Estructura i Funció de Biomolècules: apunts 1r parcial UAB

Tema 1: Aigua i equilibri àcid-base — Fonaments moleculars i estereoquímica

La bioquímica descriu la lògica molecular de la matèria viva a partir de principis químics i físics universals. Tot i que els éssers vius presenten atributs funcionals extraordinaris —com la capacitat d'extreure i transformar energia del medi, autoreplicar-se amb fidelitat i respondre a estímuls ambientals—, no violen cap llei natural; es fonamenten en estructures moleculars definides que s'organitzen jeràrquicament des dels àtoms fins a la cèl·lula integrada.

1. Composició elemental i selecció dels bioelements

De la totalitat dels elements de la taula periòdica, només una trentena formen part dels organismes vius. Si s'analitza la distribució dels elements en el cos humà en contrast amb la seva abundància a l'escorça terrestre o a l'Univers, es constata de seguida que la vida no ha incorporat els elements simplement per disponibilitat geològica, sinó per criteris d'idoneïtat química i estabilitat d'enllaç.

Els éssers vius seleccionen preferentment àtoms de baix nombre atòmic que formen enllaços covalents forts i estables mitjançant la compartició de parells d'electrons. Aquests elements es classifiquen segons la seva proporció ponderal:

• Bioelements primaris (predominants): Carboni (C), hidrogen (H), oxigen (O) i nitrogen (N). Representen aproximadament el 99 % de la massa viva.
• Bioelements secundaris essencials: Fòsfor (P), sofre (S), sodi ($\text{Na}^+$), potassi ($\text{K}^+$), magnesi ($\text{Mg}^{2+}$), calci ($\text{Ca}^{2+}$) i clor ($\text{Cl}^-$). Constitueixen prop del 0,9 % restant i actuen en funcions estructurals, osmòtiques i electrofisiològiques clau.
• Oligoelements: Elements presents en quantitats vestigials ($< 0{,}1\text{ \%}$), com el ferro (Fe), zinc (Zn), coure (Cu), manganès (Mn) o seleni (Se), indispensables com a cofactors catalítics d'enzims.

Pel que fa al contingut global d'una cèl·lula típica (com ara un bacteri), l'aigua representa al voltant del 70 % del pes fresc cel·lular. El 30 % restant correspon a biomolècules seques, entre les quals dominen les macromolècules (24 % global: proteïnes 15 %, RNA 6 %, polisacàrids 2 % i DNA 1 %) al costat d'ions inorgànics (1 %), lípids i metabòlits de petita massa molecular (5 %).

2. La versatilitat tetraèdrica del carboni i els grups funcionals

El carboni és l'element vertebrador de la bioquímica. Posseeix quatre electrons a la seva capa de valència ($2s^2 2p^2$). Quan estableix quatre enllaços simples, adopta una hibridació orbital sp^3, dirigida cap als vèrtexs d'un tetraedre regular amb angles d'enllaç d'aproximadament $109{,}5^\circ$. Aquesta disposició tridimensional permet crear esquelets carbonats lineals, ramificats i cíclics de gran estabilitat.

La química de les biomolècules depèn directament de la presència de grups funcionals ancorats a aquests esquelets. La majoria de metabòlits són polifuncionals (com el coenzim A, que reuneix grups fosfoanhídrid, amida, hidroxil, tiol i anell imidazòlic en una mateixa molècula):

Per descriure la disposició tridimensional d'aquestes molècules s'utilitzen habitualment tres sistemes de representació: les fórmules en perspectiva (on els triangles massissos projecten enllaços cap endavant del pla del paper i els discontinus cap endarrere), els models de boles i varetes (que ressalten les longituds i angles d'enllaç) i els models d'ompliment espacial (on cada àtom es mostra amb el volum definit pel seu radi de Van der Waals).

3. Configuració enfront de conformació

Una distinció essencial en bioquímica estructural és la diferència entre configuració i conformació:

• Configuració: És la disposició espacial fixa dels àtoms d'una molècula que només es pot modificar mitjançant el trencament i formació de nous enllaços covalents. La interconversió entre dos isòmers de configuració requereix una reacció química i una aportació energètica molt superior a l'energia cinètica tèrmica a temperatura fisiològica. La configuració prové de la presència de dobles enllaços (sense rotació lliure) o de centres quirals.
• Conformació: És la disposició espacial que adopten els àtoms d'una mateixa molècula gràcies a la lliure rotació al voltant d'enllaços covalents simples, sense trencar cap enllaç covalent. Els diferents conformers coexisteixen en equilibri dinàmic a temperatura ambient segons les barreres energètiques de rotació.

4. Isomeria geomètrica cis-trans

L'enllaç doble C=C consta d'un enllaç sigma ($\boldsymbol{\text{σ}}$) i d'un enllaç pi ($\boldsymbol{\text{π}}$) originat pel solapament lateral d'orbitals $2p$ no hibridats. Aquesta geometria impedeix la lliure rotació dels carbonis units sense destruir l'enllaç $\boldsymbol{\text{π}}$.

Quan cadascun dels carbonis del doble enllaç està unit a dos substituents diferents, sorgeixen els isòmers geomètrics cis-trans:

• Isòmer cis: Els substituents d'interès o de major prioritat es troben situats al mateix costat del pla de referència definit pel doble enllaç.
• Isòmer trans: Els substituents es troben en costats oposats del pla del doble enllaç.

Un cas paradigmàtic el constitueixen l'àcid maleic (isòmer cis de l'àcid butendioic) i l'àcid fumàric (isòmer trans). Tot i compartir idèntica fórmula molecular ($\text{C}_4\text{H}_4\text{O}_4$), presenten propietats químiques i físiques completament dispars (solubilitat, punt de fusió, $\text{p}K_a$). Biològicament, l'enzim fumarasa del cicle de Krebs reconeix i hidrata exclusivament el fumarat (trans); no presenta cap afinitat catalítica pel maleat (cis).

Un altre exemple fonamental en fisiologia és el retinal: en els fotorreceptors de la retina, la rodopsina conté l'isòmer 11-cis-retinal. La incidència d'un fotó indueix una fotoisomerització ultraràpida a tot-trans-retinal, provocant un canvi conformacional a l'opsina que desencadena la transmissió de l'impuls nerviós visual.

5. Quiralitat, enantiòmers i diastereoisòmers

Un àtom de carboni amb hibridació $sp^3$ que es troba enllaçat a quatre substituents químicament diferents rep el nom de centre quiral o carboni asimètric. Aquesta asimetria genera dues configuracions espacials que no es poden superposar l'una sobre l'altra.

Segons la relació de simetria entre estereoisòmers, es distingeixen:

• Enantiòmers: Parella d'estereoisòmers que són imatges especulars no superposables entre ells (anàlogament a la mà dreta i l'esquerra). Els enantiòmers purs tenen propietats físiques i químiques idèntiques en un entorn aquós aquiral (mateix punt de fusió, solubilitat, densitat i reactivitat davant reactius ordinaris), però difereixen en dues característiques primordials: la interacció amb altres molècules quirals i la rotació òptica del pla de la llum polaritzada (un és dextrogir i l'altre levogir en igual magnitud). Una mescla equimolar de tots dos s'anomena mescla racèmica i no té activitat òptica observable.
• Diastereoisòmers: Estereoisòmers que no són imatges especulars l'un de l'altre. Apareixen típicament en molècules que contenen dos o més centres quirals. A diferència dels enantiòmers, els diastereoisòmers tenen propietats físiques i químiques completament diferents (punts de fusió, reactivitat, solubilitat). Per a una molècula amb $n$ centres quirals independents, el nombre teòric màxim d'estereoisòmers és $2^n$.

6. Nomenclatura estereoquímica: regles R/S de Cahn-Ingold-Prelog

Per definir de manera unívoca la configuració absoluta d'un centre quiral sense dependre de la rotació òptica empírica s'empra el sistema de regles de prioritat de Cahn, Ingold i Prelog (CIP):

1. Assignació de prioritats segons nombre atòmic: S'examinen els quatre àtoms units directament al carboni quiral. Com més gran sigui el nombre atòmic ($Z$), major és la prioritat ($1 > 2 > 3 > 4$). Per exemple: $\text{—OH (O, } Z=8\text{)} > \text{—NH}_2\text{ (N, } Z=7\text{)} > \text{—COOH (C, } Z=6\text{)} > \text{—H (H, } Z=1\text{)}$.
2. Desempat en cadenes: Si dos àtoms són idèntics (per exemple, dos carbonis), es comparen els àtoms units a ells successivament en sentit radial fins a trobar el primer punt de diferència. Els enllaços múltiples es tracten com si l'àtom estigués unit a aquell mateix àtom dues o tres vegades (un grup carbonil —CH=O equival a un carboni unit a dos oxígens).
3. Orientació en l'espai: S'orienta la molècula de manera que el substituent de menor prioritat (prioritat 4) quedi dirigit cap a la part posterior del pla de visió (allunyat de l'observador).
4. Determinació del sentit: Es traça la trajectòria circular que va del grup 1 cap al 2 i d'aquest cap al 3:
   • Si el sentit de gir és en sentit horari, el centre és $\boldsymbol{R}$ (del llatí rectus, dreta).
   • Si el sentit de gir és en sentit antihorari, el centre és $\boldsymbol{S}$ (del llatí sinister, esquerra).

7. Estereoespecificitat en els sistemes biològics

Com que els llocs d'unió de proteïnes, enzims i receptors cel·lulars són cavitats tridimensionals asimètriques formades per cadenes polipeptídiques quirals, distingeixen amb extrema precisió entre estereoisòmers.

Un exemple clàssic d'estereoselectivitat sensorial és la carvona:

• La (R)-carvona interactua amb receptors olfactius específics de l'epiteli nasal produint la sensació d'olor i sabor a menta verda.
• La (S)-carvona s'acobla a un conjunt diferent de receptors, originant l'olor característica de la llavor de comí i anís.

La selecció natural ha fixat de forma gairebé unívoca determinades configuracions per a les macromolècules de la biosfera: les proteïnes cel·lulars s'elaboren exclusivament a partir de L-alfa-aminoàcids (vegeu «Tema 3: Proteïnes — Estructura i comportament àcid-base dels aminoàcids»), mentre que els polisacàrids estructurals i de reserva s'edifiquen mitjançant D-glúcids. La incorporació de l'enantiòmer oposat impediria l'establiment dels patrons d'interacció tridimensional ordinaris.

Idees clau

• Els bioelements primaris (C, H, O, N) sumen el 99 % de la massa viva perquè formen enllaços covalents petits, resistents i altament estables.
• El carboni sp³ adopta una geometria tetraèdrica (109,5º) que permet generar cadenes i anells estructurals amb gran diversitat espacial.
• La configuració molecular només es pot modificar trencant i regenerant enllaços covalents (isomeria geomètrica cis-trans i centres quirals).
• La conformació correspon a disposicions espacials interconvertibles per lliure rotació al voltant d'enllaços simples sense reacció química.
• Els enantiòmers tenen reactivitat física i química equivalent en medis aquirals, però difereixen en el sentit de la rotació òptica i en el seu reconeixement per receptors biològics quirals.
• El sistema R/S de Cahn-Ingold-Prelog fixa la configuració absoluta avaluant el nombre atòmic Z dels quatre substituents d'un carboni asimètric.

Posa a prova el que has après

1. Quin conjunt de bioelements constitueix aproximadament el 99 % de la massa viva? — C, H, O, N
2. Quina característica geomètrica defineix un carboni amb hibridació orbital sp³ en biomolècules? — Disposició tetraèdrica amb angles d'uns 109,5º
3. Com s'anomena la parella d'estereoisòmers que són imatges especulars no superposables entre si? — Enantiòmers
4. Per què els enzims cel·lulars poden distingir selectivament entre els enantiòmers (R) i (S) d'un substrat? — Perquè tenen llocs d'unió formats per cadenes quirals

Tema 1: Aigua i equilibri àcid-base — Estructura de l'aigua i interaccions febles

L'aigua és la matriu fonamental de la vida i representa com a mínim el 70 % de la massa de la immensa majoria d'organismes vius. La història evolutiva s'ha desenvolupat íntimament lligada a les propietats físico-químiques particulars del medi aquós. Més enllà d'actuar com a simple solvent passiu, l'aigua intervé activament com a reactiu en el metabolisme cel·lular, confereix protecció enfront de la radiació ultraviolada i condiciona directament el plegament, la dinàmica i l'estabilitat funcional de totes les macromolècules biològiques.

Secció completa amb Premium

Idees clau

• na aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiu
• s nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore mag
• s nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua u
• quat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo co
• ctetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo co

Tema 1: Aigua i equilibri àcid-base — Sistemes amortidors i càlculs de pH

El manteniment rigorós de l'equilibri àcid-base és un requisit indispensable per a la vida cel·lular. Pràcticament tots els processos biològics depenen del grau d'ionització de les biomolècules: l'activitat catalítica dels enzims, l'estabilitat conformacional de les proteïnes i l'estructura de les membranes cel·lulars es veuen alterades davant de fluctuacions mínimes en la concentració de protons. Per aquest motiu, els organismes han desenvolupat mescles reguladores conegudes com a sistemes amortidors o tampons fisiològics.

Secció completa amb Premium

Idees clau

• na aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor s
• s nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adip
• s nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labor
• quat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et do
• ctetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip