Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial

I 0 flashcards i 12 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS ESTRUCTURA I FUNCIÓ DE BIOMOLÈCULES Grau en Biologia Universitat Autònoma de Barcelona AprenAI 2026-2027 Apunts del 1r parcial d'Estructura i Funció de Biomolècules (UAB): bioenergètica, aminoàcids, plegament proteic, mètodes de separació, globines i enzims.

APREN.AI Índex Bases moleculars i aigua 1 Fonaments químics i interaccions febles en medi aquós Bioelements i jerarquia de les biomolècules Química del carboni i estereoquímica tridimensional Propietats fisicoquímiques de l'aigua i ponts d'hidrogen Interaccions no covalents en medi aquós 2 Equilibri àcid-base i sistemes amortidors fisiològics Equilibri àcid-base i fonaments químics del pH Solucions amortidores i corbes de titulació Sistemes amortidors cel·lulars i extracel·lulars Regulació respiratòria de l'equilibri àcid-base sanguini 3 Bioenergètica — Principis termodinàmics i reaccions acoblades Bioenergètica i estat estacionari dinàmic Principis termodinàmics aplicats als éssers vius Energia lliure de Gibbs i condicions estàndard bioquímiques Càlcul de la variació d'energia lliure real i reaccions acoblades Aminoàcids i pèptids 4 Propietats químiques, classificació i ionització 1.

Estructura fonamental i estereoquímica dels α-aminoàcids 2. Classificació dels vint aminoàcids estàndard 3. Propietats àcid-base, ionització i punt isoelèctric (pI) 4.

Formació i estabilitat de l'enllaç peptídic 5 Seqüenciació, fragmentació i anàlisi de l'estructura primària Estructura primària i naturalesa del polipèptid Ionització de pèptids segons el pH Proteïnes conjugades: holoenzims i cofactors Estratègia de fragmentació i seqüenciació Resolució de la seqüència primària per solapament Estructura de proteïnes 6 Estructura secundària i mapa de Ramachandran Geometria i propietats de l'enllaç peptídic Angles diedres de torsió i mapa de Ramachandran Hèlix alfa ( ): característiques i factors d'estabilitat Làmines o fulles beta ( ) α β Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 1 Elements de connexió: girs i bucles 7 Estructura terciària, quaternària i proteïnes fibroses vs globulars Estructura terciària i forces estabilitzadores Nivells d'organització terciària: motius i dominis Proteïnes globulars davant de proteïnes fibroses Principals proteïnes fibroses Estructura quaternària i el seu valor biològic 8 Plegament, estabilitat, xaperones i malalties conformacionals Termodinàmica i cinètica del plegament proteic Desnaturalització i experiments de renaturalització Xaperones moleculars i proteòstasi Malalties conformacionals: fibril·les amiloides i prions Mètodes analítics 9 Aïllament i tècniques de separació de proteïnes Principis generals de la cromatografia en columna Cromatografia de bescanvi iònic Cromatografia d'exclusió molecular (filtració en gel) Cromatografia d'afinitat Electroforesi de proteïnes 10 Caracterització biofísica i estructural de macromolècules Espectroscòpia d'absorció UV-visible Fluorescència i tècniques d'imatge cel·lular Dicroisme circular (CD) Espectrometria de masses: MALDI-TOF Mètodes de determinació estructural a resolució atòmica 11 Proteïnes de transport — Mioglobina i hemoglobina: cooperativitat i regulació El grup hemo i la butxaca hidrofòbica de la mioglobina Hemoglobina: estructura quaternària i transició al·lostèrica (estat T i R) Modulació al·lostèrica heterotròpica negativa: l'efecte Bohr i el transport de CO Regulació pel 2,3-bisfosfoglicerat (BPG) i adaptació a l'altitud Evolució proteica de les globines i conservació de residus 12 Enzims — Propietats catalítiques, bases termodinàmiques i mecanismes d'acció 1.

Característiques generals i classificació enzimàtica 2. Components no proteics: cofactors i coenzims 3. Bases termodinàmiques i energètiques de la catàlisi 4. El centre actiu i la complementarietat amb l'estat de transició 5. Mecanismes moleculars de la catàlisi β Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 2 13 Resum per repassar Aigua, àcid-base i principis de bioenergètica Aminoàcids, enllaç peptídic i estructura primària Arquitectura tridimensional i plegament de proteïnes Mètodes de purificació, biofísica, globines i enzims Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 3 1 Fonaments químics i interaccions febles en medi aquós EN ACABAR SABRÀS Diferenciar la geometria i llibertat de rotació dels enllaços senzills i dobles de carboni. Distingir entre enantiòmers, diastereòmers i isòmers geomètrics cis-trans. Explicar l'origen de les propietats anòmales de l'aigua a partir dels ponts d'hidrogen. Descriure el mecanisme entròpic de l'efecte hidrofòbic en dissolució aquosa. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què el gel sòlid sura a la superfície d'un llac en lloc d'enfonsar-se al fons?

Els organismes vius comparteixen els mateixos elements químics que la matèria inerta de l'univers, però en proporcions radicalment diferents. Aquesta selecció molecular permet construir estructures internes altament ordenades, capaces d'emprar energia per mantenir-se, respondre a estímuls ambientals i autoreplicar-se mitjançant interaccions químiques altament específiques.

Bases moleculars i aigua 1 Fonaments químics i interaccions febles en medi aquós 2 Equilibri àcid-base i sistemes amortidors fisiològics Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 4 ESQUEMA Organització de la matèria viva i biomolècules Bioelements i jerarquia de les biomolècules La composició cel·lular reflecteix una tria química precisa: aproximadament el 70 % és aigua, prop d'un 18 % correspon a proteïnes i el conjunt de macromolècules arriba al 30 % del pes total cel·lular.

Els bioelements principals (C, H, O, N, P, S) són elements lleugers capaços de formar enllaços covalents forts i estables, constituint el 99 % de la massa viva, mentre que altres elements essencials representen només un 0,9 %. Taula periòdica amb els bioelements segons la seva abundància cel·lular. Aquesta organització segueix una estricta jerarquia estructural: Monòmers o subunitats senzilles: monosacàrids, àcids grassos, aminoàcids i nucleòtids. Macromolècules: polisacàrids, lípids complexos de membrana, proteïnes i àcids nucleics.

Bioelements C, H, O, N primaris (99 %) Química del carboni Tetraedre i estereoisomeria Macromolècules Proteïnes, lípids, polisacàrids i àcids nucleics Medi aquós Estructura dipolar i ponts d'hidrogen Interaccions no covalents Iòniques, van der Waals i hidrofòbiques Efecte hidrofòbic Augment d'entropia i plegament Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 5 COMPROVA-HO 2 Per què la matèria viva utilitza majoritàriament elements lleugers com C, H, O i N en lloc d'elements més pesants? Química del carboni i estereoquímica tridimensional El carboni és el bioelement bàsic de la matèria orgànica seca: representa un 9,5 % en l'ésser humà davant l'escàs 0,021 % de l'univers.

La seva versatilitat rau en la capacitat de formar cadenes lineals, ramificades i anells mitjançant enllaços senzills, dobles o triples. Quan el carboni estableix quatre enllaços senzills, adopta una geometria tetraèdrica amb completa llibertat de rotació al voltant de l'eix de l'enllaç. En canvi, la presència d'un doble enllaç impedeix la rotació lliure per ser més curt i rígid, fixant els àtoms en un mateix pla. Els models moleculars permeten analitzar aquesta geometria des de diferents perspectives: Diferents representacions de l'alanina: Fisher, boles i varetes i van der Waals.

La presència de dobles enllaços o centres quirals genera estereoisòmers: molècules amb la mateixa connectivitat atòmica però diferent disposició a l'espai tridimensional: Isòmers geomètrics (cis-trans): originats per la rigidesa del doble enllaç. Els substituents es troben al mateix costat del pla rígid (cis) o en costats oposats (trans). Enantiòmers: imatges especulars no superposables generades quan un carboni quiral s'uneix a quatre substituents diferents. Diastereòmers: estereoisòmers amb múltiples centres quirals que no són imatges especulars entre si.

El reconeixement biològic depèn de la quiralitat: els éssers vius incorporen només L-aminoàcids a les proteïnes i D-glúcids als polisacàrids. Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 6 Esquema del reconeixement estereoespecífic enzimàtic entre els dos enantiòmers d'epinefrina. ERROR FREQÜENT Confondre configuració amb conformació. Els canvis de conformació succeeixen per gir lliure sobre enllaços senzills sense trencar enllaços. Per canviar la configuració d'un estereoisòmer (com passar d'un enantiòmer L a un D o d'un isòmer cis a trans), és indispensable trencar i refer enllaços covalents.

COMPROVA-HO 3 Què cal fer físicament per convertir la L-alanina en D-alanina en un laboratori o en una cèl·lula? Propietats fisicoquímiques de l'aigua i ponts d'hidrogen La vida té lloc en un entorn aquós. La gran electronegativitat de l'àtom d'oxigen enfront de l'hidrogen genera un dipol permanent a la molècula d'aigua ( ). Aquesta polaritat permet establir ponts d'hidrogen, interaccions direccionals entre un àtom electronegatiu donador unit a un hidrogen i un altre àtom acceptor electronegatiu.

Les característiques tèrmiques i mecàniques de l'aigua deriven de la seva xarxa cohesionada: Estructura del gel vs líquid: en gel, cada molècula forma exactament 4 ponts d'hidrogen fixos, creant una malla oberta menys densa que el líquid (el gel flota). En aigua líquida, s'estableixen entre 3,4 i 3,5 ponts d'hidrogen fluctuants. Propietats tèrmiques excepcionals: un elevat calor específic actua com a tampó tèrmic davant canvis ambientals, i la seva alta calor de vaporització permet una refrigeració eficient. Dissolvent polar: la seva elevada constant dielèctrica debilita les atraccions electroestàtiques entre ions solapant-ne les càrregues.

COMPROVA-HO 4 Per quina raó estructural el gel d'aigua flota sobre l'aigua líquida a 0 °C? H O 2 Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 7 Interaccions no covalents en medi aquós L'estabilitat i el plegament de les biomolècules depenen d'un balanç d'interaccions febles. L'aigua determina decisivament com s'associen: Tipus d'interacció Origen físic Comportament en dissolució aquosa Iònica ( ) Atracció electroestàtica entre càrregues netes oposades. L'alta constant dielèctrica de l'aigua debilita la interacció apantallant els ions. Pont d'hidrogen Atracció dipolar direccional ( ). Molt més forta i estable quan els tres àtoms implicats estan alineats.

Efecte hidrofòbic Exclusió de soluts apolars per maximitzar l'entropia de l'aigua. L'agrupació de cues hidrocarbonades allibera molècules d'aigua ordenades i afavoreix termodinàmicament el sistema. Forces de Van der Waals Atracció i repulsió per dipols induïts transitoris entre àtoms propers. La màxima atracció s'assoleix just a la suma dels radis de Van der Waals dels dos àtoms. L'efecte hidrofòbic condueix l'autoassemblatge de membranes i el plegament proteic. Les molècules d'aigua al voltant d'un solut apolar es veuen obligades a formar estructures altament ordenades de baixa entropia.

Quan les superfícies hidrofòbiques s'associen entre si, aquesta aigua immobilitzada s'allibera, augmentant l'entropia del solvent, un procés altament favorable termodinàmicament. PER RECORDAR-HO El radi de Van der Waals defineix l'espai mínim impenetrable d'un àtom. Dos àtoms no enllaçats s'atrauen per fluctuacions de càrrega fins a tocar els seus radis de Van der Waals; si s'apropen més, apareixen fortes repulsions electròniques. IDEES CLAU Els bioelements primaris (C, H, O, N, P, S) són àtoms lleugers capaços de constituir enllaços covalents ferms i estables.

El carboni adopta una geometria tetraèdrica quan forma 4 enllaços simples amb rotació lliure, mentre que el doble enllaç és pla i rígid. Els enantiòmers són imatges especulars no superposables al voltant d'un carboni quiral, i els sistemes vius seleccionen estrictament L-aminoàcids. L'aigua forma 4 ponts d'hidrogen en gel i entre 3,4 i 3,5 en estat líquid, fet que explica l'anomalia de densitat i el seu elevat calor específic. L'efecte hidrofòbic està impulsat termodinàmicament per l'augment d'entropia en alliberar l'aigua altament ordenada que envolta els soluts apolars. A B + D-H...A Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 8 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 5.

Com influeix l'alta constant dielèctrica de l'aigua sobre la força de les interaccions iòniques? 6. Quin és el motor termodinàmic principal de l'efecte hidrofòbic en medi aquós? BASES MOLECULARS I AIGUA 2 Equilibri àcid-base i sistemes amortidors fisiològics EN ACABAR SABRÀS Deduir l'equació de Henderson-Hasselbalch a partir de la constant d'equilibri d'acidesa. Analitzar una corba de titulació i identificar el punt de màxima capacitat amortidora. Descriure el mecanisme respiratori de compensació de les variacions de pH sanguini mitjançant el tampó bicarbonat.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 7 Com aconsegueix la sang mantenir un pH estable al voltant de 7,4 malgrat la producció constant d'àcids pel metabolisme cel·lular? Equilibri àcid-base i fonaments químics del pH La concentració de protons en dissolució determina l'estat d'ionització de les biomolècules. Es defineix el pH com el logaritme negatiu de la concentració de protons: Els àcids febles no es dissocien completament en aigua, sinó que assoleixen un equilibri caracteritzat per la seva constant d'acidesa (\(K_a\)).

Considerem la dissociació general d'un àcid feble HA en la seva base conjugada i un protó: L'expressió de la constant d'equilibri d'aquesta reacció és: Aplicant logaritmes negatius a ambdós costats de la igualtat s'obté l'equació de Henderson- Hasselbalch, que relaciona el pH amb el valor de ( ) i les concentracions de les espècies conjugades: pH = log[H ] + A HA A + H+ K = a [HA] [A ][H ] + pK a pK = a log K a pH = pK + a log ( [HA] [A ] ) Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 9 COMPROVA-HO 8 Què passa amb el valor de pH d'una solució amortidora si la concentració de la base conjugada és exactament igual a la de l'àcid feble?

Solucions amortidores i corbes de titulació Una solució amortidora o tampó és un sistema format per un àcid feble i la seva base conjugada que resisteix canvis bruscos de pH quan s'afegeixen petites quantitats d'àcid o de base fort. Aquesta resistència requereix que el sistema estigui en equilibri dinàmic. Durant una titulació, la relació entre i varia, però la suma total de les dues espècies ( ) es manté constant. La capacitat amortidora màxima s'assoleix quan pH = pKa, moment en el qual . Gràfica de la corba de titulació d'un àcid feble.

L'anàlisi de la corba de titulació permet delimitar dues zones funcionals completament diferents: Zona de tampó eficaç: Comprèn la franja central propera al , on la corba és pràcticament plana perquè l'absorció o alliberament de protons no altera gaire el pH. Zona fora de rang: Quan s'esgota la base conjugada o l'àcid conjugat, l'amortidor perd la seva funció i un àcid feble fora del seu rang es comporta com un àcid fort, registrant increments bruscos de pH davant qualsevol addició. Algunes substàncies contenen més d'un grup protonable; aquests compostos presenten diversos valors de i permeten amortir el medi en diferents rangs de pH.

ERROR FREQÜENT Confondre el límit de la capacitat amortidora. Si s'afegeix un àcid a un tampó i el càlcul del pH final dona un valor més bàsic que el inicial quan l'àcid superava la base, s'ha aplicat malament la relació de Henderson-Hasselbalch. Quan el reactiu afegit supera la concentració total de l'amortidor, la capacitat de neutralització s'esgota i el pH es dispara sobtadament. [A ] [HA] [HA] + [A ] [A ] = [HA] pK a pK a pK a Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 10 COMPROVA-HO 9 Per què un àcid feble fora de la seva zona d'amortiment produeix canvis dràstics de pH quan s'afegeix una base forta?

Sistemes amortidors cel·lulars i extracel·lulars El manteniment del pH fisiològic entre 7,0 i 7,4 és imprescindible per a la viabilitat biològica. Les desviacions de pH alteren la solubilitat de les molècules polars que depenen de ponts d'hidrogen (vegeu «Bases moleculars i aigua — Fonaments químics i interaccions febles en medi aquós») i modifiquen l'activitat catalítica dels enzims, que depèn del seu pH òptim.

Els organismes disposen de diversos sistemes químics amortidors per protegir els compartiments intra i extracel·lulars: Sistema amortidor Espècie protonada / desprotonada Localització i rellevància funcional Fosfat Principalment intracel·lular; actua amb màxima eficàcia a un pH proper a 7. Histidina (proteïnes) Grup imidazol protonat / neutre Present a les cadenes polipeptídiques; , únic residu funcional a pH neutre. Bicarbonat Predominant al plasma sanguini; connectat a l'intercanvi de gasos pulmonar. Esquema de la ionització de l'anell imidazol a la histidina. Com es mostra a l'esquema estructural anterior, el grup imidazol de la histidina posseeix un .

Això converteix aquest residu d'aminoàcid en l'únic capaç d'intercanviar protons eficaçment en les condicions de neutralitat del medi cel·lular. COMPROVA-HO 10 Quin és el residu aminoàcid clau per a la capacitat amortidora de les proteïnes a pH fisiològic i quin és el seu pKa de referència? H PO /HPO 2 4 4 2 pK a 6,0 CO (aq) + 2 H O/HCO 2 3 pK a 6,0 Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 11 Regulació respiratòria de l'equilibri àcid-base sanguini El sistema tampó més rellevant del plasma sanguini és el format pel parell bicarbonat / diòxid de carboni ( ).

Tot i trobar-se en el límit del seu valor òptim respecte al pH sanguini de 7,4, la seva alta eficàcia s'explica perquè és un sistema obert regulat per la ventilació pulmonar. L'equilibri químic global que connecta el metabolisme amb la respiració s'expressa de la següent manera: La ventilació permet regular les variacions de la concentració de protons mitjançant dues respostes fisiològiques: PROCÉS Compensació respiratòria de l'acidosi sanguínia Quan es produeix una hiperventilació, s'expulsa una quantitat excessiva de gas, la qual cosa redueix la pressió de diòxid de carboni i desplaça l'equilibri cap a l'alcalosi.

Una mesura habitual per contrarestar aquest estat és respirar dins d'una bossa de paper: en fer-ho, es redueix la proporció d'oxigen disponible i s'inhala l'aire enriquit en que acaba de ser expulsat, restaurant ràpidament els nivells fisiològics normals. HCO /CO 3 2 H + + HCO 3 H CO 2 3 CO (aq) + 2 H O 2 CO (g) 2 Compensació de l'acidosi: Si s'afegeix un àcid o augmenta la producció de protons, aquests es combinen amb el bicarbonat ( ), augmentant la concentració de en dissolució i la pressió parcial de ( ). Per revertir l'acidificació sanguínia, s'augmenta la freqüència i profunditat respiratòria per expulsar l'excés de diòxid de carboni.

1 HCO 3 CO 2 CO 2 pCO 2 Compensació de l'alcalosi: Si es produeix una pèrdua d'àcid, la concentració de protons disminueix i l'equilibri es desplaça, reduint la quantitat de i la . El cos respon disminuint la freqüència respiratòria per retenir el gas i restablir els protons necessaris.

2 CO 2 pCO 2 Augment de protons Acidificació del plasma sanguini 1 Formació de CO2 Consum d'ions bicarbonat i augment de pCO2 2 Hiperventilació Augment de la freqüència respiratòria pulmonar 3 Eliminació de CO2 Expulsió del gas cap a l'exterior 4 Normalització del pH Restabliment dels valors fisiològics normals 5 CO 2 Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 12 COMPROVA-HO 11 Com respon el centre respiratori davant d'una acumulació excessiva de protons en sang per retornar el pH al rang fisiològic? IDEES CLAU L'equació de Henderson-Hasselbalch, , relaciona el pH amb el grau de dissociació d'un àcid feble. La capacitat amortidora màxima d'un tampó s'obté quan , punt en què .

Fora de l'interval de protecció amortidora, un àcid feble exhaureix les seves espècies conjugades i es comporta com un àcid fort. El grup imidazol de la histidina té un i és l'únic residu aminoàcid amb capacitat amortidora a pH fisiològic. El sistema bicarbonat/ manté el pH sanguini gràcies a la regulació respiratòria de la . COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 12. Què succeeix físicament en una corba de titulació en el punt exacte on ? 13. Per quina raó el diòxid de carboni és essencial en el control del pH extracel·lular? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 14. Quants ponts d'hidrogen forma de mitjana cada molècula d'aigua en estat líquid? 15.

Quina característica geomètrica té un carboni que estableix un doble enllaç amb un altre carboni? 16. Com es defineix un carboni quiral? 17. Per què s'agrupen les cues apolars dels lípids en contacte amb l'aigua?

pH = pK + a log([A ]/[HA]) pH = pK a [A ] = [HA] pK a 6,0 CO 2 pCO 2 pH = pK a Entre 1,0 i 1,5 enllaços a) Entre 3,4 i 3,5 enllaços b) 4 enllaços fixos c) Exactament 2 enllaços d) Geometria tetraèdrica flexible a) Rotació lliure d'enllaç b) Pla rígid sense rotació c) Disposició esfèrica no polar d) Unit a quatre substituents diferents a) Incapaç de formar enllaços covalents b) Sempre situat a l'extrem terminal c) Unit a dos dobles enllaços d) Per formar ponts d'hidrogen forts a) Per neutralitzar càrregues oposades b) Per reduir el volum molecular c) Per augmentar l'entropia del solvent d) Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 13 18.

Quin valor pren el quocient [A ]/[HA] quan el pH d'una solució amortidora coincideix amb el seu pKa? 19. Quin residu d'aminoàcid actua com a amortidor fisiològic funcional a pH proper a la neutralitat? 20. Com compensa el sistema respiratori un augment excessiu de protons (acidosi) a la sang? 21. Què succeeix quan s'afegeixen àcids o bases a un àcid feble fora del seu rang d'amortiment? 3 Bioenergètica — Principis termodinàmics i reaccions acoblades EN ACABAR SABRÀS Distingir l'estat estacionari dinàmic de l'equilibri termodinàmic cel·lular. Predir l'espontaneïtat d'un procés segons els signes d'entalpia i entropia.

Calcular l'energia lliure de Gibbs en condicions estàndard i reals cel·lulars. Explicar com l'acoblament químic permet que reaccions endergòniques tinguin lloc. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 22 Per què si l'oxidació de la glucosa és altament favorable la molècula no es desintegra immediatament a la bossa de sucre? La bioenergètica és la disciplina que analitza els fluxos, les transformacions i l'aprofitament de l'energia en els éssers vius mitjançant l'aplicació dels principis de la termodinàmica. Bioenergètica i estat estacionari dinàmic La matèria viva es caracteritza per una alta organització interna i, per tant, per una baixa entropia.

Mantenir aquesta estructura tan ordenada requereix una despesa energètica continuada, extreta de l'entorn com a energia útil i retornada en part com a calor.

10 a) 0,1 b) 0 c) 1 d) Histidina a) Arginina b) Aspartat c) Lisina d) Disminuint la freqüència respiratòria a) Inhibint l'exhalació de gasos b) Augmentant la freqüència respiratòria c) Retenint diòxid de carboni d) Es comporta com un àcid fort a) Augmenta la capacitat amortidora b) El seu pKa canvia de valor c) El pH es manté constant d) Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 14 DEFINICIÓ Un estat estacionari dinàmic és la situació fisiològica en què la concentració dels components cel·lulars es manté constant perquè la velocitat de síntesi o entrada iguala amb precisió la velocitat de degradació o consum.

Un organisme viu no es troba mai en equilibri termodinàmic amb el medi; assolir aquest equilibri equival a la mort biològica. L'estat estacionari es manté gràcies al recanvi constant de matèria: Síntesi i degradació de proteïnes: la concentració d'hemoglobina roman estable si el ritme de síntesi a partir d'aminoàcids equival al ritme de destrucció (per a l'estructura de les proteïnes, vegeu «Aminoàcids i pèptids — Propietats químiques, classificació i ionització»). Nivells de metabòlits: la concentració de glucosa es manté invariable si la ingesta de glúcids s'equipara a la suma de la seva combustió a , el seu magatzem en greixos i la formació d'altres productes.

COMPROVA-HO 23 Per què una cèl·lula viva mai pot assolir l'equilibri termodinàmic amb el seu entorn? Principis termodinàmics aplicats als éssers vius Els éssers vius no poden generar energia del no-res ni destruir-la; només tenen la capacitat de transformar-la d'una modalitat a una altra. El primer principi de la termodinàmica expressa la conservació de l'energia. A pressió constant, els canvis energètics s'associen a la variació d'entalpia ( ), calculada a partir de l'entalpia dels productes menys la dels reactius: Com més enllaços químics estables conté una molècula, menor és el seu contingut energètic intern.

Si el balanç d'enllaços allibera calor a l'entorn ( ), el procés s'anomena exotèrmic. Si el procés absorbeix calor ( ), es qualifica d'endotèrmic. El segon principi de la termodinàmica indica que en tot procés natural l'entropia de l'univers augmenta. Una fracció de l'energia s'aprofita per realitzar treball mecànic o químic, mentre que la resta es dissipa de manera no útil en forma de calor. En termes moleculars, un canvi d'entropia positiu ( ) indica que els productes són més desordenats i menys complexos estructuralment que els reactius. COMPROVA-HO 24 Com compleix una cèl·lula el segon principi de la termodinàmica si sintetitza macromolècules molt ordenades?

CO 2 ΔH ΔH = ΔH P ΔH R ΔH < 0 ΔH > 0 ΔS > 0 Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 15 Energia lliure de Gibbs i condicions estàndard bioquímiques A temperatura i pressió fisiològiques constants, la quantitat d'energia d'un sistema apta per produir un treball biològic efectiu és l'energia lliure de Gibbs ( ). La seva variació total s'obté a partir de la relació fonamental: El signe de defineix el caràcter espontani de qualsevol transformació metabòlica: Si , la reacció és exergònica i transcorre de manera espontània. Si , la reacció és endergònica i no és espontània en aquest sentit. Si , el sistema ha assolit l'equilibri termodinàmic.

Signe de Signe de Comportament de Espontaneïtat del procés Negatiu ( ) Positiu ( ) Sempre Espontània a qualsevol temperatura Positiu ( ) Negatiu ( ) Sempre No espontània a cap temperatura Negatiu ( ) Negatiu ( ) a baixes Espontània només a baixa temperatura Positiu ( ) Positiu ( ) a altes Espontània només a alta temperatura Les condicions químiques estàndard convencionals s'estableixen a una pressió d'1 bar ( ) i concentracions de reactius . Tanmateix, a la cèl·lula l'aigua té una concentració de i el pH és proper a la neutralitat biològica ( , és a dir, ). Sota aquestes condicions específiques s'utilitza l'energia lliure estàndard transformada, .

Aquesta magnitud està vinculada a la constant d'equilibri ( ): On és la constant universal dels gasos i la temperatura absoluta. Si , i en l'equilibri predominen els productes. Si , i l'equilibri afavoreix els reactius. ERROR FREQÜENT Confondre amb real. Un valor de no vol dir que la reacció sigui inviable dins la cèl·lula. El sentit d'un procés depèn exclusivament de la cel·lular instantània, modulada per les concentracions relatives reals dels metabòlits. A més, recordeu que els enzims rebaixen l'energia d'activació sense alterar mai la ni la constant d'equilibri (vegeu «Enzims — Propietats catalítiques, bases termodinàmiques i mecanismes d'acció»).

Càlcul de la variació d'energia lliure real i reaccions acoblades En el citoplasma les concentracions no són .

Per a una transformació general del tipus , la variació d'energia real es determina mitjançant el quocient de reacció ( ): G ΔG = ΔH TΔS ΔG ΔG < 0 ΔG > 0 ΔG = 0 ΔH ΔS ΔG < 0 > 0 ΔG < 0 > 0 < 0 ΔG > 0 < 0 < 0 ΔG < 0 T > 0 > 0 ΔG < 0 T 101.300 Pa 1 M 55,5 M pH = 7 [H ] = + 10 M 7 ΔG K eq ΔG = RT lnK eq R T K > eq 1 ΔG < 0 K < eq 1 ΔG > 0 ΔG ΔG ΔG > 0 ΔG ΔG 1 M aA + bB cC + dD Q ΔG = ΔG + RT ln = [A] [B] a b [C] [D] c d ΔG + RT lnQ Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 16 Un procés amb un desfavorable pot esdevenir espontani in vivo si els productes es retiren ràpidament, fent que . Una altra estratègia fonamental és el principi d'acoblament energètic.

Com que l'energia lliure és una funció d'estat, els valors de són additius. Dues reaccions consecutives que comparteixen un intermediari comú sumen les seves energies: PROCÉS Mecanisme d'acoblament energètic per intermediari Gràcies a l'acoblament, el consum immediat de l'intermediari comú arrossega el conjunt del procés cap endavant. Les rutes que sostenen aquests intercanvis pertanyen habitualment a quatre grans categories bioquímiques: Reaccions d'oxidació-reducció fonamentades en la transferència d'electrons. Processos de tall i formació d'enllaços carboni-carboni ( ). Reordenaments interns, canvis conformacionals, isomeritzacions i reaccions d'eliminació.

Transferència de grups químics funcionals entre substrats. COMPROVA-HO 25 Com pot una reacció amb variació d'energia lliure estàndard positiva produir-se espontàniament a la cèl·lula sense gastar ATP? ΔG Q < K eq ΔG Reacció endergònica: amb valor . 1 A B ΔG > 1 0 Reacció fortament exergònica: amb valor . 2 B C ΔG molt negatiu 2 Reacció global combinada: amb .

3 A C ΔG = global ΔG + 1 ΔG < 2 0 Reactiu inicial (A) Compost de partida del procés acoblat 1 Etapa endergònica Transformació amb ΔG positiva 2 Intermediari compartit (B) Producte de la primera i reactiu de la segona 3 Etapa exergònica Consum ràpid de B altament favorable 4 Producte final (C) Balanç energètic global espontani 5 C C Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 17 IDEES CLAU Els organismes vius es troben en un estat estacionari dinàmic sostingut pel consum continu d'energia externa, lluny de l'equilibri termodinàmic. El primer principi garanteix la conservació de l'energia ( ), mentre que el segon estableix que l'entropia global de l'univers ( ) sempre augmenta.

L'espontaneïtat es quantifica mitjançant l'energia lliure de Gibbs: , essent favorable únicament quan . L'estat estàndard bioquímic fixa la concentració d'aigua a i un pH de 7 ( ), relacionant-se amb l'equilibri com \Delta G^\circ\rq} = -RT \text{ ln } K\rq_{\text{eq}}. Reaccions termodinàmicament desfavorables ( ) es produeixen a la cèl·lula mitjançant acoblament energètic per intermediaris compartits o per depleció de productes. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 26. En quina circumstància una reacció amb variació d'entalpia endotèrmica pot ser espontània? 27. Quina relació mantenen el quocient de reacció Q i la constant K'eq quan el sistema arriba a l'equilibri? Test Encercla la resposta correcta.

Les solucions són al final. 28. Com es defineix l'estat estacionari dinàmic cel·lular? 29. Quin signe pren ΔG°' si la constant K'eq és superior a 1? 30. Quan és espontània una reacció amb ΔH > 0 i ΔS > 0? 31. Quin requisit cal per acoblar energèticament dues reaccions?

ΔH ΔS ΔG = ΔH TΔS ΔG < 0 55,5 M [H ] = + 10 M 7 ΔG > 0 Absència de fluxos de matèria a) Velocitats iguals de producció i consum b) Equilibri químic amb el medi extern c) Aturada de les reaccions metabòliques d) Signe indefinit a) Signe negatiu b) Signe positiu c) Valor zero d) Mai pot ser espontània a) A temperatures elevades b) A qualsevol temperatura c) A temperatures baixes d) Generar únicament calor residual a) Tenir idèntica energia d'activació b) Estar en equilibri termodinàmic complet c) Compartir un intermediari comú d) Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 18 4 Propietats químiques, classificació i ionització EN ACABAR SABRÀS Distingir la configuració estereoquímica dels aminoàcids mitjançant els sistemes Fischer i Cahn- Ingold-Prelog.

Classificar els 20 aminoàcids estàndard segons la polaritat, càrrega i reactivitat dels seus grups R. Calcular el punt isoelèctric (pI) d'aminoàcids neutres, àcids i bàsics a partir dels seus pKa. Explicar el balanç entre la desfavorabilitat termodinàmica i l'estabilitat cinètica de l'enllaç peptídic. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 32 Com pot ser que les proteïnes cel·lulars siguin estables si la hidròlisi dels seus enllaços peptídics és una reacció termodinàmicament espontània? Els aminoàcids són les unitats monomèriques fonamentals a partir de les quals es construeixen els pèptids i les proteïnes.

Les proteïnes funcionen com a heteropolímers formats per la unió seriada d'α- aminoàcids mitjançant enllaços amida, anomenats enllaços peptídics. La immensa diversitat funcional i estructural dels polipèptids depèn directament de les propietats físico-químiques de les cadenes laterals (grups R) d'aquests monòmers. Aminoàcids i pèptids 4 Propietats químiques, classificació i ionització 5 Seqüenciació, fragmentació i anàlisi de l'estructura primària Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 19 ESQUEMA Organització temàtica: Aminoàcids i pèptids 1.

Estructura fonamental i estereoquímica dels α-aminoàcids Un α-aminoàcid està constituït per un àtom central denominat carboni α ( ), que presenta una geometria tetraèdrica. Aquest àtom enllaça simultàniament quatre substituents: un grup amino ( ), un grup carboxil (-COOH), un àtom d'hidrogen ( ) i una cadena lateral distintiva anomenada grup R. La prolina constitueix una excepció a aquesta pauta comuna: la seva cadena lateral cicla sobre el grup amino primari, generant un grup amino secundari cíclic rígid.

En la nomenclatura bioquímica habitual, els àtoms de carboni s'etiqueten mitjançant lletres gregues a partir del ( ), a diferència de la numeració sistemàtica de la química orgànica que comença pel carboni més oxidat del carboxil. Degut a la disposició tetraèdrica, el actua com a carboni asimètric o centre quiral (vegeu «Bases moleculars i aigua — Fonaments químics i interaccions febles en medi aquós») en dinou dels vint aminoàcids estàndard. La glicina és l'únic aminoàcid aquiral, ja que conté dos àtoms d'hidrogen units al . La quiralitat confereix activitat òptica, és a dir, la capacitat de desviar el pla de polarització de la llum polaritzada.

Per descriure la configuració espacial dels estereoisòmers, s'utilitzen dues convencions: Convenció L/D de Fischer: Es pren com a referència el gliceraldehid. Si en la projecció de Fischer el grup amino queda disposat a l'esquerra del carboni quiral, correspon a la forma L; si queda cap a la dreta, a la forma D. Tots els aminoàcids canònics incorporats als ribosomes pertanyen a la sèrie L. Sistema (R/S) de Cahn-Ingold-Prelog: Assigna prioritats als quatre substituents en funció del seu nombre atòmic decreixent ( ). Orientant l'hidrogen cap al fons, un sentit horari de prioritat decreixent determina una configuració (R) (de rectus), mentre que un sentit antihorari determina (S) (de sinister).

Estructura monomèrica Carboni alfa, quiralitat i estereoquímica L/S Classificació dels 20 aa Apolars, aromàtics, polars, bàsics i àcids Absorció UV i ponts S-S Aromàtics a 280 nm i formació de cistina Equilibri iònic i pI Comportament zwitteriònic i dissociació àcid-base L'enllaç peptídic Formació per condensació i termodinàmica Seqüenciació estructural Degradació d'Edman i anàlisi primària C α NH 2 H C α C , C , C , C , C α β γ δ ϵ C α C α NH > 3 + COO > R > H Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 20 Aminoàcids com la isoleucina i la treonina contenen a més un segon centre quiral en la seva cadena lateral.

La interacció entre biomolècules quirals a les cèl·lules és altament estereoespecífica: els llocs d'unió proteics actuen com butxaques tridimensionals que només encaixen amb un enantiòmer determinat. ERROR FREQÜENT Confondre la designació L/D amb la configuració (R)/(S). Tot i que tots els α-aminoàcids canònics de la sèrie L tenen configuració (S), la L-cisteïna és una excepció i té configuració (R). Això és degut al fet que l'àtom de sofre ( ) té un nombre atòmic superior al de l'oxigen, fet que atorga al grup R prioritat per sobre del grup carboxil ( ). COMPROVA-HO 33 Per quina raó la glicina és òpticament inactiva i no presenta formes enantiomèriques L o D? 2.

Classificació dels vint aminoàcids estàndard A pH fisiològic ( ), els aminoàcids es classifiquen en cinc grans famílies atenent a la naturalesa química, solubilitat i tendència de polaritat de la seva cadena lateral (vegeu «Bases moleculars i aigua — Fonaments químics i interaccions febles en medi aquós»). Esquema dels aminoàcids amb cadenes laterals alifàtiques i apolars. CH SH 2 COO pH 7,0 Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 21 2.1. Aminoàcids apolars alifàtics (7) Comprenen la glicina (Gly, G), l'alanina (Ala, A), la prolina (Pro, P), la valina (Val, V), la leucina (Leu, L), la isoleucina (Ile, I) i la metionina (Met, M).

Les seves cadenes hidrocarbonades hidrofòbiques tendeixen a compactar-se a l'interior o core de les proteïnes solubles mitjançant interaccions hidrofòbiques. La prolina aporta una rigidesa conformacional singular al polipèptid en tancar un anell pirrolidínic rígid. D'altra banda, les ramificacions sobre el carboni β (com a la valina i isoleucina) generen certs impediments estèrics respecte a les ramificacions en carbonis més distants com a la leucina. 2.2. Aminoàcids aromàtics (3) Comprenen la fenilalanina (Phe, F), la tirosina (Tyr, Y) i el triptòfan (Trp, W). Són residus relativament hidrofòbics.

El grup fenol de la tirosina pot formar enllaços d'hidrogen i participar en catàlisi enzimàtica, mentre que l'anell indol del triptòfan conté un àtom de nitrogen polar. Aquests aminoàcids presenten una propietat fisicoquímica clau: absorbeixen llum ultraviolada a una longitud d'ona de 280 nm. El triptòfan i la tirosina en són els principals responsables; la fenilalanina ho fa amb molta menys intensitat. Aquest paràmetre permet quantificar i caracteritzar solucions proteiques als laboratoris de bioquímica. Esquema dels aminoàcids amb grups funcionals polars no carregats. 2.3.

Aminoàcids polars sense càrrega (5) Comprenen la serina (Ser, S), la treonina (Thr, T), la cisteïna (Cys, C), l'asparagina (Asn, N) i la glutamina (Gln, Q). Són hidrofílics i solubles en aigua perquè poden establir ponts d'hidrogen mitjançant els seus grups hidroxil (Ser, Thr), amida (Asn, Gln) o sulfhidril feblement àcid (Cys). Metabòlicament, la glutamina pot transformar-se enzimàticament en glutamat alliberant amoníac, el qual pot ser transferit a l'aspartat per formar asparagina. Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 22 El grup tiol ( ) de la cisteïna té una alta capacitat per oxidar-se.

Dues molècules de cisteïna s'uneixen covalentment formant un dímer anomenat cistina mitjançant un enllaç o pont disulfur ( ): Aquests enllaços disulfur estabilitzen l'estructura tridimensional de moltes proteïnes connectant regions distants d'una mateixa cadena o unint polipèptids independents. 2.4. Aminoàcids bàsics (carregats positivament a pH 7, 3) Comprenen la lisina (Lys, K), l'arginina (Arg, R) i la histidina (His, H). Aquests grups R actuen com a cations a pH neutre i es localitzen preferentment a la superfície exterior de les proteïnes solubles, interactuant amb espècies carregades negativament (com àcids nucleics o lípids).

Si se situen a l'interior hidrofòbic, la seva càrrega ha d'estar neutralitzada per un contraió. El grup imidazol de la histidina té un pKa pròxim a 6,0, el qual li permet intercanviar protons a pH fisiològic i ser un element catalític i amortidor essencial en els centres actius enzimàtics. 2.5. Aminoàcids àcids (carregats negativament a pH 7, 2) Comprenen l'aspartat (Asp, D) i el glutamat (Glu, E). Posseeixen un segon grup carboxil a la cadena lateral ( ). Són anions a pH fisiològic que acostumen a ocupar les regions perifèriques de les proteïnes, establint ponts salins amb cations i grups bàsics.

Classificació Aminoàcids (Nom, codi 3 i 1 lletra) Naturalesa del grup R Comportament o càrrega a pH 7 Apolars alifàtics Gly (G), Ala (A), Pro (P), Val (V), Leu (L), Ile (I), Met (M) Cadenes hidrocarbonades (alifàtiques, tioèter o anell rígid) Neutra, hidrofòbics (s'agrupen al core) Aromàtics Phe (F), Tyr (Y), Trp (W) Anells benzènics, fenòlics o indòlics Neutra; absorció UV característica a 280 nm Polars sense càrrega Ser (S), Thr (T), Cys (C), Asn (N), Gln (Q) Grups , , Neutra; hidrofílics, ponts disulfur (cistina) Bàsics (carregats +) Lys (K), Arg (R), His (H) Amina ( ), guanidini, imidazol Positiva (catió; His té ) Àcids (carregats -) Asp (D), Glu (E) Carboxil lateral ( ) Negativa (anió; hidrofílics) 2.6.

Aminoàcids no estàndard i modificats A més dels vint aminoàcids comuns, hi ha dos residus poc freqüents que s'incorporen durant la síntesi proteica ribosomal mitjançant senyals específics: la selenocisteïna (que conté seleni en comptes de sofre) i la pirrolisina. Es troben restringits a certs enzims tant en procariotes com en eucariotes. D'altra banda, existeixen aminoàcids modificats per addicions químiques post-traduccionals (hidroxilacions, fosforilacions), així com molècules derivades d'aminoàcids que actuen amb funcions independents fora de les cadenes polipeptídiques, com la histamina, la dopamina o la tiroxina.

SH S S 2 Cys-SH Cys-S-S-Cys + 2H + + 2e COO OH SH CONH 2 NH 3 + pK a 6,0 COO Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 23 COMPROVA-HO 34 Quins són els dos aminoàcids aromàtics que contribueixen principalment a l'absorbància UV a 280 nm d'una proteïna? 3. Propietats àcid-base, ionització i punt isoelèctric (pI) Els aminoàcids són substàncies amfòteres (amfòlits), ja que poden comportar-se tant com a àcids cedint protons o com a bases acceptant-los. A pH marcadament àcid ( ), tant el grup carboxil com l'amino es troben protonats (-COOH i ), de manera que la molècula adopta una forma catiònica amb càrrega neta positiva.

A mesura que el pH augmenta, el grup és el primer a desprotonar-se en tenir una acidesa considerable ( ). En aquest interval de pH intermedi, l'aminoàcid adopta l'estat de zwitterió (ió dipolar dipolarment neutre): el grup carboxil està desprotonat com a i el grup amino protonat com a , resultant en una càrrega elèctrica neta de zero. A pH molt bàsic ( ), el grup amino perd el seu protó passant a la forma neutra , resultant en una espècie aniònica amb càrrega neta negativa. El punt isoelèctric (pI) es defineix com el valor de pH exacte en el qual la càrrega elèctrica neta mitjana de la molècula d'aminoàcid és rigorosament zero.

Segons l'equació de Henderson-Hasselbalch (vegeu «Bases moleculars i aigua — Equilibri àcid-base i sistemes amortidors fisiològics»): Els aminoàcids tenen propietats amortidores de pH precisament en els intervals de , presentant com a mínim dues zones d'amortiment (la del i la del ). Gràfica de titulació i equilibris de dissociació del glutamat. 3.1. Càlcul del punt isoelèctric en aminoàcids simples (cadena R no ionitzable) En els aminoàcids que només contenen els dos grups ionitzables de l'esquelet (com la glicina o l'alanina), el pI és la mitjana aritmètica dels dos valors de : Per a la glicina ( i ), el càlcul dona directament .

pH < 2 NH 3 + α-COOH pK 1 2 COO NH 3 + pH > 9 NH 2 pH = pK + a log [HA] [A ] pH = pK ± a 1 α-COOH α-NH 3 + pK a π = 2 pK + pK 1 2 pK = 1 2,34 pK = 2 9,60 π = = 2 2,34+9,60 5,97 Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 24 3.2. Càlcul del punt isoelèctric en aminoàcids amb cadenes laterals ionitzables Set aminoàcids posseeixen grups R amb capacitat àcid-base reversible: tirosina, cisteïna, lisina, arginina, histidina, aspartat i glutamat. Les seves corbes de titulació presenten tres estadis de dissociació i tres valors de ( ).

El procediment per determinar el pI requereix establir quins dos valors de delimiten l'espècie amb càrrega neta nul·la (el zwitterió): COMPROVA-HO 35 Si un aminoàcid té pK1 = 2,19, pKR = 4,25 i pK2 = 9,67, quin és el seu punt isoelèctric i a quin tipus d'aminoàcid correspon? 4. Formació i estabilitat de l'enllaç peptídic Els aminoàcids s'acoblen mitjançant una reacció de condensació que enllaça el grup d'una unitat monomèrica amb el grup de la següent. En aquesta unió covalent s'elimina una molècula d'aigua ( provinent del carboxil i un protó de l'amino).

Des del punt de vista termodinàmic, en condicions aquoses la reacció de condensació té un increment d'energia lliure de Gibbs positiu ( ; vegeu «Bioenergètica — Principis termodinàmics i reaccions acoblades»), fet que la fa desfavorida termodinàmicament. Per contra, la reacció d'hidròlisi (el trencament del polipèptid en els seus aminoàcids constituents) és el procés termodinàmicament espontani. Si la hidròlisi està termodinàmicament afavorida, les proteïnes i els éssers vius persisteixen gràcies a la cinètica de reacció: l'enllaç peptídic posseeix una elevada estabilitat cinètica a causa d'una alta energia d'activació per a la seva hidròlisi espontània.

A temperatura i pH corporals fisiològics, la velocitat de degradació sense catàlisi és summament lenta (amb una vida mitjana de segles en absència d'enzims proteolítics). L'enllaç peptídic presenta caràcter parcial de doble enllaç ( ) a causa de la deslocalització per ressonància del parell d'electrons del nitrogen cap a l'oxigen carbonílic. Aquest fenomen immobilitza els àtoms del grup amida ( ) en una disposició coplanar rígida, impedint la lliure rotació al voltant de l'enllaç peptídic. pK a pK , pK , pK 1 2 R pK a Aminoàcids àcids (Asp, Glu): Comencen en forma completament protonada amb càrrega +1. El grup carboxil de la cadena lateral ( ) es desprotona abans que l'amino terminal ( ).

El zwitterió es troba situat entre i : Com a resultat, el seu pI és netament àcid (per sota de 4). 1 pK R pK 2 pK 1 pK R π = 2 pK + pK 1 R Aminoàcids bàsics (Lys, Arg, His): El zwitterió amb càrrega zero es troba entre la dissociació de l'amino ( ) i la pèrdua de càrrega del grup bàsic de la cadena lateral ( ): Aquest fet desplaça el seu pI cap a valors clarament bàsics. 2 α pK 2 pK R π = 2 pK + pK 2 R α-carboxil α-amino OH H ΔG > 0 40% C -CO-NH-C α α C N Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 25 IDEES CLAU Els vint aminoàcids estàndard comparteixen un carboni α tetraèdric quiral en configuració L (sistema de Fischer), amb l'única excepció de la glicina que és aquiral.

Tots els L-aminoàcids canònics tenen configuració estereoquímica (S) segons el sistema Cahn- Ingold-Prelog, excepte la L-cisteïna, que és (R) a causa de la prioritat atòmica del sofre. Els aminoàcids aromàtics Trp i Tyr són els principals causants de l'absorbància característica de les proteïnes a 280 nm. La cisteïna pot formar enllaços disulfur per oxidació del seu tiol, unint-se en parelles per generar cistina. El punt isoelèctric (pI) és el pH en el qual l'aminoàcid es troba exclusivament en forma de zwitterió amb càrrega neta nul·la.

La unió peptídica per condensació està termodinàmicament desfavorida en aigua, però els pèptids són molt estables cinèticament per la gran barrera d'activació de la hidròlisi. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 36. Com s'obté matemàticament el punt isoelèctric d'un aminoàcid bàsic com la lisina o l'arginina? 37. Quina diferència fonamental hi ha entre l'estabilitat cinètica i la termodinàmica de l'enllaç peptídic en una solució aquosa? AMINOÀCIDS I PÈPTIDS 5 Seqüenciació, fragmentació i anàlisi de l'estructura primària EN ACABAR SABRÀS Distingir la direccionalitat i polaritat de l'estructura primària d'una cadena peptídica. Explicar l'estat d'ionització d'un pèptid en funció del pH del medi.

Calcular i deduir la seqüència polipeptídica mitjançant solapament de fragments de tall específic. Definir els conceptes d'apoenzim, holoenzim i cofactor en proteïnes conjugades. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 38 Per què no es pot seqüenciar directament d'una sola tirada una proteïna de centenars d'aminoàcids mitjançant la tècnica d'Edman? Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 26 Estructura primària i naturalesa del polipèptid La unió covalent d'aminoàcids mitjançant enllaços amida genera cadenes polipeptídiques. Aquesta reacció de condensació allibera una molècula d' entre el carboxil d'un residu i l'amino del següent.

Tot i que termodinàmicament la hidròlisi és espontània, la cinètica de degradació és extremadament lenta en condicions biològiques normals. L'enllaç peptídic presenta un caràcter parcial de doble enllaç rígid i pla. Aquest fet indueix configuracions geomètriques de tipus cis o trans, essent la conformació trans la predominant per minimitzar impediments estèrics entre cadenes laterals. Diagrama de configuracions isomèriques cis i trans en dobles enllaços. L'estructura primària és la seqüència lineal dels residus d'aminoàcids que integren la proteïna i defineix la seva futura conformació tridimensional.

Tota cadena té una polaritat clara: comença a l'extrem amino-terminal (N-terminal lliure, representat a l'esquerra) i finalitza a l'extrem carboxil-terminal (C- terminal lliure, a la dreta). Convencionalment, es parla de pèptid quan conté menys de 100 residus, i de proteïna a partir d'aquesta mida. A més dels vint aminoàcids estàndard, existeixen aminoàcids no estàndard formats per modificacions post-traduccionals (així com molècules relacionades com la histamina, la dopamina o la tiroxina que no formen proteïnes) i aminoàcids poc comuns com la selenocisteïna o la pirrolisina, incorporats directament durant la traducció en enzims concrets.

COMPROVA-HO 39 Per què les cadenes polipeptídiques s'escriuen començant sempre per l'extrem amino- terminal a l'esquerra? H O 2 Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 27 Ionització de pèptids segons el pH L'estat de càrrega elèctrica d'una cadena depèn dels grups ionitzables lliures: l'extrem N-terminal, l'extrem C-terminal i les cadenes laterals (grups R) ionitzables. En augmentar el pH del medi, es promou la desprotonació progressiva: A valors de pH molt àcid ( ), els grups carboxil es troben protonats (-COOH, neutres) i els amino protonats ( ), predominant les càrregues netes positives.

Al seu punt isoelèctric (pI; vegeu «Aminoàcids i pèptids — Propietats químiques, classificació i ionització»), la càrrega elèctrica neta global és exactament 0. A valors de pH bàsic ( ), els carboxils estan desprotonats ( ) i els grups amino perden el seu protó ( ), assolint una càrrega global negativa. Durant l'assemblatge de l'enllaç peptídic es neutralitzen el protó de l'amino i l'oxhidril del carboxil implicats, de manera que només els extrems lliures i els residus ionitzables interns intervenen en l'equilibri àcid-base. COMPROVA-HO 40 Quina càrrega neta tindrà el tetrapèptid Ala-Glu-Gly-Lys a un pH inferior a 2?

Proteïnes conjugades: holoenzims i cofactors Segons la seva composició, les macromolècules proteiques poden ser simples o proteïnes conjugades, les quals incorporen components químics no aminoacídics units fortament mitjançant enllaços específics. Aquests grups no proteics inclouen lípids (lipoproteïnes de transport de greixos), glúcids (glicoproteïnes en senyalització i resposta immune) o àcids nucleics (nucleoproteïnes com les histones en l'empaquetament de la cromatina). DEFINICIÓ Un apoenzim és la fracció proteica inactiva d'un enzim que requereix la unió d'una molècula o ió petit no proteic, anomenat cofactor, per esdevenir catalíticament actiu.

El conjunt complet funcional s'anomena holoenzim: COMPROVA-HO 41 Quina diferència funcional existeix entre un apoenzim i un holoenzim? Estratègia de fragmentació i seqüenciació La seqüenciació revela detalls clau de la localització cel·lular, funció biològica, estructura tridimensional i relacions evolutives. L'anàlisi de la composició d'aminoàcids comença sotmetent la mostra a una hidròlisi àcida completa per trencar tots els enllaços peptídics, seguida de derivatització i quantificació cromatogràfica. Aquest assaig indica quins residus hi són i en quina quantitat, però no revela el seu ordre exacte.

pH < 2 NH 3 + pH > 12 COO NH 2 Apoenzim + Cofactor Holoenzim Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 28 Per identificar específicament el residu de l'extrem N-terminal es pot emprar el mètode de Sanger, fent reaccionar el pèptid amb 1-fluoro-2,4-dinitrobenzè (FDNB), que marca covalentment el primer aminoàcid abans de la hidròlisi àcida. Per a la seqüenciació seqüencial residu a residu, s'utilitza la degradació d'Edman. Aquest procediment químic cíclic marca i allibera selectivament el residu N-terminal sense trencar la resta d'enllaços peptídics, deixant el següent aminoàcid com a nou extrem N-terminal per al cicle posterior.

ERROR FREQÜENT La degradació d'Edman té una limitació de fins a 50 cicles (residus). A causa de la pèrdua acumulativa de rendiment i l'acumulació de cadenes no desancorades, a partir d'aquesta longitud les barreges impedeixen identificar el senyal cromatogràfic majoritari. Per això és indispensable fragmentar prèviament les cadenes llargues amb proteases o agents químics. Abans de fragmentar, es redueixen els enllaços disulfur de les cadenes de cistina (vegeu «Aminoàcids i pèptids — Propietats químiques, classificació i ionització»).

Després, s'empren reactius específics: Agent fragmentador Lloc de tall específic Tripsina Costat carboxílic de Lys o Arg [C-terminal] Bromur de cianogen (CNBr) Costat carboxílic de Met [C-terminal] Submaxillarus proteasa Arg [C-terminal] Quimotripsina Phe, Trp, Tyr [C-terminal] Proteasa V8 de S. aureus Asp, Glu [C-terminal] Asp-N-proteasa Asp, Glu [N-terminal] Pepsina Leu, Phe, Trp, Tyr [N-terminal] Endoproteinasa Lys C Lys [C-terminal] Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 29 Taula d'especificitats de tall de proteases i reactius químics comuns. COMPROVA-HO 42 Quants fragments s'obtenen en tractar amb bromur de cianogen un polipèptid que conté dues metionines internes?

Resolució de la seqüència primària per solapament Per determinar l'estructura primària d'una proteïna llarga, es preparen alíquotes paral·leles que es digereixen de forma independent amb dos o més agents diferents (com la tripsina i el bromur de cianogen). Els fragments resultants es purifiquen, es seqüencien per degradació d'Edman i finalment es comparen per identificar regions solapants. Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 30 Esquema del procediment de seqüenciació i reconstrucció per solapament de fragments.

Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 31 EXEMPLE Considerem un polipèptid de 38 aminoàcids tractat en un procediment analític complet: La seqüència contínua reconstruïda de 38 residus és: EGAAYHDFEPIDPEGASMALIKYLIACGPMTKDCVHSD. L'anàlisi de composició d'aminoàcids revela la presència d'una Arg, dues Lys i dues Met. Per tant, la digestió amb tripsina alliberarà quatre fragments i el tall amb bromur de cianogen (CNBr) en generarà tres. 1 La reacció amb FDNB (mètode de Sanger) allibera 2,4-dinitrofenilglutamat, fet que demostra que el residu N-terminal és Glu (E).

2 Digestió amb tripsina i seqüenciació d'Edman dels 4 fragments: T-1: GASMALIK T-2: EGAAYHDFEPIDPE T-3: DCVHSD T-4: YLIACGPMTK Com que T-2 comença amb E, correspon a l'extrem N-terminal. El fragment T-3 no acaba ni en Lys (K) ni en Arg (R), per la qual cosa se situa necessàriament a l'extrem C-terminal. Els fragments interns T-1 i T-4 requereixen solapament addicional per ordenar-se. 3 Digestió independent amb CNBr i seqüenciació: C-1: EGAAYHDFEPIDPEGASM C-2: TKDCVHSD C-3: ALIKYLIACGPM El fragment C-3 conté la seqüència d'unió entre l'extrem final de T-1 (...ALIK) i l'inici de T-4 (YLIACGPM...), establint l'ordre precís: T-2 T-1 T-4 T-3.

4 Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 32 PROCÉS Flux analític per a la seqüenciació proteica IDEES CLAU L'enllaç peptídic presenta caràcter parcial de doble enllaç rígid i pla, predominant en configuració trans. La càrrega elèctrica global d'un pèptid depèn del pH del medi i dels grups ionitzables lliures als extrems i a les cadenes laterals. Un apoenzim necessita incorporar un cofactor no proteic per esdevenir un holoenzim catalíticament actiu. La degradació d'Edman permet seqüenciar residus N-terminals cíclicament, però la seva fiabilitat decau a partir de 50 aminoàcids. La determinació de proteïnes llargues requereix digestions creuades independents (p.

ex., tripsina i bromur de cianogen) i la reconstrucció per solapament de fragments. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 43. Quin paper compleix el reactiu bromur de cianogen en la determinació de l'estructura primària? 44. Com permet la degradació de Sanger identificar l'aminoàcid inicial d'un pèptid?

Hidròlisi i composició Quantificació dels aminoàcids totals presents 1 Identificació N-terminal Marcatge del primer residu amb FDNB (Sanger) 2 Digestió independent Talls paral·lels amb tripsina i CNBr 3 Degradació d'Edman Seqüenciació de cadascun dels pèptids curts 4 Alineament i solapament Reconstrucció de l'estructura primària sencera 5 Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 33 Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 45. Per quina raó la L-cisteïna posseeix una configuració (R) segons la regla de Cahn-Ingold- Prelog? 46. Quin residu aminoàcid actua com a amortidor fisiològic a pH neutre pel seu pKa pròxim a 6,0? 47.

Quin dels següents aminoàcids canònics és completament aquiral? 48. Què és la cistina? 49. Quin enllaç trenca específicament l'enzim tripsina en una cadena polipeptídica? 50. Per què cal fragmentar una proteïna de 200 residus abans d'aplicar Edman? 51. Com s'anomena la fracció exclusivament proteica i inactiva d'un enzim conjugat? 52. Si una digestió amb tripsina produeix un fragment sense Lys ni Arg terminals, on se situa?

Perquè és un enantiòmer de la sèrie D a) Pel pes atòmic superior del sofre en R b) Perquè el grup amino té prioritat 2 c) Perquè el grup carboxil té menor reactivitat d) Lisina a) Arginina b) Histidina c) Glutamat d) Serina a) Alanina b) Prolina c) Glicina d) La forma reduïda del tiol de la metionina a) El dímer resultant de l'oxidació de dues cisteïnes b) Un aminoàcid no estàndard ribosomal c) Un producte de desaminació de l'asparagina d) Carboxil de Phe i Trp a) Amino de Lys i Arg b) Carboxil de Metionina c) Carboxil de Lys i Arg d) Perquè Edman perd fiabilitat sobrepassats 50 cicles a) Té càrrega neta neutra b) Per evitar la desnaturalització irreversible c) Té enllaços peptídics cis d) Holoenzim a) Apoenzim b) Zwitterió c) Cofactor d) A l'extrem carboxil-terminal a) A la posició central b) A l'extrem amino-terminal c) Fora de la cadena d) Estructura i Funció de Biomolècules: Apunts 1r Parcial 34 6 Estructura secundària i mapa de Ramachandran EN ACABAR SABRÀS Deduir com el caràcter parcial de doble enllaç peptídic limita la rotació molecular a dos angles diedres (Phi i Psi).

Analitzar la distribució de conformacions permeses al mapa de Ramachandran per a diferents aminoàcids com Alanina, Glicina i Prolina. Comparar els paràmetres geomètrics i l'estabilitat relativa de l'hèlix alfa i de les làmines beta paral·leles i antiparal·leles. Explicar el paper estabilitzador i disruptor de la prolina i la glicina en estructures secundàries regulars i girs beta. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 53 Si una cadena polipeptídica té centenars d'enllaços covalents simples, per què no pot plegar- se en qualsevol forma imaginable a l'atzar? L'arquitectura tridimensional de les proteïnes s'organitza en una jerarquia de quatre nivells.

Mentre que l'estructura primària defineix la seqüència lineal d'aminoàcids mitjançant enllaços covalents (vegeu «Aminoàcids i pèptids — Seqüenciació, fragmentació i anàlisi de l'estructura primària»), l'estructura secundària correspon a l'ordenament espacial local, periòdic i repetitiu de residus consecutius al llarg de l'esquelet polipeptídic. Els nivells superiors, com l'estructura terciària i l'estructura quaternària, descriuen el plegament globular o fibrós complet i l'associació de múltiples cadenes (vegeu «Estructura de proteïnes — Estructura terciària, quaternària i proteïnes fibroses vs globulars»).

Estructura de proteïnes 6 Estructura secundària i mapa de Ramachandran 7 Estructura terciària, quaternària i proteïnes fibroses vs globulars 8…