tema1.1.biomolecules 2013

Tema 1.1. Biomolècules:

Glúcids, Lípids, Proteïnes i

Àcids Nucleics.

La lògica molecular dels éssers vius

1) Estructura dels éssers vius

2) Funcionament dels éssers vius

3) Replicació dels éssers vius

diversitat de biomolècules

Biomolècules més importants des d’un punt de vista funcional i d’identitat:

- proteïnes

- àcids nucleics

Bacteri (E. coli): 5.000 biomolècules diferents

Home: 50.000 biomolècules diferents

Composició organisme viu: Aigua 70%

Biomolècules 30%

Ions: Na+, K+, Mg2+, Ca2+ i Cl-

Composició elemental éssers vius

biomolècules 1. bioelements primaris + bioelements traces

2. Compostos de carboni esquelets carbonats + grups funcionals

3. Unitats bàsiques o estructurals proteïnes: 20 aminoàcids

DNA: 4 nucleòtids

4. Macromolècules proteïnes: 5.000-106 Da

àcids nucleics: 10.000-1010 Da

polisacàrids: 5.106 Da

*lípids: 750-1.500 Da

5. Propietats grups funcionals (polifuncionals)

Composició organisme viu: Aigua 70%

Biomolècules 30%

Ions: Na+, K+, Mg2+, Ca2+ i Cl-

C, H, O, N, P i S Co, Cu, Fe, Mn, Zn

I, Mo, V, Ni, Cr, F, Se, Si, Sn, B, As i Al

Grups funcionals

Carbonil

GLÚCIDS.

Definició i tipus de glúcids

• Monosacàrids

• Oligosacàrids

• Polisacàrids

1) Polihidroxialdehids (grup funcionals: hidroxil i aldehid)

2) Polihidroxiacetones (grups funcionals: hidroxil i cetona)

Fórmula empírica: (CH2O)n Hidrats de carboni o carbohidrats

Nombre d’unitats

estructurals

N, P i S

Els monosacàrids

Classificació

1. Localització del grup carbonil:

• C1: funció aldehid aldosa

• C2: funció cetona cetosa

2. Nombre d’àtoms de carboni:

• 3 triosa

• 4 tetrosa

• 5 pentosa

• 6 hexosa

Són sòlids cristal·lins, blancs, sabor dolç i, normalment, solubles en aigua gràcies a

l’elevat nombre de grups polars.

grup carbonil:

funció aldehid

àcids nucleics

Metabol. i polisacàrids polisacàrids

Aldoses

grup carbonil:

funció cetosa

polisacàrids

Cetoses

Els monosacàrids

Poden formar dos estereoisòmers diferents: D i L. Aquests dos estereoisòmers

es diu que són molècules quirals.

-OH del C quiral a la dreta -OH del C quiral a l’esquerra

- Monosacàrids amb >1 C quiral

(-OH del C quiral subterminal)

- Natura: només l’enantiòmer D

és biològicament actiu

Ciclació ≥ 5 C (sol. Aquosa)

Formació enllaç covalent

hemiacetàlic (-OH i C=O)

5 vèrtex 6 vèrtex

Els monosacàrids

Ciclació anòmers

D- glucosa

Els oligosacàrids

- - enllaç (14)

-glucosa -fructosa

Maltosa (sucre de malta)

α-glucosa + α-glucosa enllaç α(1→4)

Sacarosa (sucre de les fruites)

α-glucosa + β-fructosa enllaç (α1 →β2)

Lactosa (sucre de la llet)

β-galactosa + β-glucosa enllaç β(1 →4)

Els polisacàrids (glicans)

1. La naturalesa de les unitats de monosacàrids:

• Homopolisacàrids

• Heteropolisacàrids

2. Els carbonis de cada unitat monosacàrida que formen l’enllaç

glicosídic i la seva configuració (α o β)

3. La presència o absència de ramificacions

Estructura

Funció

1. Polisacàrids de reserva: midó (vegetals) i glicogen (animals)

2. Polisacàrids estructurals: cel.lulosa

Els polisacàrids de reserva

Fórmula conformacional

Amilosa: cadenes no ramificades d’α-glucoses amb enllaços α (1→4)

Amilopectina: cadenes ramificades d’α-glucoses amb enllaços α (1→4) i α (1→6)

Glicogen

Els polisacàrids estructurals

1. Cel·lulosa:

• Localització: paret cel·lular de les cèl·lules vegetals.

• Propietats: resistent i insoluble en aigua.

• Estructura: homopolímer no ramificat d’unitats de β-glucosa unides

per enllaços β(14).

• Nombre de monòmers: 10.000-15.000 unitats de β-glucosa.

• Conformació: estesa.

• Agregats: fibril·les de cel·lulosa.

Fibril·les de cel·lulosa

pont d’hidrogen

Els polisacàrids estructurals

Cel·lulosa

La majoria d’animals no tenen enzims que puguin trencar aquest enllaç → No

poden digerir la cel·lulosa. Només alguns bacteris i fongs poden digerir-la.

Altres polisacàrids estructurals

1. Quitina:

• Localització: exoesquelet dels artròpodes i paret cel·lular dels fongs.

• Estructura: homopolímer no ramificat d’unitats de β-N-acetilglucosamina

unides per enllaços β(14).

2. Peptidoglicans: (heteropolisacàrids)

• Localització: paret bacteriana.

• Estructura: polisacàrids + pèptids.

3. Mucopolisacàrids: (heteropolisacàrids)

• Localització: substància fonamental dels teixits animals.

• Estructura: heteropolisacàrids no ramificats formats per dues unitats de

monosacàrid (5%) unides a una proteïna (95%) proteoglicans

• Tipus: àcid hialurònic, sulfat de condroitina i sulfat de queratà.

Tema 1.1. Biomolècules

Els lípids

Els lípids insolubles en aigua però solubles en disolvents orgànics

• Lípids saponificables: Contenen àcids grassos o greixosos

• Apolars:

– Triacilglicèrids

– Ceres

• Polars:

– Fosfoglicèrids

– Esfingolípids

• Lípids no saponificables: – Terpens

– Esteroides (Colesterol)

– Eicosanoides

Els àcids grassos: PROPIETATS generalment es troben units covalentment a altres molècules formant

els lípid saponificables

1. pKa ~ 4,5 condicions fisiològiques: dissociats (RCOO- + H+)

2. cap hidrofílic (COOH) + llarga cua hidrofòbica insolubles en aigua

Ex: lípid amfipàtic o amfifílic

micel·les

acids grassos = 1 grup carboxil + cadena hidrocarbonada (4-24 carbonis)

no ramificada i apolar

R-COOH 14 – 20 carbonis

16 – 18 carbonis

Enllaç éster

Els àcids grassos saturats

Enllaços simples: conformació estesa interaccions de van der Waals

lípids sòlids i consistència serosa

Àcid esteàric CH3(CH2)16COOH 18:0

Fórmula estructural Símbol

Àcid palmític CH3(CH2)14COOH 16:0

Fórmula química desenvolupada

Els àcids grassos insaturats

Enllaços dobles: curvatura rígida fluïdesa,

consistència oliosa, líquids

• monoinsaturats: 1 doble enllaç (àc. Olèic)

• poliinsaturats: 2 o més dobles enllaços (àc Linoleic)

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 18:1D9

CH3–(CH2)4–CH=CH–CH2–CH=CH–(CH2)7–COOH

18:2Δ9,12

18:2ω-6 Àcid gras ω6

Àcid linoleic

Àcid oleic

1 9 12 6

abundants en animals i poc en vegetals, funció de reserva d’energia

triacilglicèrid = ésters de glicerol + 3 residus d’àcids grassos

1. Insolubles en aigua (no formen micel.les!)

2. Mescles complexes de diferents tipus de triacilglicèrids:

• Greix residus d’àcids grassos saturats (org. animals)

• Oli residus d’àcids grassos insaturats (org. vegetals)

Oli oliva: 80% àc. grassos insaturats + 20% saturats

3. Reacció de saponificació: triacilglicèrids + NaOH (KOH) glicerol + sabons

de sodi (o potassi)

4. Oxidació en contacte amb l’aire.

Els lípids apolars Triacilglicèrids o triglicèrids

Els lípids apolars

Triacilglicèrids o triglicèrids

1-palmitoil-2-estearoil-3-oleoil-glicerol

Els lípids apolars

ceres = éster 1 àcid gras de cadena llarga + 1 alcohol de cadena llarga

funció impermeabilitzant

Propietats hidrofòbiques

Estructura cera d’abella: àc. Palmític + 1-triacontanol

Les ceres

Els lípids polars

importància biològica transcendental membranes biològiques

fosfoglicèrid = éster 1 glicerol + 2 residus d’àcids grassos + 1 àcid fosfòric

1 cap polar (àc fosfòric)

2 cues llargues apolars (cadenes alifàtiques àc. grassos)

estructura de bicapa

Biomolècula

amfipàtica

Fosfoglicèrids

cap hidròfil (polar)

àc. gras (no polar)

Els lípids polars

membranes biològiques

Esfingolípids: ceramides, esfingomielines, cerebròsids i gangliòsids

1 esfingosina (aminoalcohol de cadena llarga) + 1 residu d’àcid gras

1 grup fosfat 1 monosacàrid 1 oligosacàrid + àc. siàlic

1 cap polar

2 cues apolars

estructura de bicapa

Biomolècula

amfipàtica

ceramides Participen en el reconeixement cel.lular

Esfingomielines

o esfingofosfolípids

(ex. Fosfocolina)

Cerebròsids Gangliòsids

Glucoesfingolípids

Els lípids polars Esfingolípids

Aminoalcohol de cadena llarga

Aminoalcohol + àcid gras

Aminoalcohol + àcid gras + grup fosfat

Esfingomielina

Els lípids polars Cerebròsids i gangliòsids

Representen una fracció

important dels lípids cerebrals.

Malaltia de Tay-Sachs:

Deteriorament neurològic fatal

per l’acumulació de gangliòsids

degut a la manca de l’enzim

hexosaminidasa A als lisosomes

Aminoalcohol + àcid gras + sucre

CEREBRÒSID

Els lípids no saponificables: insolubles en aigua

Terpens i isoprenoides: no tenen residus d’àc. grassos

1. Composició: unitats d’isoprè (5C, 2-metil-1,3-butadiè) unides covalentment

2. Funció: precursors de vitamines liposolubles (A, E i K)

Plantes: pigments carotenoides (-carotè) i fotosintètics (clorofil·la),

i olis essencials (geraniol, mentol, limonè, pinè)

Animals: ubiquinona (coenzim Q10)-cadena respiratòria

1. Composició: derivats del ciclopentanohidrofenantrè (4 anells saturats)

2. Localització i funció:

• Animals:

• Membrana plasmàtica: colesterol

• Hormones esteroïdees (andrògens, estrògens i progesterona) i

àcids biliars

• Plantes:

• Membrana plasmàtica: fitoesterols

• Precursors de la vitamina D (ergosterol)

Els lípids no saponificables

Esteroides: no contenen residus d’àc. grassos

Els lípids no saponificables

Eicosanoides: deriven d’àc. grassos essencials ω3, ω6

1. Composició: derivats de l’àcid araquidònic (sintetitzat a partir d’ω6):

prostaglandines, tromboxans y leucotriens

2. Localització i funció: es troben en microorganismes, plantes i animals

En animals són reguladors molt potents del sistema nerviós central.

Funcionen com hormones locals

PGD2 Promueven el sueño TXA2 Estimulación de agregación

plaquetaria; vasoconstricción

Contracción de musculatura lisa;

inducen dolor, calor, fiebre;

broncoconstricción

15d-PGJ2 Diferenciación de Adipocitos

PGF2α Contracciones uterinas LTB4 Quimiotaxis de leucocitos

Inhibición de la agregación

plaquetaria;

vasodilatación; implantación del

embrión

LT-Cisteinlos Anafilaxis; contracción de la

musculatura lisa bronquial.

Els lípids

Les proteïnes

Els aminoàcids Estructura

Propietats

Físiques: en estat sòlid són cristal·lins i blancs, són molt solubles en aigua

Químiques: en solució aquosa estan dissociats i poden actuar com a àcids i com a

bases. Són amfòters o amfòlits.

Punt isoelèctric: pH on la càrrega neta de la molècula és 0.

- Aas amb grups R

polars sense càrrega

Classificació

aminoàcids

- Aas amb grups R no

polars o hidrofòbics

- Aas amb grups R

polars, hidrofílics,

amb càrrega

Estructura de les proteïnes

Ex. Hemoglobina

Enllaç peptídic

Estructura primària pla amida

47 Estructura primària

Pèptids ≤ 40 amimoàcids

Polipèptids > 40 aminoàcids

KETAAAKFERQHMDSSTSAA

• Hèlix

• Fulla plegada o làmina

Estructura secundària

Només està permesa la rotació al voltant de 2 enllaços:

N-Cα (angle rotació Φ) i Cα-CO (angle rotació ψ)

Hèlix-α

Φ = -57o Ψ = -47º

Conformació helicoidal

Esquelets polipeptídics interior

Grups R exterior

Hèlix dextrogira

3.6 aa / volta d’hèlix

Estabilització: Ponts d’H intracatenaris

entre C=O d’un enllaç peptídic i N-H de

l’aa de 3 posicions més endavant

Estructura de les proteïnes Làmina β

Requereix ≥ 2 segments ≠

Esquelets polipeptídics ziga-zaga

2 aa / volta

Estabilització: Ponts d’H entre cadenes

Ex: -queratina

Formes filamentoses, allargades.

Estructura 3-D senzilla

(pràcticament 2ària)

Funció estructural i protectora.

Pell, pèl, ungles, plomes, seda,

tx. Conjuntiu, …

• α-queratina: α-hèlix

• Fibroïna: làmina β antiparal.

• Col·lagen: triple α-hèlix

PROTEÏNES FIBROSES Estructura secundària

Estructura terciària

• Estructura irregular: plegament i associació de segments amb estructura

secundària i segments d’estructura irregular.

• Regionalitat: superfície externa hidrofílica amb grups funcionals polars i regió

interna hidrofòbica, apolar.

• Estabilització de l’estructura terciària:

- interaccions dèbils, sobretot interaccions hidrofòbiques, però també ponts

d’hidrogen, forces de van der Waals i interaccions electrostàtiques.

- Interaccions covalents ponts disulfur: -SH + HS- → -S-S-

PROTEÏNES GLOBULARS

Estructura terciària de la mioglobina

A-H: segments en hèlix

AB-GH: segments no helicoidals

grup hemo

Estructura terciària

Estructura quaternària

Funcions de les proteïnes

• Funcions enzimàtiques enzims

– catalització de les reaccions químiques

• Funcions de transport de molecules:

– a través de les membranes

– a través de la sang

• Funcions estructurals:

– manteniment de la cohesió cel·lular i augment de la resistència tissular

(proteïnes extracel·lulars: queratina)

– regulació de la forma cel·lular (proteïnes intracel·lulars: tubulina)

• Funcions contràctils o mòbils actina i miosina

– desplaçament de cèl·lules

– contracció muscular

• Funcions de defensa anticossos, proteïnes de coagulació i proteïnes de

defensa dels vegetals

• Funcions reguladores hormones

– regulació de l’activitat cel·lular i fisològica

• Funcions de reserva

ENZIMS: Característiques generals

• Major velocitat de reacció: 106-1012

• Millors condicions de reacció:

– Solucions aquoses de pH neutre

– Pressió atmosfèrica i temperatura suaus

• Major especificitat:

– En relació al substrat

– En relació a la reacció catalitzada

• Capacitat de regulació:

– Modificació de la velocitat de reacció

– Coordinació de l’activitat de tots els enzims cel·lulars

Classificació i nomenclatura dels enzims

ATP + D-glucosa ADP + D-glucosa-6-fosfat

1. Número de classificació: EC.2.7.1.1.

2. Nom sistemàtic: ATP:glucosa fosfotransferasa

3. Nom trivial: hexoquinasa

Funcionament dels enzims: especificitat

(Fisher 1894)

(Koshland 1958)

Centres actius ni rígids ni totalment complementaris

Unió de S al centre actiu del E → canvi conformacional d’ambdós

Funcionament dels enzims: especificitat

Canvi conformacional induït en l’hexoquinasa

Funcionament dels enzims: poder catalític

Substrat (S) Producte (P)

catàlisi

S S* P

estat de transició: Prob. (S* P) = Prob. (S*S)

Energia d’activació (∆G≠)

L’E redueix l’energia d’activació

necessària per a la reacció, per

combinació reversible ES. Així, ↑ V

reacció. E es recupera.

Cinètica enzimàtica

Sense enzim

condicions inicials ([P] ↓)

Vo: velocitat inicial de la reacció

[E] constant i [S] variable

Vmàx S

KM + S

Equació de Michaelis-Menten

quan [S] ↑↑ → Vo=Vmàx

Tema 5. Els àcids nucleics

Els nucleòtids

Unitats bàsiques o estructurals dels àcids

nucleics: nucleòtids

Nucleòtid:

Aldopentosa + base nitrogenada + grup fosfat

Aldopentosa:

Ribosa ribonucleòtid RNA

Desoxiribosa desoxiribonucleòtid DNA

Els nucleòtids

• Unitats bàsiques o estructurals dels

àcids nucleics:

Aldopentosa:

Base nitrogenada unida al carboni 1’ de

l’aldopentosa per un enllaç covalent N-

glicosídic:

Púriques adenina (A) i guanina (G)

Pirimidíniques timina (T), citosina (C) i

uracil (U)

BN Púriques

BN Pirimidíniques

• Unitats bàsiques o estructurals dels

àcids nucleics:

Aldopentosa:

Base nitrogenada unida al carboni 1’ de

l’aldopentosa per un enllaç covalent N-

glicosídic:

Púriques adenina (A) i guanina (G)

Pirimidíniques timina (T), citosina (C) i

uracil (U)

Grup fosfat unit al carboni 5’ de

l’aldopentosa per un enllaç èster fosfòric.

Els nucleòtids

Enllaç fosfodiéster

73 DNA

solc gran

solc petit

El DNA

Aparellaments

Complementarietat

de bases nitrogenades:

A – T

El DNA parell de bases (pb)

Visió superior

Imatge lateral

- Diàmetre = 2 nm

- Longitud = 2mm-2m

- Gir: = 36o

- Avanç per pb = 0,34 nm

- 1volta: 10,5 pb

pas de rosca = 3,6 nm

El DNA

sals Watson i Crick

El DNA

• Cèl·lules procariotes:

– DNA cromosòmic: 1 molècula de DNA

circular de 5.106 pb + proteïnes associades

– Plasmidis: molècules de DNA circulars103-105 pb

• Cèl·lules eucariotes:

– Cromosomes: 109-1010 pb

1 cromosoma = 1 molècula DNA lineal + histones

– DNA circular: mitocondris i plastidis

L’RNA

• RNA missatger (mRNA):

– Nombre de nucleòtids: 500-5.000

– Tipus: 100-6.000 diferents

– Funció: intermediari per a la síntesi proteica

• RNA de transferència (tRNA):

– Nombre de nucleòtids: 75-90

– Tipus: 40 diferents

– Funció: transport d’aminoàcids per a la síntesi proteica

• RNA ribosòmic (rRNA):

– Nombre de nucleòtids: 120-3.000

– Tipus: 3 a les cèl·lules procariotes i 4 a les cèl·lules eucariotes

– Funció: estructura dels ribosomes

• RNA funcionals petits (snRNA, miRNS, siRNS, piRNA):

– Nombre de nucleòtids: 60-300

– Funció: estructura de les partícules ribonucleiques petites (snRNPs)

tema1.1.biomolecules 2013

Education

สารชีวโมเลกุล (biomolecules)

hplc analysis of biomolecules technical...

biomolecules & bioenergetics

biomolecules - summary

c3 biomolecules

introduction to biomolecules

biomolecules. biologically important molecules biomolecules...

biomolecules review

chapter 1 biomolecules

biomolecules part1

biomolecules -ii.docx

water and biomolecules

4 biomolecules

austin biomolecules

biomolecules meet nanoparticles

biochemistry biomolecules

introduction & biomolecules

biomolecules class12

biomolecules สารชีวโมเลกุล

biomolecules macromolecules