteroides tienen cuatro anillos de carbono enlazados. Muchos esteroides también tienen el grupo funcional -OH que los coloca en la clasificación de alcohol de los esteroles. Varios esteroides, como el colesterol, tienen una cola corta. El colesterol es el esteroide más común. Esose sintetiza principalmenteen el hígado y es el precursorparamuchas hormonas esteroides como la testosterona. También es el precursor de la vitamina D y de las sales biliares que ayudan en la emulsificacion de grasas y su posterior absorción por las células. Aunque el colesterolse habla a menudoEn términos negativos, es necesario para el correcto funcionamiento de muchas células animales, particularmente en su papel como componente de la membrana plasmática dondees conocido por modularestructura, organización y fluidez de la membrana.

Figura 4. El colesterol es unmodificadomolécula lipídica quese sintetizapor las células animales y es un elemento estructural clave en las membranas celulares. El cortisol es una hormona (molécula de señalización) quea menudo se lanzaen respuesta al estrés. Atribución:Marc T. Facciotti (trabajo propio).

Fosfolípidos

Fosfolípidos son componentes principales de la membrana celular, la capa más externa de las células. Como grasasestán compuestosde cadenas de ácidos grasos unidas a una molécula de glicerol. A diferencia de los triacilgliceroles, los fosfolípidos tienen dos colas de ácidos grasos y un grupo fosfato unido al azúcar. Por tanto, los fosfolípidos son anfipático moléculas, lo que significa que tienen una parte hidrofóbica y una parte hidrofílica. Las dos cadenas de ácidos grasos que se extienden desde el glicerol son hidrófobas y no pueden interactuar con el agua, mientras que el grupo de cabeza que contiene fosfato es hidrófilo e interactúa con el agua. ¿Puede identificar los grupos funcionales en el fosfolípido a continuación que le dan a cada parte del fosfolípido sus propiedades?

Nota

Observe en la Figura 5 que el grupo fosfato tiene un grupo R unido a uno de los átomos de oxígeno. R es una variable comúnmente utilizada en este tipo de diagramas para mostrar algún otro átomo o molécula unido a esa posición. Esa parte de la molécula puede ser diferente en diferentes fosfolípidos, e impartirá una química diferente a toda la molécula. Por el momento, sin embargo, estásresponsable de sercapaz de reconocer estotipo demolécula (sin importar cuál sea el grupo R) debido a los elementos centrales comunes: la columna vertebral de glicerol, el grupo fosfato y las dos colas de hidrocarburos.

Figura 5. Un fosfolípido es una molécula con dos ácidos grasos y unmodificadogrupo fosfato unido a una columna vertebral de glicerol.El fosfato puede modificarse mediante la adición de grupos químicos cargados o polares.. Varios grupos R químicos puedenmodificarel fosfato. Colina, serina y etanolaminason exhibidosaquí. Estos se unen al grupo fosfato en la posición marcada R a través de sus grupos hidroxilo.
Atribución:Marc T. Facciotti (trabajo propio).

1,2-dioleoil-sn-glicero-3-fosfo-L-serina

En presencia de agua, algunos fosfolípidos se organizarán espontáneamente en una micela (Figura 6). Los lípidos se ordenan de tal manera que sus grupos polares están en el exterior de la micela y las colas no polares están en el interior. En otras condiciones, también se puede formar una bicapa lipídica. Esta estructura, de solo unos pocos nanómetros de espesor,esta compuestode dos capas opuestas de fosfolípidos de modo que todas las colas hidrófobas se alinean cara a cara en el centro de la bicapa yestán rodeadospor los grupos de cabeza hidrófilos. Se forma una bicapa de fosfolípidos como la estructura básica de la mayoría de las membranas celulares yestánresponsable de la naturaleza dinámica de la membrana plasmática.

Figura6.En presencia de agua, algunos fosfolípidos se organizarán espontáneamente en una micela. Fuente: Creado por Erin Easlon (trabajo propio).​​​​​​

Como se mencionó anteriormente, si tomara algunos fosfolípidos puros y los dejara caer en agua, algunos fosfolípidos formarían espontáneamente micelas. Esto suena como un proceso que podría describir una historia de energía. Regrese a la rúbrica de Energy Story y vea si puede intentar crear una Energy Story para este proceso; espero que los pasos que involucran la descripción de la energía sean difíciles en este punto (volveremos a eso más adelante) pero usted debe poder hacer al menos los primeros tres pasos.

Discutimos la membrana de fosfolípidos en un módulo posterior. Es importante recordar las propiedades químicas asociadas con los grupos funcionales en el fosfolípido para comprender la función de la membrana celular.

Carbohidratos

Los carbohidratos son una de las cuatro clases principales de macromoléculas que componen todas las células y son una parte esencial de nuestra dieta; los cereales, las frutas y las verduras son fuentes naturales. Si bien podemos estar más familiarizados con el papel que juegan los carbohidratos en la nutrición, también tienen una variedad de otras funciones esenciales en humanos, animales, plantas y bacterias. En esta sección, discutiremos y revisaremos conceptos básicos de estructura y nomenclatura de carbohidratos, y una variedad de funciones que desempeñan en las células.

Estructuras moleculares

En su forma más simple, carbohidratos puede representarse mediante la fórmula estequiométrica (CH2O)norte, dónde norte es el número de carbonos en la molécula. Para los carbohidratos simples, la proporción de carbono a hidrógeno a oxígeno en la molécula es 1: 2: 1. Esta fórmula también explica el origen del término "carbohidrato": los componentes son carbono (carbo ”) y los componentes del agua (hidratar").Los carbohidratos simples se clasificanen tres subtipos: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos, queser discutidodebajo. Si bien los carbohidratos simples se encuentran muy bien en esta proporción de 1: 2: 1, los carbohidratos también pueden ser estructuralmente más complejos. Por ejemplo, muchos carbohidratos contienen grupos funcionales (recuérdelos de nuestra discusión básica sobre química) además del hidroxilo obvio. Por ejemplo, los carbohidratos pueden tener fosfatos o grupos amino sustituidos en una variedad de sitios dentro de la molécula. Estos grupos funcionales pueden proporcionar propiedades adicionales a la molécula y alterarán su función general. Sin embargo, incluso con este tipo de sustituciones, la estructura general básica de los carbohidratosEs retenidoy fácilmente identificable.

Nomenclatura

Un problema con la química de los carbohidratos es la nomenclatura. Aquí hay algunas reglas rápidas y simples:

  1. Los carbohidratos simples, como glucosa, lactosa o dextrosa, terminan con una "-osa".
  2. Los carbohidratos simples se pueden clasificarbasado en el número de átomos de carbono en la molécula, como con triosa (tres carbonos), pentosa (cinco carbonos) o hexosa (seis carbonos).
  3. Los carbohidratos simples se pueden clasificarbasado en el grupo funcional que se encuentra en la molécula,es decircetosa (contiene una cetona) o aldosa (contiene un aldehído).
  4. Polisacáridosa menudo están organizadospor el número de moléculas de azúcar en la cadena, como en un monosacárido, disacárido o trisacárido.

Para ver un video corto sobre la clasificación de carbohidratos, vea el video de 10 minutos de Khan Academy haciendo clic aquí.

Monosacáridos

Monosacáridos ("mono-" = uno; "sacar- "= dulce) son azúcares simples; el más común es la glucosa. En los monosacáridos, el número de carbonos suele oscilar entre tres y siete. Si el azúcar tiene un grupo aldehído (el grupo funcional con la estructura R-CHO),es conocidacomo una aldosa; si tiene un grupo cetona (el grupo funcional con la estructura RC(= O)R '),Es sabidocomo cetosa.

Figura 1. Los monosacáridos se clasifican según la posición de su grupo carbonilo y el número de carbonos en la columna vertebral. Las aldosas tienen un grupo carbonilo (indicadoen verde) al final de la cadena de carbono y las cetosas tienen un grupo carbonilo en el medio de la cadena de carbono. Las triosas, pentosas y hexosas tienen tres, cinco y seis carbonos en su columna vertebral, respectivamente. Atribución:Marc T. Facciotti (trabajo propio).

Glucosa versus galactosa

Galactosa (parte delactosa,o azúcar de leche) y glucosa (que se encuentran en la sacarosa, disacárido de glucosa) son otros monosacáridos comunes. La fórmula química de la glucosa y la galactosa es C6H12O6;ambosson hexosas, pero las disposiciones de los hidrógenos y los grupos hidroxilo son diferentes en la posición C4. Debido a esta pequeña diferencia, difieren estructural y químicamente yson conocidoscomo isómeros químicos debido a la diferente disposición de los grupos funcionales alrededor del carbono asimétrico;ambosde estoslos monosacáridos tienenmas queun carbono asimétrico (compare las estructuras en la figura siguiente).

Fructosa versus glucosa y galactosa

Se puede hacer una segunda comparaciónal mirar glucosa, galactosa y fructosa (el segundo carbohidrato que junto con la glucosa constituye el disacárido sacarosa y es un azúcar común que se encuentra en la fruta). Los tres son hexosas; Sin embargo, existe una diferencia estructural importante entre la glucosa y la galactosa y la fructosa: el carbono que contiene la carbonilo (C = O).

En glucosa y galactosa, el grupo carbonilo está en el C1 carbono, formando un aldehído grupo. En fructosa, el grupo carbonilo está en el C2 carbono, formando un cetona grupo. Los antiguos azúcaresson llamadosaldosis basado en el grupo aldehído quese forma;este último está designadocomo un cetosa basado en el grupo de las cetonas. Nuevamente, esta diferencia le da a la fructosa propiedades químicas y estructurales diferentes de las de las aldosas, glucosa y galactosa, aunque la fructosa, la glucosa y la galactosa tienen todas la misma composición química: C6H12O6.

Figura 2. La glucosa, la galactosa y la fructosa son todas hexosas. Son isómeros estructurales, lo que significa que tienen la misma fórmula química (C6H12O6) pero una disposición diferente de átomos.

Forma lineal versus anular de los monosacáridos

Los monosacáridos pueden existir como una cadena lineal o como moléculas en forma de anillo. En soluciones acuosas, los monosacáridos generalmente se encuentran en forma de anillo (Figura 3). La glucosa en forma de anillo puede tener dos disposiciones diferentes del grupo hidroxilo (OH) alrededor del carbono anomérico (C1 que se vuelve asimétrico en el proceso de formación del anillo). Si el grupo hidroxilo está por debajo de C1 en el azúcar, se dice que está en la posición alfa (α), y si está por encima de C1 en el azúcar, se dice que está en la posición beta (β).

Figura 3. Los monosacáridos de cinco y seis carbonos existen en equilibrio entre la forma lineal y de anillo. Cuando se forma el anillo, la cadena lateral sobre la que se cierra se bloquea en una posición α o β. La fructosa y la ribosa también forman anillos, aunque forman anillos de cinco miembros en oposición al anillo de glucosa de seis miembros.

Disacáridos

Disacáridos ("di-" = dos) se forman cuando dos monosacáridos experimentan una reacción de deshidratación (también conocida como reacción de condensación o síntesis de deshidratación).Durante este proceso, el grupo hidroxilo de un monosacárido se combina con el hidrógeno de otro monosacárido, liberando una molécula de agua y formando un enlace covalente. Un enlace covalente formado entre una molécula de carbohidrato y otra molécula (en este caso, entre dos monosacáridos) se conoce como glucosídico vínculo. Los enlaces glucosídicos (también llamados enlaces glucosídicos) pueden ser de tipo alfa o beta.

Figura 4. La sacarosa se forma cuando un monómero de glucosa y un monómero de fructosa se unen en una reacción de deshidratación para formar un enlace glicosídico. En el proceso, se pierde una molécula de agua. Por convención, los átomos de carbono en un monosacárido se numeran desde el carbono terminal más cercano al grupo carbonilo. En sacarosa, se forma un enlace glicosídico entre el C1 carbono en glucosa y el C2 carbón en fructosa.

Los disacáridos comunes incluyen lactosa, maltosa y sacarosa (Figura 5). La lactosa es un disacárido que consta de los monómeros glucosa y galactosa. Se encuentra naturalmente en la leche. La maltosa, o azúcar de malta / grano, es un disacárido formado por una reacción de deshidratación entre dos moléculas de glucosa. El disacárido más común es la sacarosa o azúcar de mesa, que se compone de los monómeros glucosa y fructosa.

Figura 5. Los disacáridos comunes incluyen maltosa (azúcar de grano), lactosa (azúcar de la leche) y sacarosa (azúcar de mesa).

Polisacáridos

Una cadena larga de monosacáridos unidos por enlaces glicosídicos se conoce como polisacárido ("poli-" = muchos). La cadena puede ser ramificada o no ramificada y puede contener diferentes tipos de monosacáridos. El peso molecular puede ser de 100.000 Daltons o más, dependiendo del número de monómeros unidos. El almidón, el glucógeno, la celulosa y la quitina son ejemplos principales de polisacáridos.

El almidón es la forma almacenada de azúcares en las plantas y se compone de una mezcla de amilosa y amilopectina; ambos son polímeros de glucosa. Las plantas pueden sintetizar glucosa. El exceso de glucosa, la cantidad sintetizada que supera las necesidades energéticas inmediatas de la planta, se almacena como almidón en diferentes partes de la planta, incluidas las raíces y las semillas. El almidón de las semillas proporciona alimento al embrión a medida que germina y también puede actuar como fuente de alimento para humanos y animales que pueden comer la semilla. El almidón que consumen los seres humanos se descompone mediante enzimas, como las amilasas salivales, en moléculas más pequeñas, como maltosa y glucosa.

El almidón está formado por monómeros de glucosa que están unidos por enlaces glicosídicos 1-4 o 1-6; los números 1-4 y 1-6 se refieren al número de carbonos de los dos residuos que se han unido para formar el enlace. Como se ilustra en la Figura 6, la amilosa es almidón formado por cadenas no ramificadas de monómeros de glucosa (solo enlaces 1-4), mientras que la amilopectina es un polisacárido ramificado (enlaces 1-6 en los puntos de ramificación).

Figura 6. La amilosa y la amilopectina son dos formas diferentes de almidón. La amilosa se compone de cadenas no ramificadas de monómeros de glucosa conectados por 1-4 enlaces glicosídicos. La amilopectina se compone de cadenas ramificadas de monómeros de glucosa conectados por enlaces glicosídicos 1-4 y 1-6. Debido a la forma en que se unen las subunidades, las cadenas de glucosa tienen una estructura helicoidal. El glucógeno (no mostrado) es similar en estructura a la amilopectina pero más ramificado.

Glucógeno

El glucógeno es una forma común de glucosa almacenada en humanos y otros vertebrados. El glucógeno es el equivalente animal del almidón y es una molécula altamente ramificada que generalmente se almacena en las células del hígado y los músculos. Siempre que los niveles de glucosa en sangre disminuyen, el glucógeno se descompone para liberar glucosa en un proceso conocido como glucogenólisis.

Celulosa

La celulosa es el biopolímero natural más abundante. La pared celular de las plantas está compuesta principalmente de celulosa, que proporciona soporte estructural a la célula. La madera y el papel son principalmente de naturaleza celulósica. La celulosa está formada por monómeros de glucosa que están unidos por enlaces glicosídicos β 1-4.

Figura 7. En la celulosa, los monómeros de glucosa están unidos en cadenas no ramificadas mediante enlaces glicosídicos β 1-4. Debido a la forma en que se unen las subunidades de glucosa, cada monómero de glucosa se invierte en relación con el siguiente, lo que da como resultado una estructura fibrosa lineal.

Como se muestra en la figura anterior, todos los demás monómeros de glucosa en la celulosa se invierten y los monómeros se empaquetan de manera apretada como cadenas largas y extendidas. Esto le da a la celulosa su rigidez y alta resistencia a la tracción, que es tan importante para las células vegetales. Si bien el enlace β 1-4 no puede ser degradado por las enzimas digestivas humanas, los herbívoros como vacas, koalas, búfalos y caballos pueden, con la ayuda de la flora especializada en su estómago, digerir material vegetal rico en celulosa. y utilícelo como fuente de alimento. En estos animales, ciertas especies de bacterias y protistas residen en el rumen (parte del sistema digestivo de los herbívoros) y secretan la enzima celulasa. El apéndice de los animales en pastoreo también contiene bacterias que digieren la celulosa, lo que le confiere un papel importante en el sistema digestivo de los rumiantes. Las celulasas pueden descomponer la celulosa en monómeros de glucosa que el animal puede utilizar como fuente de energía. Las termitas también pueden descomponer la celulosa debido a la presencia de otros organismos en sus cuerpos que secretan celulasas.

Interacciones con carbohidratos

Acabamos de discutir los diversos tipos y estructuras de carbohidratos que se encuentran en biología. Lo siguiente que se debe abordar es cómo estos compuestos interactúan con otros compuestos. La respuesta a eso es que depende de la estructura final del carbohidrato. Debido a que los carbohidratos tienen muchos grupos hidroxilo asociados con la molécula, son excelentes Donantes de bonos H y aceptadores. Los monosacáridos pueden formar enlaces H rápida y fácilmente con agua y son fácilmente solubles. Todos esos enlaces H también los hacen bastante "pegajosos". Esto también es cierto para muchos disacáridos y muchos polímeros de cadena corta. Es posible que los polímeros más largos no sean fácilmente solubles.

Finalmente, la capacidad de formar una variedad de enlaces H permite polímeros de carbohidratos o polisacáridos para formar fuertes enlaces intramoleculares e intermoloculares. En un polímero, debido a que hay tantos enlaces H, esto puede proporcionar mucha fuerza a la molécula o complejo molecular, especialmente si los polímeros interactúan. Piense en la celulosa, un polímero de la glucosa, si tiene alguna duda.


Posible discusión NB Punto

Los lípidos y los carbohidratos no son solo clases de macromoléculas que discutimos en BIS 2A, sino que también son dos de los macronutrientes esenciales que podemos obtener al comer varios alimentos. Algunos programas de dieta popularizados (por ejemplo, Atkins, cetogénico) sugieren limitar los carbohidratos y / o grasas. A medida que aprende más sobre las biomoléculas y sus funciones en los sistemas vivos, ¿está refinando su perspectiva sobre los alimentos y las dietas? ¿Qué has aprendido hasta ahora? ¿Crees que falta algo en tu comprensión? ¿Eres capaz de comprender y evaluar mejor determinadas dietas, como las mencionadas anteriormente?


Ácidos nucleicos

Hay dos tipos de ácidos nucleicos en biología: ADN y ARN. El ADN lleva la información genética hereditaria de la célula yesta compuestode dos hebras antiparalelas de nucleótidos dispuestas en una estructura helicoidal.Cada nucleótidosubunidadesta compuestode un azúcar pentosa (desoxirribosa), una base nitrogenada y un grupo fosfato. Las dos cadenas se asocian mediante enlaces de hidrógeno entre bases nitrogenadas químicamente complementarias. Las interacciones conocidas como interacciones de "apilamiento de bases" también ayudan a estabilizar la doble hélice.En contraste conADN, ARN puede sercualquierasermonocatenario, o de doble hebra. Eso tambiénesta compuestode un azúcar pentosa (ribosa), una base nitrogenada y un grupo fosfato. El ARN es una molécula demayotrucos.Esta involucradoen la síntesis de proteínas como mensajero, regulador y catalizador del proceso.El ARN también está involucradoen varios otros procesos de regulación celular y ayuda acatalizaralgunas reacciones clave (más sobre esto más adelante).Con respecto aARN, en este cursoestán principalmente interesadosen (a) conocer la estructura molecular básica del ARN y lo que lo distingue del ADN, (b) comprender la química básica de la síntesis de ARN que ocurre durante un proceso llamado transcripción, (c) apreciar las diversas funciones que el ARN puede tener en la célula , y (d) aprender las principalestipos deARN que encontrará con más frecuencia (p. Ej.ARNm,ARNr,ARNt,miARNetc.)yasociándolos con los procesosEllos están involucradoscon. En estomódulonos centramos principalmente en las estructuras químicas del ADN y el ARN y cómo puedenser distinguidoel uno del otro.

Estructura de nucleótidos

Los dos tipos principales de ácidos nucleicos son ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN).Se hacen el ADN y el ARNde monómeros conocidos como nucleótidos. Nucleótidos individualescondensarunos con otros para formar un ácido nucleico polímero.Cada nucleótido está hechode tres componentes: una base nitrogenada (para la cual hay cinco tipos diferentes), un azúcar pentosa y un grupo fosfato.Estos están representadosdebajo. La principal diferencia entre estos dos tipos de ácidos nucleicos es la presencia o ausencia de un grupo hidroxilo en el C2 posición, también llamada la posición 2 '(leer "dos primos"), de la pentosa (consulte la leyenda de la Figura 1 y la sección sobre el azúcar pentosa para obtener más información sobre la numeración de carbono). El ARN tiene un grupo funcional hidroxilo en esa posición 2 'del azúcar pentosa;losazúcarse llamaribosa, de ahí el nombre riboácido nucleico.Por el contrario, el ADNcarece del grupo hidroxilo en esa posición, de ahí elnombre,"desoxi"riboácido nucleico. El ADN tiene un átomo de hidrógeno en la posición 2 '.

Figura 1. Se hace un nucleótidode tres componentes: una base nitrogenada, un azúcar pentosa y uno o más grupos fosfato.Carbonos en elpentosaestán numerados1 ′ a 5 ′ (la prima distingue estos residuos de los de labase,cualesestán numeradossin usar una notación prima). La basese adjuntaa la posición 1 ′ de la ribosa, y el fosfatose adjuntaa la posición 5 ′. Cuando un polinucleótidose forma, el fosfato 5 'del nucleótido entrante se une al grupo hidroxilo 3' al final de la cadena en crecimiento.Dos tipos depentosase encuentranen nucleótidos, desoxirribosa (que se encuentra en el ADN) y ribosa (que se encuentra en el ARN). La desoxirribosa es similar en estructura a la ribosa, pero tiene un -H en lugar de un -OH en la posición 2 '.Las bases se pueden dividiren dos categorías: purinas y pirimidinas. Las purinas tienen una estructura de doble anillo y las pirimidinas tienen un solo anillo.
Atribución:Marc T. Facciotti (obra original)

La base nitrogenada

Las bases nitrogenadas de los nucleótidos son moléculas orgánicas y se denominan así porque contienen carbono y nitrógeno. Son bases porque contienen un grupo amino que tiene el potencial de unirse a un extra.

hidrógeno,

y así actuar como base al disminuir la concentración de iones de hidrógeno en el entorno local. Cada nucleótido del ADN contiene una de las cuatro posibles bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T).

Por el contrario, el ARN

contiene adenina (A), guanina (G) citosina (C) y uracilo (U) en lugar de timina (T).

La adenina y la guanina se clasifican

como purinas. La principal característica estructural distintiva de una purina es

doble

anillo de carbono-nitrógeno. Citosina, timina y uracilo

son clasificados

como pirimidinas. Estas

se distinguen estructuralmente

por un solo anillo de carbono-nitrógeno.

Usted será esperado

reconocer que cada una de estas estructuras de anillo

está decorado

por grupos funcionales que pueden

estar involucrado

en una variedad de químicas e interacciones.


Posible discusión NB Punto

Tómese un momento para revisar las cinco bases nitrogenadas en la Figura 1 anterior. Identifique los grupos funcionales como se describe en clase. Para cada grupo funcional identificado, describa qué tipo(s) de química esperas queestar involucradoin. ¿Actuará el grupo funcional como donante, aceptor o ambos de enlaces de hidrógeno?


El azúcar pentosa

El azúcar pentosa contiene cinco átomos de carbono. Cada átomo de carbono de la molécula de azúcar.

están numerados

como 1 ′, 2 ′, 3 ′, 4 ′ y 5 ′ (1 ′

es leído

como "un primo").

Los dos grupos funcionales principales que están unidos al azúcar a menudo se denominanen referencia a

el carbono al que

están atados

. Por ejemplo, el residuo de fosfato

se adjunta

al carbono 5 'del azúcar y al grupo hidroxilo

se adjunta

al carbono 3 'del azúcar. A menudo usaremos el número de carbono para referirnos a grupos funcionales en nucleótidos, así que familiarícese con la estructura del azúcar pentosa.

El azúcar pentosa en el ADN

se llama

desoxirribosa, y en el ARN, el azúcar es ribosa. La diferencia entre los azúcares es

la presencia de

el grupo hidroxilo en el carbono 2 'de la ribosa y su ausencia en el carbono 2' de la desoxirribosa. Por lo tanto, puede determinar si está mirando un nucleótido de ADN o ARN por la presencia o ausencia del grupo hidroxilo en el átomo de carbono 2 '; probablemente lo hará

ser preguntado

para hacerlo en

numeroso

ocasiones, incluidos los exámenes.

El grupo fosfato

Puede haber entre uno y tres grupos fosfato unidos al carbono 5 'del azúcar. Cuando un fosfatoestá obligado,el nucleótido se refierea como norteucleótido METROonoPAGhosfato(NMP). Sidos fosfatos están unidosel nucleótido se refierea como norteucleótido DIPAGhosfato (NDP). Cuando tres fosfatosestán obligadosalnucleótidoes referidoa como norteucleótido TRhode IslandPAGhosfato (NTP). losfosfoanhídridolos enlaces entre los que unen los grupos fosfato entre sí tienen propiedades químicas específicas que los hacen buenos para diversas funciones biológicas. La hidrólisis de los enlaces entre los grupos fosfato es termodinámicamente exergónica en condiciones biológicas; La naturaleza ha desarrollado muchos mecanismos para acoplar este cambio negativo en la energía libre para ayudar a impulsar muchas reacciones en la célula. La Figura 2 muestra la estructura del nucleótido trifosfato Adenosina Trifosfato, ATP, que discutiremos con mayor detalle en otros capítulos.

Nota: enlaces de "alta energía"

El término "enlace de alta energía"se utilizaMUCHO en biología. Sin embargo, este término es un atajo verbal que puede causar cierta confusión. El término se refiere a la cantidad de energía libre negativa asociada con la hidrólisis del enlace en cuestión. El agua (u otro socio de reacción equivalente) es un contribuyente importanteloscálculo de energía. En ATP, por ejemplo, simplemente"romper" un enlace fosfoanhídrido - digamos con pinzas moleculares imaginarias - arrancando un fosfato no sería energéticamente favorable. Por lo tanto, debemos tener cuidado de no decir que romper enlaces en ATP es energéticamente favorable o que "libera energía". Más bien, deberíamos ser más específicos, notando que la hidrólisis del enlace es energéticamente favorable.Algunos de estos conceptos erróneos comunes están relacionadospara, en nuestra opinion,el uso del término "enlaces de alta energía". Mientras que en Bis2a hemos tratado de minimizar el uso de la "alta energía" vernácula cuando nos referimos a los enlaces, tratando en cambio de describir las reacciones bioquímicas usando términos más específicos, como estudiantes de biología, sin duda se encontrará con lo potencialmente engañoso, aunque ciertamente útil. - atajo "vínculo de alta energía" a medida que continúa en sus estudios. Por lo tanto, tenga en cuenta lo anterior cuando esté leyendo o escuchando varias discusiones sobre biología. Diablos, usa el término tú mismo. Solo asegúrate de entender realmente a qué se refiere.

Figura2.El ATP (trifosfato de adenosina) tiene tres grupos fosfato que puedenSer eliminadopor hidrólisis para formar ADP (difosfato de adenosina) o AMP (monofosfato de adenosina). Atribución:Marc T. Facciotti (obra original)

Estructura de doble hélice del ADN

El ADN tiene una estructura de doble hélice (que se muestra a continuación) creada por dos hebras de subunidades de nucleótidos unidas covalentemente.Los grupos de azúcar y fosfato de cada cadena de nucleótidos se colocanen el exterior de la hélice, formando la columna vertebral del ADN (resaltado por las cintas naranjas en la Figura 3). Las dos hebras de la hélice corren en direcciones opuestas, lo que significa que el extremo de carbono 5 ′ de una hebra se enfrentará al extremo de carbono 3 ′ de su hebra correspondiente (Ver Figuras 4 y 5). Nos referimos a esta orientación de las dos hebras como antiparalelo. Tenga en cuenta también quese representan los grupos fosfatoen la Figura 3 como "palos" anaranjados y rojos que sobresalen de la cinta. Los fosfatosestán cargados negativamentea pH fisiológicos y, por lo tanto, dan a la columna vertebral del ADN un fuerte carácter local cargado negativamente.Por el contrario, elbases nitrogenadasestán apiladosen elinterior de la hélice(estos están representadoscomo palos verdes, azules, rojos y blancos en la Figura 3). Los pares de nucleótidos interactúan entre sí a través de enlaces de hidrógeno específicos (que se muestran en la Figura 5). Cada par está separado del siguiente par de bases en la escalera por 0.34Nuevo Méjicoy este apilamiento cercano y orientación plana da lugar a interacciones de apilamiento de base energéticamente favorables. La química específica asociada con estas interacciones está más allá del contenido de Bis2a, peroes descritocon más detalle aquí para los estudiantes curiosos o más avanzados. Nosotroshaceresperar, sin embargo, que los estudiantesson conscientesque el apilamiento de las bases nitrogenadas contribuye a la estabilidad de la doble hélice y confíe en sus instructores de genética y química orgánica de la división superior para completar los detalles químicos.

Figura3. El ADN nativo es una doble hélice antiparalela. La columna vertebral de fosfato (indicadopor las líneas curvas) está en el exterior y las bases están en el interior. Cada base de una hebra interactúa mediante enlaces de hidrógeno con una base de la hebra opuesta. Atribución:Marc T. Facciotti (obra original)

En una doble hélice, ciertas combinaciones de apareamiento de bases son químicamente más favorecidas que otras en función de los tipos y ubicaciones de los grupos funcionales en las bases nitrogenadas de cada nucleótido. Enbiologíaencontramos eso:

La adenina (A) es químicamente complementaria con la timidina (T) (ParesconT)

y

La guanina (G) es químicamente complementaria con la citosina (C) (G se empareja con C).

A menudo nos referimos a este patrón como "complementariedad de base" y decimos que las hebras antiparalelas son complementario el uno al otro.Por ejemplo, si la secuencia de una hebra es de ADN es 5'-AATTGGCC-3 ', la hebra complementaria tendría la secuencia 5'-GGCCAATT-3'.

A veceselegirrepresentan estructuras complementarias de doble hélice entextoapilando las hebras complementarias encima desobreotrocomo sigue:

5 '- GGCCAATTCCATACTAGGT - 3'

3 '- CCGGTTAAGGTATGATCCA - 5'

Tenga en cuenta que cada hebra tiene sus extremos de 5 'y 3' etiquetados y que si uno caminara a lo largo de cada hebra comenzando desde el extremo de 5 'hasta el extremo de 3', la dirección de viaje sería opuesta a la otra para cada hebra; las hebras son antiparalelas. Normalmente decimos cosas como "ejecutar 5 primos a 3 primos" o "sintetizar 5 primos a 3 primos" para referirnos a la dirección en la que leemos una secuencia o la dirección de síntesis. Empiece a acostumbrarse a esta nomenclatura.

Figura 4. Panel A. En una molécula de ADN de doble hebra, las dos hebras corren antiparalelas entre sí de modo que una hebra va de 5 ′ a 3 ′ y la otra de 3 ′ a 5 ′.Aquílas hebrasSe representancomo líneas azules y verdes apuntando en la orientación de 5 'a 3'.Se representa el emparejamiento de bases complementariascon una línea horizontal entre bases complementarias. Panel B. Las dos hebras antiparalelasSe representanen forma de doble hélice. Tenga en cuenta quela orientación de las hebras todavía está representada. Tenga en cuenta que la hélice es a la derecha: el "rizo" de la hélice, representado en púrpura, vientosen la dirección delos dedos de la mano si la mano derechase utilizay la dirección de la hélice apunta hacia el pulgar. Panel C. Esta representación muestra dos características estructurales que surgen del ensamblaje de las dos hebras llamadas ranuras mayores y menores.Estos surcos también se pueden veren la Figura 3.
Atribución:Marc T. Facciotti (obra original)

Figura 5. Una vista ampliada a nivel molecular de las hebras antiparalelas en el ADN. En una molécula de ADN de doble hebra, las dos hebras corren antiparalelas entre sí, de modo que una hebra va de 5 ′ a 3 ′ y la otra de 3 ′ a 5 ′.La columna vertebral de fosfato se encuentraen el exterior y las bases en el medio. La adenina forma enlaces de hidrógeno (o pares de bases) con timina y pares de bases de guanina con citosina.
Atribución:Marc T. Facciotti (obra original)

Funciones y roles de nucleótidos y ácidos nucleicos a tener en cuenta en Bis2a

Además de sus funciones estructurales en el ADN y el ARN, los nucleótidos como el ATP y el GTP también sirven como portadores de energía móvil para la célula. A algunos estudiantes les sorprende cuando aprenden a apreciar que las moléculas de ATP y GTP que discutimos en bioenergética son las mismas que participan en la formación de ácidos nucleicos. Cubriremos esto con más detalle cuando analicemos las reacciones de síntesis de ADN y ARN. Los nucleótidos también juegan un papel importante comoco-factores en muchos enzimáticamentecatalizadoreacciones.

Los ácidos nucleicos, el ARN en particular, desempeñan una variedad de funciones encelularproceso además de ser moléculas de almacenamiento de información. Algunos roles a los que debe prestar atención a medida que avanzamos en el curso incluyen: (a) Riboproteína complejos: complejos de ARN-proteína en los que el ARN cumple funciones tanto catalíticas como estructurales. Los ejemplos de tales complejos incluyen ribosomas (ARNr), ARNasas, complejos de splicesosoma y telomerasa. (b) Funciones de almacenamiento y transferencia de información. Estos roles incluyen moléculas como ADN, ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt). (c) Funciones reguladoras. Los ejemplos de estos incluyen varios no codificantes (ncRNA). Wikipedia tiene un resumen completo de las diferentes moléculas de ARN conocidas que recomendamos navegar para tener una mejor idea de la gran diversidad funcional de estas moléculas.

Aminoácidos

Aminoácidos son los monómeros que componen las proteínas. Cada aminoácido tiene la misma estructura central, que comprende un átomo de carbono central, también conocido como alfa (α) carbono, unido a un grupo amino (NH2), un grupo carboxilo (COOH) y un átomo de hidrógeno. Cada aminoácido también tiene otro átomo o grupo de átomos unidos al carbono alfa conocido alternativamente como grupo R, grupo variable o cadena lateral.

Los aminoácidos tienen un carbono asimétrico central al que un grupo amino, un grupo carboxilo, un átomo de hidrógeno y una cadena lateral (grupo R)están adjuntos. Recuerde que uno de los objetivos de aprendizaje de esta clase es que (a) pueda reconocer, en un diagrama molecular, la columna vertebral de un aminoácido y su cadena lateral (grupo R) y (b) que pueda reconocer dibuja un aminoácido genérico. Asegurarseesepracticas ambos. Debería poder recrear algo como la figura anterior de memoria (un buen uso de su cuaderno de bocetos es practicar el dibujo de esta estructura hasta que pueda hacerlo con la muleta de un libro o Internet).

Atribución:Marc T. Facciotti (trabajo propio)

La columna vertebral de los aminoácidos

El nombre "aminoácido" se deriva del hecho de que todos los aminoácidos contienen tanto un grupo amino como un grupo ácido carboxílico en su estructura. Hay 20 aminoácidos comunes presentes en las proteínas naturales y cada uno de ellos contiene la misma columna vertebral. La columna vertebral, al ignorar los átomos de hidrógeno, comprende el patrón:

ICONA

Al observar una cadena de aminoácidos, siempre es útil orientarse primero encontrando este patrón de la columna vertebral comenzando desde el extremo N (el extremo amino del primer aminoácido) hasta el extremo C (el extremo ácido carboxílico del último aminoácido). ).

La formación de enlaces peptídicos es una reacción de síntesis por deshidratación.El grupo carboxilo del primer aminoácido está unidoal grupo amino del segundo aminoácido entrante.En el proceso, una molécula de aguaen lanzamientoyse forma un enlace peptídico.
Intente encontrar la columna vertebral en el dipéptido formado a partir de esta reacción. El patrón que estás buscando es: N-C-C-N-C-C

Atribución:Marc T. Facciotti (trabajo propio)

La secuencia y el número de aminoácidos determinan en última instancia la forma, el tamaño y la función de la proteína.Cada aminoácido está unidoa otro aminoácido por un enlace covalente, conocido como enlace peptídico, cualesse formapor una reacción de síntesis de deshidratación (condensación). El grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del aminoácido entrante se combinan, liberando una molécula de agua y creando el enlace peptídico.

Grupo de aminoácidos R

El aminoácido Grupo R es un término que se refiere al grupo variable de cada aminoácido. La cadena principal de aminoácidos es idéntica en todos los aminoácidos, los grupos R son diferentes en todos los aminoácidos. Para la estructura de cada aminoácidoRefiérase a la figura de abajo.

Hay 20 aminoácidos comunes que se encuentran en las proteínas, cada uno con un grupo R diferente (grupo variante) que determina su naturaleza química. Grupos Restán encerrados en un círculoen verde azulado.Los cargos se asignanasumiendo pH ~ 6.0. El nombre completo, tres letrasabreviaturay se muestran todas las abreviaturas de una sola letra.

Atribución:Marc T. Facciotti (trabajo propio)

GlicinaGlutamatoTriptófano

Cada grupo variable en un aminoácido le da a ese aminoácido propiedades químicas específicas (ácido, básico, polar o apolar). Ya debería estar familiarizado con la mayoría de los grupos funcionales de los grupos R. Las propiedades químicas asociadas con toda la colección de grupos funcionales individuales.dacada grupo R de aminoácidos tiene un potencial químico único.

Por ejemplo, los aminoácidos como la valina, la metionina y la alanina son típicamente no polares o hidrófobos.en naturaleza, mientras que se dice que los aminoácidos como la serina y la treonina tienenpolarcarácter y poseen cadenas laterales hidrófilas.

Proteinas

Las proteínas son una clase de biomoléculas que realizan una serie de funciones en sistemas biológicos. Algunas proteínas sirven como catalizadores de reacciones bioquímicas específicas. Otras proteínas actúan como moléculas de señalización que permiten que las células "hablen" entre sí. Las proteínas, como la queratina de las uñas, también pueden actuar de forma estructural. Si bien la variedad de funciones de las proteínas es notablemente diversa, estas funcionesestán codificadospor un ensamblaje lineal de aminoácidos, cada uno conectado a su vecino a través de un enlace peptídico. La composición única (tipos de aminoácidos y el número de cada uno) y el orden en queestán vinculados entre sídeterminar la forma tridimensional final que adoptará la proteína y, por lo tanto, también la "función" biológica de la proteína. Muchas proteínas pueden, en un entorno celular, tomar espontáneamente y a menudo rápidamente su forma final en un proceso llamado plegamiento de proteínas. Para ver un breve video de introducción (cuatro minutos) sobre proteínasestructurahaga clic aquí.

Estructura proteica

Podemos describir las estructuras de las proteínas mediante cuatro niveles diferentes de organización estructural llamados estructuras primarias, secundarias, terciarias y cuaternarias. Estasse presentan brevementeen las secciones que siguen.

Estructura primaria

La secuencia única de aminoácidos en una cadena polipeptídica es su estructura primaria (Figura 1).Los aminoácidos de esta cadena están enlazadosentre sí a través de una serie de enlaces peptídicos.La cadena de aminoácidos se suele denominara como polipéptido (múltiples péptidos).

Figura 1.Aquí se representa la estructura primaria de una proteína.como "cuentas en una cuerda" con el término N y el término C etiquetados. El orden en el que leería esta cadena de péptidos comenzaría con el extremo N como glicina, isoleucina, etc., y terminaría con metionina. Fuente: Erin Easlon (trabajo propio)

Debido ala estructura de la columna vertebral común de los aminoácidos, la columna vertebral resultante de la proteína tiene un -N-C repetidoα-C-N-Cα-C- patrón que puedeser fácilmente identificadoen modelos de resolución atómica de estructuras de proteínas (Figura 2). Sepa que uno de los objetivos de aprendizaje de esta clase es examinar un modelo como el que se muestra a continuación e identificar la columna vertebral de los átomos de la cadena lateral (por ejemplo, crear el trazo morado y el sombreado azul si no hay ninguno). Esto puedeestar hechoencontrando el -N-Cα-C-N-Cα-C- patrón. Otro objetivo de aprendizaje de esta clase es que puede crear dibujos que modelen la estructura de una columna vertebral de proteína típica y sus cadenas laterales (alias.grupo variable, grupo R). Esta tarea puede sermuysimplificado si recuerda comenzar su modelo creando primero el -N-Cα-C-N-Cα-C- patrón y luego completar los grupos de variables.

Figura 2. Un modelo de un péptido corto de 3 aminoácidos de largo.Los átomos de la columna vertebral están coloreadosen rojo.Los grupos de variables R están encerrados en un círculoen celeste. Una línea púrpura traza la columna vertebral desde el N-terminal (inicio) hasta el C-terminal (final) de la proteína. Uno puede identificar (en verde) el repetido -CAROLINA DEL NORTEα-C-CAROLINA DEL NORTEα-C- patrón ordenado siguiendo la línea violeta de principio a finfiny enumerando los átomos de la columna vertebral en el orden en quese encuentran. Atribución:Marc T. Facciotti (trabajo propio)

Estructura secundaria

Debido a la química específica del enlace peptídico, la columna vertebral entre los átomos de carbono alfa adyacentes forma una estructura muy plana (Figura 3). Esto significa que todos los átomos unidos por el cuadrilátero rosa se encuentran en el mismo plano. Por tanto, el polipéptido está restringido estructuralmente ya que puede ocurrir muy poca rotación alrededor del enlace peptídico en sí. Más bien, las rotaciones ocurren alrededor de los dos enlaces que se extienden desde los carbonos alfa. Estas restricciones estructurales conducen a dos patrones de estructura comúnmente observados queestán asociadoscon la organización de la propia columna vertebral.

figura 3.Se representa el enlace peptídico entre dos aminoácidos.. El cuadrilátero sombreado representa la naturaleza plana de este enlace. Atribución:Marc T. Facciotti (trabajo propio)

A estos patrones de estructura de columna vertebral los llamamos estructura secundaria de la proteína. Los patrones de estructura secundaria más comunes que ocurren a través de rotaciones de los enlaces alrededor de cada alfa-carbón,son los α-hélice, β-hoja y círculo estructuras. Como sugiere el nombre, el α-hélicese caracterizapor una estructura helicoidal hecha torciendo la columna vertebral. los β-hoja es en realidad la asociación entre dos o más estructuras llamadas β-hebras. Si la orientación (dirección N-terminal a C-terminal) de dos asociaciones β-hebrasestán orientadosen la misma dirección / paralela, el resultado β-hojase llamaa paralelo β-hoja. Mientras tanto, si dos se asocian β-hebrasestán orientadosen direcciones opuestas / antiparalelas, el resultado β-hojase llamaun antiparalelo β-hoja. los α-hélice y β-Las láminas están estabilizadas por enlaces de hidrógeno que se forman entre los átomos de los aminoácidos de la columna vertebral próximos entre sí. El átomo de oxígeno en el grupo carbonilo de un aminoácido puede formar un enlace de hidrógeno con un átomo de hidrógeno unido al nitrógeno en el grupo amino de otro aminoácido. Las estructuras de bucle se refieren a todas lasestructura(por ejemplo, estructura de la columna vertebral) que no puedeser identificadoCómo sea α-hélice o β-hoja.

Figura 4. losα-hélice yβ-la hoja son estructuras secundarias de proteínasque están estabilizados por enlaces de hidrógenoentre los grupos carbonilo y amino en la estructura del péptido. Observe cómo los enlaces de hidrógeno en una hélice alfa ocurren entre aminoácidos que están relativamente cerca entre sí (aproximadamente 4 aminoácidos separados en la cadena de aminoácidos) mientras que las interacciones que ocurren enβ-Pueden ocurrir hojas entre aminoácidos que están mucho más separados en la cadena.

Estructura terciaria

La columna vertebral y los elementos de la estructura secundaria se doblarán aún más en una estructura tridimensional única y relativamente estable llamada estructura terciaria de la proteína. La estructura terciaria es lo que normalmente asociamos con la forma "funcional" de una proteína. En figura6 se muestran dos ejemplos de estructura terciaria. En ambas estructuras, la proteínase abstraeen una "caricatura" que representa la cadena polipeptídica como una única línea continua o cinta que traza el camino entre carbonos alfa de aminoácidos unidos entre sí por enlaces peptídicos; la cinta traza la columna vertebral de la proteína (Figura 5).

Figura 5. Cómo las figuras de proteína "dibujos animados"se dibujan. Las caricaturas de proteínas (como las que se muestran en la Figura 6) son quizás la representación más común de la estructura de proteínas tridimensional. Estos modelos de dibujos animados nos ayudan a visualizar las principales características de la estructura de una proteína al trazar el camino de un carbono alfa al siguiente a lo largo de la columna vertebral del polipéptido.Esto está representadocomo una gruesa línea púrpura. En un polipéptido más largo, esta línea continuaría y se uniría al siguiente carbono alfa hasta el final del polipéptido.fue alcanzado. Si bien estos modelos nos permiten visualizar la estructura general de una proteína, omiten muchos detalles a nivel molecular.

La cinta creada al unir alfa-carbonos puedeser dibujadocomo un simple continuolíneao puedeser mejoradorepresentando de forma única elementos estructurales secundarios. Por ejemplo, cuandounα-hélicees identificado, la hélicesuele estar resaltadoporacentuando/ ensanchando la cinta para resaltar la estructura helicoidal. Cuando unaβ-hasta está presente, la cintageneralmente se ensanchayuna flechanormalmente se agregaal extremo C-terminal de cadaβ-strand - la flecha ayuda a identificar la orientación del polipéptido y siβ-Las hojas son paralelas o antiparalelas. La delgada cinta que conectaα-hélice yβ-Los elementos de hebra se utilizan para representar los bucles. Los bucles en las proteínas puedenser altamente estructuradoy juegan un papel importante en la función de la proteína. No deberianser tratadoa la ligera o descartado como sin importancia porque su nombre carece de una letra griega.

Figura 6. Ejemplos de estructuras terciarias de proteínas.Los elementos de la estructura secundaria están coloreadoscomo sigue:β-hoja - amarilla,α-helix - rojo; lazo - verde. En panelA elEstructura de la proteína gamma cristalina (PDBID 1a45), una proteína que se encuentra en el ojo de los vertebrados.está representado. Esta proteinaesta compuestoen gran parte deβ-hoja y bucles. En el panel B, la estructura de la proteína triosa fosfato isomerasa (PDBID 1tim), una proteína que se encuentra en la vía glucolítica.esta compuestodeβ-hoja,α-hélice y bucles que unen el elemento estructural secundariomentos. Atribución:Marc T. Facciotti (trabajo propio)
Cristalina (PDBID 1a45)Triosa fosfato isomerasa (PDBID 1tim)

La estructura terciaria es el producto de muchos tipos de interacciones químicas entre los grupos R de aminoácidos, los átomos de la columna vertebral, los iones en solución y el agua. Estos enlaces incluyen enlaces iónicos, covalentes y de hidrógeno e interacciones de Van der Waals. Por ejemplo, pueden formarse enlaces iónicos entre varias cadenas laterales ionizables. Por ejemplo, puede ser energéticamente favorable para un grupo R cargado negativamente (por ejemplo, un aspartato) interactuar con un grupo R cargado positivamente (por ejemplo, una arginina). La interacción iónica resultante puede convertirse en parte de la red de interacciones que ayuda a estabilizar el pliegue tridimensional de la proteína.Por el contrario, RLos grupos con cargas similares probablemente serán repelidos entre sí y, por lo tanto, es poco probable que formen una asociación estable.de este mododesfavorecer una estructura que incluiría esa asociación. Asimismo, pueden formarse enlaces de hidrógeno entre varios grupos R o entre grupos R y átomos de la cadena principal.Estos hidrogenoLos enlaces también pueden contribuir a estabilizar la estructura terciaria de la proteína.En algunos casosTambién se pueden formar enlaces covalentes entre aminoácidos. El enlace covalente más comúnmente observado entre aminoácidos involucra dos cisteínas yse denominaun enlace disulfuro o enlace disulfuro.

Finalmente, la asociación de los grupos funcionales de la proteína con el agua también ayuda a impulsar asociaciones químicas que ayudan a estabilizar la estructura final de la proteína. Las interacciones con el agua pueden incluir la formación de enlaces de hidrógeno entre grupos funcionales polares en las moléculas de proteína y agua. Quizásmás importante,sin embargo, es el impulso de la proteína para evitar poner demasiados grupos funcionales hidrófobos en contacto con el agua. El resultadode este deseoEvitar las interacciones entre el agua y los grupos funcionales hidrófobos significa que las cadenas laterales menos polares a menudo se asociarán entre sí lejos del agua, lo que dará como resultado algunas interacciones de Van der Waals energéticamente favorables y la evitación de las sanciones energéticas asociadas con la exposición de las cadenas laterales no polares a agua. La penalización energética es tan alta por "exponer" las cadenas laterales no polares al agua que enterrar a estos grupos lejos del agua.se piensaser uno de los principales impulsores energéticos del plegamiento de proteínas y las fuerzas estabilizadoras que mantienen unida a la proteína en su estructura terciaria.

Figura 6. La estructura terciaria de las proteínas.está determinadopor una variedad de interacciones químicas. Estos incluyen interacciones hidrofóbicas, enlaces iónicos, enlaces de hidrógeno y enlaces disulfuro. Esta imagen muestra una representación aplanada de una proteína plegada en una estructura terciaria. Sin aplanamiento, esta proteína tendría una forma tridimensional globular.

Estructura cuaternaria

En la naturaleza, las formas funcionales de algunas proteínasestán formadospor la estrecha asociación de varios polipéptidos. En tales casos, los polipéptidos individuales también se conocen como subunidades. Cuando la forma funcional de una proteína requiere el ensamblaje de dos o mássubunidadesllamamos a este nivel de estructuraorganizaciónla proteína Estructura cuaternaria. Una vez más, las combinaciones de enlaces iónicos, de hidrógeno y covalentes junto con las asociaciones de Van der Waals que se producen a través del "entierro" dehidrofóbicoEl grupo en las interfaces entre las subunidades ayuda a estabilizar las estructuras cuaternarias de las proteínas.

Figura 7.Se pueden observar los cuatro niveles de estructura proteicaen estas ilustraciones.
Fuente: Modificación del trabajo del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano.

Posible discusión NB Punto

Si la estructura de 1 ° de una proteína codifica su estructura de 3 °, ¿cómo se pueden explicar las aparentes contradicciones de que encontramos (1) proteínas en la naturaleza que tienen estructuras de 3 ° muy similares a pesar de tener menos del 30% de identidad de secuencia de aminoácidos (estructuras similares no secuencias similares) y (2) aunque menos frecuentes, ¿otros pares de proteínas que comparten una identidad de secuencia de aminoácidos más alta pero que no son estructuralmente similares (secuencias similares sin estructuras similares)? ¿Qué tipo de ideas simulan estas observaciones?


Desnaturalización

Comofue descrito previamente, cada proteína tiene su propia estructura única queSe celebrajuntos por varios tipos de interacciones químicas. Si la proteína está sujeta a cambios de temperatura, pH o exposición a sustancias químicas, que cambian la naturaleza o interfieren con las asociaciones entre grupos funcionales, las estructuras secundarias, terciarias y / o cuaternarias de la proteína pueden cambiar, aunque la estructura primaria permanezca. lo mismo.Este proceso es conocidocomo desnaturalización. Mientras que en el tubo de ensayo la desnaturalización es a menudo reversible, en la celda el proceso a menudo puede ser, por razones prácticas.propósitos, irreversible, provocando la pérdida de función y el eventual reciclaje de los aminoácidos de la proteína. La resistencia al estrés ambiental que puede conducir a la desnaturalización varía entre las proteínas que se encuentran en la naturaleza. Por ejemplo, algunas proteínas son notablemente resistentes a las altas temperaturas;porPor ejemplo, las bacterias que sobreviven en aguas termales tienen proteínas que funcionan a temperaturas cercanas al punto de ebullición del agua. Algunas proteinasson capaces desoportar el pH muy ácido, bajo,medio ambientedel estómago.mientras tantoalgunas proteínas son muy sensibles a los disolventes orgánicos mientrasotros se pueden encontrarque son notablemente tolerantes a estos productos químicos (los últimos son apreciadosporusar endiversos procesos industriales).

Finalmente, aunque muchas proteínas pueden formar sutridimensionalestructurascompletamenteen su propia,en muchos casoslas proteínas a menudo recibenasistenciaen el proceso de plegado de los auxiliares de proteínas conocidos como acompañantes (o chaperoninas) que se asocian con sus objetivos proteicos durante el proceso de plegamiento.Los chaperones están pensadosactuar minimizando la agregación de polipéptidos en formas no funcionales, un proceso que puede ocurrir a través de la formación de asociaciones químicas no ideales.