Interacciones Macromoleculares y Bioenergética

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Conjunto de átomos y moléculas que forma una estructura material muy organizada y compleja. Establece con el medio ambiente procesos de intercambio de materia y energía de una forma ordenada. 3 funciones básicas: nutrición, relación y reproducción. La materia que los compone está formada en un 95% por 4 átomos: C, H, O y N, a partir de los cuales se forman las moléculas: Moléculas orgánicas o biomoléculas: ácidos nucleicos, proteínas, glúcidos y lípidos Moléculas inorgánicas: agua, sales minerales En todos los procesos intervienen macromoléculas (proteínas, ácidos nucleicos) y moléculas biológicas (carbohidratos, lípidos).

Tienen lugar eventos de formación y disociación de complejos macromoleculares transitorios. Muchas estructuras moleculares requieren el ensamblaje de varias macromoléculas de forma permanente o transitoria. El agua, iones y pequeñas moléculas forman el 77% de la composición de los seres vivos y el otro 23% son las macromoléculas. La energía es la capacidad para realizar trabajo útil.

En los seres vivos se producen flujos de energía y materia a través de: Catabolismo y anabolismo Transporte y mantenimiento de gradientes electroquímicos Señalización celular y sistemas de control Trabajo mecánico y movimiento Emisión de luz Los mecanismos fisiológicos y las rutas metabólicas implican multitud de procesos elementales, unos favorables y otros desfavorables energéticamente Estudia los procesos reversibles como aprox. a los procesos reales. Explica por qué algunos procesos son posibles y otros no. Surge en el siglo XIX como ciencia aplicada al desarrollo de máquinas y motores térmicos (Carnot).

Posteriormente, se establece una estructura axiomática con el objetivo de comprender la Naturaleza de un modo general, independiente de sistemas concretos. Principio 0: Existencia de temperatura termodinámica Principio 1: Balance energético Principio 2: Direccionalidad o viabilidad Principio 3: Escala de entropía Es el estudio de los mecanismos de captura y transformación (transducción) de energía en procesos relacionados con la vida.

Se relaciona con: Energía Anabolismo y catabolismo Organización molecular Mantenimiento de gradientes Movimiento y transporte Señalización celular Sistemas de control Medio externo o entorno Un sistema es una región delimitada en la que ocurren intercambios de materia y/o energía. La pared del sistema separa el sistema del entorno. La interacción entre el sistema y el entorno depende de la naturaleza de la pared. Tipo de Sistema Flujo de Materia Flujo de Energía Aislado NO NO Cerrado NO SÍ Abierto SÍ SÍ Sistema aislado: No intercambia ni materia ni energía con el entorno. Sistema cerrado: Solo intercambia energía con el entorno, pero no materia.

Sistema abierto: Intercambia tanto materia como energía con el entorno. Las paredes pueden tener diferentes propiedades que afectan la interacción del sistema con el entorno: SEGÚN SU MOVILIDAD Rígida: No permite cambios de volumen. Móvil: Puede cambiar su volumen. SEGÚN LA PERMEABILIDAD Permeable: Permite el paso de materia. Semipermeable: Permite el paso selectivo de algunas sustancias. Impermeable: No permite el paso de materia. SEGÚN LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICA Diatérmica: Permite el paso de calor. Adiabática: No permite el paso de calor. Los sistemas biológicos suelen ser abiertos, ya que intercambian constantemente materia y energía con el entorno.

(Ejemplo: Las células intercambian nutrientes y desechos con su entorno a través de membranas semipermeables) El sistema cambia desde un estado de equilibrio inicial a otro nuevo estado de equilibrio final a través de infinitos estados de equilibrio (duración infinita) El sistema, después de ser llevado de un estado inicial a uno final, puede recuperar sus propiedades originales Revirtiendo las condiciones externas, el sistema puede recuperar su estado original, sin variación neta del sistema ni del medio exterior. No hay fricción ni pérdidas de energía DEFINICIÓN: Energía transferida a través de una pared diatérmica, generalmente debido a una diferencia de temperatura.

CONVENCIONES DE SIGNO: Q > 0 Calor suministrado al sistema (el sistema gana energía térmica). Q < 0 Calor extraído del sistema (el sistema pierde energía térmica). DEFINICIÓN: Energía transferida a través de una pared móvil o permeable por una diferencia de presión, potencial electroquímico u otras. CONVENCIONES DE SIGNO: W > 0 Trabajo extraído del sistema (el sistema realiza trabajo sobre el entorno). W < 0 Trabajo suministrado al sistema (el entorno realiza trabajo sobre el sistema). 㕄 = 㕇 㕆 㕊 = 㕃 㕉 + 㕊 㕊 í = 㔇 㕁 ( 㔇 = 㕛 㕅 㕇 㕙 㕛 㔶) La variación de energía interna (ΔE) de un sistema está dada por: ΔE = Q – W (Q calor transferido y W trabajo realizado).

Para sistemas abiertos con flujo de masa: ΔH=Q W+PV. se aplica a cualquier tipo de sistema, sin restricciones. Explica la dirección natural de los procesos y la entropía (S). PARA SISTEMAS AISLADOS: ΔSTOTAL 0 Proceso reversible: ΔSTOTAL = 0 Proceso irreversible: ΔSTOTAL > 0 Proceso imposible: ΔSTOTAL < 0 PRINCIPIO DE MÁXIMA ENTROPÍA En un sistema aislado, la entropía solo puede aumentar o permanecer constante: ΔS 0 PRINCIPIO DE MÍNIMA ENERGÍA DE GIBBS Para un sistema no aislado a Tª y P constantes, la energía de Gibbs solo puede disminuir o permanecer constante: ΔG 0 Energía libre de Gibbs: ΔG = ΔH TΔS Si ΔG < 0 Proceso espontáneo (favorable). Si ΔG = 0 Sistema en equilibrio.

Si ΔG > 0 Proceso no espontáneo (no favorable). Es un proceso reversible y es igual a la disminución de energía de Gibbs: Wmax= ΔG·W. Para procesos irreversibles: La energía útil suministrada es menor que la máxima posible: W < Wmax = ΔG La energía requerida por un proceso no espontáneo es mayor que la mínima teórica: W > Wmin = ΔG ACOPLAMIENTO DE PROCESOS Un proceso no favorable (ΔG > 0) puede realizarse si se acopla con un proceso favorable (ΔG < 0) que suministre energía necesaria. En los seres vivos, continuamente se acoplan procesos para mantener el metabolismo y las funciones celulares.

Si en un sistema se observa un aumento de energía o una disminución de entropía, debe haber otro subsistema acoplado que compense el cambio, asegurando que el segundo principio de la termodinámica se cumpla a nivel global. Si en un sistema, estando en un estado de equilibrio A, se produce una perturbación (transferencia de calor o trabajo, transferencia de materia o cambio de concentraciones), el sistema evolucionará hacia un nuevo estado de equilibrio B de manera que se cancela o contrarresta (parcialmente) dicha perturbación. Muchas reacciones fisiológicas son energéticamente desfavorables (DG > 0) y no se producen espontáneamente.

Sin embargo, pueden llevarse a cabo tales reacciones mediante acoplamiento con otras reacciones favorables con un valor de DG negativo de mayor magnitud Acopladores: Enzimas y transportadores Intermediarios: Compuestos de alta energía Las proteínas interaccionan con otras moléculas (ligandos, otras proteínas, cofactores) para desempeñar sus funciones biológicas. Estas interacciones pueden o no inducir cambios conformacionales en la proteína. EJEMPLOS DE INTERACCIONES PROTEÍNA-LIGANDO Lisozima + ligando: En este caso, la lisozima se une a una molécula pequeña sin cambiar su conformación.

Tripsina/Inhibidor de tripsina: La inhibición de la tripsina es un ejemplo de interacción proteína-proteína sin un cambio conformacional significativo. Calmodulina + Ca² : La calmodulina sufre un cambio conformacional al unirse al calcio, pasando de una forma compacta (inactiva) a una extendida (activa). Debe estar bien plegada: Su estructura tridimensional es clave para su función. Debe interaccionar con algo: Las proteínas funcionan mediante interacciones específicas con otras moléculas. Las proteínas adoptan su estructura mediante una red de interacciones que pueden ser: Intramoleculares: Dentro de la misma proteína (determinantes del plegamiento).

Intermoleculares: Entre diferentes moléculas (ejemplo: interacciones proteína-proteína o proteína-ligando). Todas estas interacciones son de naturaleza electrostática y determinan la estabilidad y función de las proteínas: Enlaces de hidrógeno: Estabilizan la estructura proteica y las interacciones con ligandos. Interacciones de van der Waals: Afectan el ajuste de la proteína con otras moléculas. Interacciones electrostáticas: Atracción entre cargas opuestas en la proteína y sus ligandos. Interacciones hidrofóbicas: Agrupamiento de regiones no polares en el interior de la proteína o en interfaces de interacción.

EJEMPLO DE PROTEÍNA CON COFACTOR: FLAVODOXINA Flavodoxina participa en reacciones redox y utiliza el cofactor FMN (flavina mononucleótido) para llevar a cabo su función. Motivos estructurales: Sirven como puntos de anclaje o reconocimiento molecular. Ejemplos de dominios: - SH3: Interactúa con secuencias ricas en prolina. - PDZ: Interviene en interacciones proteína-proteína en señales intracelulares. Un dominio es una región de la proteína con plegamiento autónomo y función específica. La ribonucleasa, una enzima encargada de degradar el ARN, interactúa con otras proteínas en el proceso de degradación. TIPOS DE INTERACCIONES Constituyentes vs.

No Constituyentes: - Constituyentes: Son esenciales y permanentes en la estructura proteica. - No Constituyentes: Ocurren de manera transitoria para cumplir una función específica. Permanentes vs. Transitorias: - Permanentes: Forman complejos estables en el tiempo. - Transitorias: Se forman y disocian según la necesidad celular (ejemplo: interacciones en la señalización celular). MCP2 es una proteína que forma dímeros y se une al ADN. TIPOS DE UNIÓN Específica: La proteína reconoce secuencias específicas en el ADN/RNA (ejemplo: factores de transcripción con hélices alfa). Inespecífica: La proteína interacciona con el esqueleto fosfato-azúcar sin reconocer secuencias específicas.

Proteínas con hélices alfa o láminas beta pueden interactuar con lípidos, desempeñando funciones en la membrana (permitiendo transporte de solutos y procesos como fagocitosis, pinocitosis…) Lectinas, proteínas que reconocen y se unen a carbohidratos, importantes en procesos de señalización y adhesión celular. Estructural: Permiten a la proteína adoptar su conformación correcta (ejemplo: zinc en proteínas de dedo de zinc). Funcional: Participan en la actividad enzimática (ejemplo: hemoglobina con hierro para transportar oxígeno). Efecto hidrofóbico: Influye en la estabilidad de las interacciones.

Complementariedad de forma/carga: Ajuste entre moléculas basado en su geometría y cargas electrostáticas. Enlaces de hidrógeno: Aportan estabilidad y especificidad a la interacción. TIPOS DE INTERACCIONES SEGÚN SU FUERZA Muchas interacciones débiles o pocas interacciones fuertes (hot spots: regiones clave de interacción). Modulación por mutaciones o condiciones celulares: Cambios en secuencia o ambiente afectan las interacciones.

EJEMPLOS DE AFINIDAD EN INTERACCIONES Alta afinidad: - Enzima-inhibidor - Anticuerpo-antígeno Baja afinidad: - Mensajeros químicos - Sustratos enzimáticos TIPOS DE INTERACCIONES OLIGOMÉRICAS Constante de asociación (Ka): Indica la fuerza de la unión entre proteína y ligando. 㔾 㕎 = [ ] [ ] [ ] Constante de disociación (Kd): Representa la tendencia del complejo a disociarse. 㔾 㕑 = [ ] [ ] [ ] = Fracción de saturación (θ): Proporción de sitios de unión ocupados por el ligando.

㔃 = [ ] [ ] = [ ] [ ] [ ] = [ ] [ ] = [ ] [ ] La determinación experimental de la afinidad entre una macromolécula (M) y su ligando (L) es fundamental en bioquímica y biología estructural para entender procesos como la interacción proteína-ligando, enzima-sustrato o fármaco-receptor. La interacción se representa como: M + L M·L Kd cte. de disociación: indica la tendencia del complejo a separarse en sus componentes individuales Ka=1/Kd cte. de asociación: mide la tendencia del complejo a formarse θ (fracción de saturación): cuánta macromolécula está unida al ligando en función de la concentración de ligando libre [L].

La ecuación general para la fracción de saturación es: 㔃 = [ ] [ ] = [ ] [ ] Cuando [L]=Kd, la fracción de saturación es 0.5, lo que significa que el 50% de la macromolécula está unida al ligando.

La constante de disociación Kd proporciona información clave sobre la estabilidad del complejo proteína-ligando: Kd bajo (nanomolar o menor, <10 9M) Alta a nidad, interacción fuerte (Unión de un anticuerpo a un antígeno) Kd medio (micromolar, 10 6 - 10-9 M) A nidad moderada (Interacción de una enzima con su sustrato) Kd alto (milimolar, >10 3M) Baja a nidad, interacción débil (Unión de un mensajero a su receptor) Un Kd bajo implica que una pequeña cantidad de ligando es suficiente para saturar la proteína, mientras que un Kd alto indica que se necesita una mayor concentración de ligando para lograr la misma saturación.

TITULACIÓN Se añade progresivamente el ligando (L) a una solución con la macromolécula (M). Se mide la cantidad de complejo ML formado a distintas concentraciones de ligando. SEÑAL (S) COMO MEDIDA DE UNIÓN La formación del complejo ML genera una señal medible (S): 㔃 = á MÉTODOS DE MEDICIÓN Espectroscopía UV-Vis / Fluorescencia: Cambio en absorbancia o emisión. Calorimetría (ITC): Mide calor liberado o absorbido. RMN / SPR: Mide interacciones en tiempo real. Estado T (Tenso): Baja afinidad por O , estabilizado por interacciones fuertes entre subunidades. Estado R (Relajado): Alta afinidad por O , más flexible y favorece la unión de más oxígeno.

Transición T R: La unión de O facilita la captación de más oxígeno (cooperatividad positiva). La hemoglobina sigue una curva sigmoide de disociación de O . Mioglobina (no cooperativa) tiene una curva hiperbólica y actúa como almacén de O . Disminuyen la afinidad por O (Favorecen la liberación en tejidos, estado T): - pH bajo (Efecto Bohr): Mayor H+H^+ estabiliza el estado T. - CO alto: Forma carbaminohemoglobina, reduciendo afinidad por O . - 2,3-BPG: Se une a la hemoglobina desoxigenada, promoviendo la liberación de O . Aumentan la afinidad por O (Favorecen la captación en pulmones, estado R): - pH alto: Menos H+H^+, favorece el estado R. - Bajo CO : Menos estabilización del estado T.

- Menos 2,3-BPG: Aumenta la afinidad por O . Permite captar O eficientemente en los pulmones y liberarlo en los tejidos. Comparación con mioglobina: hemoglobina transporta, mioglobina almacena. Este mecanismo optimiza el transporte de oxígeno y la adaptación a diferentes necesidades metabólicas. - Θ: Fracción de saturación. - ΔS: Cambio en la señal experimental. - ΔS máx.: Cambio máximo en la señal.