Biologia molecular

Aminoácidos
Las proteínas son polímeros de aminoácidos, en los que cada residuo
aminoácido esta unido al siguiente a través de un tipo de enlace
covalente.
Las proteínas se pueden degradar hasta sus aminoácidos
constituyentes mediante diversos métodos y los estudios iniciales
sobre las proteínas se centraron naturalmente, en los aminoácidos
libres procedentes de las mismas.

Aminoácidos
Los 20 aminoácidos estándar encontrados
en las proteínas son L-alfa-aminoácidos.

Aminoácidos
Clasificación de los aminoácidos según su tipo R.
pKa es la fuerza que tienen las moléculas
de disociarse

Aminoácidos
Clasificación de los aminoácidos según su tipo R.

Péptidos y Proteínas
Los péptidos que se encuentran en la naturaleza varían en tamaño desde
pequeñas moléculas que contienen dos o tres aminoácidos hasta moléculas
muy grandes que contienen miles do ellos. Aquí nos centraremos en las
propiedades químicas fundamentales de estos polímeros.

Existen peptídicos y polipeptídicos biológicamente activos de una gran variedad
de tamaños
Algo mayores son los polipeptidos pequeños y oligopeptidos tales como la hormona
pancreática insulina, que contiene dos cadenas polipeptídicas, una de ellas con 30
residuos aminoacidos y la otra con 21. El glucagon, otra hormona pancreática que se
opone a la acción de la insulina, tiene 29 residuos. La corticotropina es una hormona
de 39 residuos de la hipofisis anterior y estimula la corteza adrenal.

EXISTEN VARIOS NIVELES DE ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS
Para macromoléculas grandes tales como las proteinas, la tarea de describir y
comprender la estructura se aborda a varios niveles de complejidad, ordenados
en una especie de jerarquía conceptual.
La estructura primaria es una descripción de todos los enlaces covalentes
(principal-mente enlaces peptidicos y puentes disulfuro) que unen los residuos
aminoácidos de una cadena polipeptidica. El elemento mas importante de la
estructura primaria es la secuencia de los residuos aminoácidos.
La estructura secundaria se refiere a disposiciones particularmente
estables de los aminoácidos que dan lugar a patrones estructurales repetitivos.
La estructura terciaria describe todos los aspectos del plegamiento
tridimensional de un polipéptido. Cuando una proteina posee dos o mas
subunidades polipeptídicas, su disposición en el espacio se denomina
estructura cuaternaria.

Resumen de Péptidos y Proteínas
• Los aminoácidos pueden unirse covalentemente mediante enlaces
peptídicos para forma péptidos y proteínas. Las células contienen
generalmente miles de proteínas diferentes, cada una de ellas con
una actividad biológica distinta.
• Las proteínas pueden ser cadenas polipeptiídicas muy largas de
100 a varios miles de residuos aminoácidos. Sin embargo, algunos
péptidos naturales tienen solo unos pocos aminoácidos. Algunas
proteínas están compuestas por varias cadenas polipeptidicas
asociadas de forma no covalente que reciben el nombre de
subunidades. Las proteínas simples generan tan solo aminoácidos
después de la hidrolisis; las proteínas conjugadas contienen algún
otro componente adicional, como por ejemplo un grupo metálico u
orgánico.
• La secuencia de aminoácidos de una proteína es una característica
propia de esa proteína que se denomina estructura promana. Este
es uno de los cuatro niveles con que generalmente se describe la
estructura de las proteínas.

Carbohidratos
Los carbohidratos son los compuestos más abundantes en la corteza terrestre. Por
fotosíntesis el anhídrido carbónico y agua son convertidos en celulosa y otros
productos vegetales. La oxidación de los carbohidratos (azúcar y almidón) es la fuente
principal de energía en las células no fotosintéticas. Forman parte de la pared celular
de bacterias, plantas y tejido conectivo de animales. Otros participan en adhesión y
reconocimiento celular, como glucoconjugados a lípidos y proteínas intervienen en
localización intracelular o destino metabólico.

Configuración universal de las
moléculas
Hay tres clases principales de
carbohidratos, los monosacáridos o
azúcares simples consisten de una
simple unidad; oligosacáridos,
polímeros cortos de estas subunidades
(los más comunes son los disacáridos,
por ej. la sacarosa dos unidades de
seis C : glucosa y fructosa, los de más
de tres no se encuentran libres en la
naturaleza sino formando
glicoconjugados) y los polisacáridos
que son polímeros lineales o
ramificados de más de 20 unidades
alcanzando cientos o miles de unidades
polimerizadas, ejemplos de ellos
incluyen glucógeno, celulosa.

Carbohidratos
Los monosacáridos como
todos los carbohidratos tienen
formula global (CH2O)n. Son
aldehidos (aldosas) o
cetonas (cetosas) con dos o
más grupo hidroxilos y
muchos centros quirales.
Son sólidos cristalinos
solubles en agua e insolubles
en solventes no polares.
Se nombran en función de su
largo y el grupo funcional.

Carbohidratos
Los monosacáridos se pueden dividir en dos grupos en función de la quiralidad del C
más alejado del grupo funcional carbonilo y se nombran como en el gliceraldehido

Carbohidratos DISACÁRIDOS
son polimerizaciones de dos monosacáridos por un
enlace O-glicosídico por reacción de un hidroxilo con el
C anomérico de otro. Esta reacción consiste en la
formación de un acetal y se llama glucósido.

Carbohidratos
La mayor parte de los
carbohidratos se encuentran
como polisacáridos, también
llamados glicanos que difieren
en la identidad de sus unidades,
del tipo de enlaces y del grado
de ramificación. Los
homopolisacaridos sirven como
almacenamiento de energía
almidón y glucógeno otros sirven
como elementos estructurales
celulosa y quitina

Lípidos
Los lípidos son un grupo diverso de compuestos que se agrupan por su
capacidad de ser insolubles en agua. Su funcionalidad es tan diversa como la
química.
Las grasas y los aceites son una forma universal de almacenamiento de energía
y son derivados de los ácidos grasos, que son cadenas de hicrocarburos (de 4 a
36 con o sin dobles enlaces), que por oxidación dan anhídrido carbónico y agua
en procesos altamente exergónicos, y
contienen un grupo carboxílico.

Lípidos
La región hidrocarburo da la
insolubilidad en agua que es mayor
cuanto más larga sea la cadena. A
temperatura ambiente los ácidos
grasos saturados de 12 a 24 tienen
consistencia cerosa, mientras que los
que contiene dobles enlaces son
aceites ya que no se pueden
empaquetar tan compactamente.
Los dobles enlaces se oxidan y
producen aldehídos y ácidos mas
cortos que dan gusto rancio, la
hidrogenación de los dobles enlaces
para dar simples previene ese efecto;
sin embargo produce cambios
estereoquímicos llevando los dobles
enlaces cis a trans que afectan el
equilibrio interno de lípidos (aumentan
el LDL y bajan el HDL).

Lípidos
Los triacilgliceroles son los lípidos más
sencillos que forman los ácidos grasos y
tienen el rol de almacenamiento
energético. En algunos animales los
triacilgliceroles acumulados debajo de la
piel sirven también como aislantes
térmicos (pinguinos).

Lípidos (bases químicas)
Otro grupo de lipidos estructurales son los
esteroles. Núcleo esteroideo de cuatro
anillos fusionados, plano y rígido.
El colesterol es el más conocido tiene un rol
estructural pero también de precursor de una
variedad de moléculas con múltiples
funciones como vitaminas, hormonas y
ácidos biliares, señales biológicas y
transportadores o pigmentos.
Las bacterias no pueden sintetizar colesterol.

Membrana Biológicas
Las proporciones relativas de los diferentes lípidos en las membranas biológicas
varía. Su composición está claramente regulada, no siempre se sabe cual es el
significado biológico de la composición. Por ej. Colesterol cardiolipina en membrana
plasmática y membrana mitocondrial.
Los lípidos menores, que
incluyen fosfatidilserina,
fosfatidilinositol y
fosfatidilglicerol, están
involucrados en
transducción de señales
y su contenido en las
diferentes membranas es
relativamente constante.

Nucleótidos y Ácidos Nucleicos

Los nucleótidos tiene una variedad de roles en el
metabolismo celular. Son moneda energética (ATP),
mensajeros secundarios a señales hormonales y otros
estímulos extracelulares, componentes estructurales de
cofactores en el metabolismo y constituyentes de las
macromóleculas de la información genética. La estructura
de cada proteína y en forma subsiguiente de todo
componente celular viene definida por la información
contenida en el ADN y su expresión. La habilidad para
mantener y reproducir esa información de generación en
generación es una condición fundamental de los organismos
vivos.

• Organización molecular de la
célula

La secuencia aminoacídica de las proteínas y la secuencia de
nucleótidos de cada ARN está especificada en el ADN de la
célula.
¿Qué es un gen?
El segmento de ADN que tiene la
información necesaria para la
síntesis de un producto biológico
(proteína o ARN). Veremos más
adelante limitaciones y alcances
de esta definición.

ADN almacenamiento y transmisión de
la información génica.
1940- O. Avery, C. MacLeod, M.
McCarty
DNA es la molécula responsable de
transmitir la capacidad de virulencia en
Streptococcus pneumoniae.
1952- A. Hershey , M. Chase
DNA es la molécula responsable de
transmitir información en virus de
bacterias.

El ARN tiene funciones más
amplias y se puede clasificar en
clases: ARNr, ARNm, ARNt.
Además de estos tres grupos
clásicos, se han caracterizado
una amplia variedad de otros
ARN con funciones específicas
mayoritariamente regulatorios.

Los nucleótidos tienen tres componentes
característicos.
La molécula sin el fosfato se llama
nucleósido.

Las bases, purinas y pirimidinas, son heterociclos con
dobles enlaces conjugados, aromáticas,
Los electrones se encuentran deslocalizados
generando un carácter de doble enlace en todos los
carbonos. Las pirimidinas son planares y las purinas
casi planares. Las pirimidinas y purinas libres son
bases débiles. Esencialmente hidrofóbicas, insolubles
en agua a pH neutro.
Los grupos funcionales: carbonilo, amino y nitrógeno
cíclico.
A, C, G y T en el ADN y A, C, G y U en el ARN.

La base está unida covalentemente al
azucar por el N 1 de las pirimidinas y el
9 de las purinas mediante un enlace
beta glucosídico al C1 de la ribosa.
monomeros

Las uniones para formar ácidos nucleicos
son covalentes, por enlaces fosfodiester
entre 5´y 3´, y constituyen el esqueleto
macromolecular que es de carácter
hidrofílico, grupos hidroxilo de los azúcares
y grupos fosfato. En pH 7 los fosfatos
están completamente ionizados.
Dirección 5´ fosfato a 3´OH.
Oligonucleótidos polímeros de menos de
50 nucleótidos, sino polinucleótidos.
Estructura primaria: secuencia de
nucleótidos unidos por enlaces covalentes.
Estructura secundaria: estructura estable
tomada por una región de nucleótidos
polimerizados
Estructura terciaria: plegamiento de
estructuras secundarias

Antecedentes Estructura del ADN
1940- E. Chargaff et al.
•La composición de bases varía de una especie a
otra.
• El ADN aislado de diferentes tejidos de la misma
especie tiene la misma composición.
•La composición de bases no cambia con la edad, el
estado nutricional o el ambiente.
•Independientemente de la especie el contenido de
bases cumple A=T y G=C y por lo tanto A+G=C+T

Antecedentes Estructura del ADN
1950- R. Franklin, M Wilkins
Perfil de difracción de rayos X del fibras de ADN permite deducir una
estructura helicoidal

En 1953 Watson y Crick propusieron la
estructura secundaria del ADN como una hélice
derecha formada por dos hebras.
¿Qué se entiende por hélice derecha?
Con el esqueleto fosfo hidrocarbonado hacia el
exterior y las bases hacia el interior.
En el ADN la furanosa se encuentra como
2´endo
Se caracteriza por la presencia de dos
surco diferentes uno mayor y otro menor.
En las condiciones que se analizaron,
cristales, el paso de rosca es de 10 bases,
mientras que posteriormente se determinó
que en solución es 10.4

La doble hebra del ADN es antiparalela y está estabilizada por interacciones interhebra de tipo
hidrofóbicos entre las bases y puentes de hidrógeno involucrando los grupos funcionales:
carbonilo, amino y nitrógeno cíclico.
El ARN es una simple hebra, sin embargo, este tipo de interacciones también están presentes
pero en este caso dentro de la misma hebra: intrahebra.
Noten que se forman dos puentes de
hidrógeno entre las bases A y T y tres
entre G y C. Esta diferencia resulta
importante en la caracterización de
propiedades físicas.
Noten que las hebras no son iguales
sino complementarias cumpliendo las
reglas de Chargaff. La
complementariedad es atribuida a las
interacciones por puentes de
hidrógeno. Las interacciones
hidrofobicas que no son especificas
con respecto a la naturaleza de las
bases es la contribución mas
importante para la estabilidad del ADN.

Variantes estructurales bien
caracterizadas. A en condiciones de
deshidratación, más compacto más bases
por vuelta de hélice. La forma Z es un
cambio más impresionante, es una hélice
izquierda que alcanzan algunas regiones
en el ADN de composición particular CG.
Es considerada una forma no usual.

Otra forma no usual son los
palíndromes, compuestos por
repetidos inversos. Al ser
complementarias pueden formar
hélices intrahebra formando
estructuras cruciformes,
horquillas (hairpins)

El ADN también forma codos debido a la
naturaleza intrínseca de la secuencia o por
interacciones con otros factores
Secuencia particulares de base, pueden
cambiar los angulos de asociados a los
pasos de rosca, en la estructura de
watsson y crick un paso de rosca esta
formado por 10, 4 pares de bases que
formar todo una vuelta de rosca.

Inclinación
con respecto al
esqueleto azucar-
fosfato
Inclinación
con respecto al
eje de la hélice
Rotación
en el ángulo entre
pares de bases
apiladas
La naturaleza de las bases define
parámetros estructurales específicos.
La forma B es un promedio de las
contribuciones al azar, sin embargo
tramos continuos de una base pueden
agudizar deformaciones particulares.

Codos formados por la naturaleza
intrínseca de la secuencia o por
interacciones con otros factores

Región ricas en purinas y otra rica en
piramidinas. Una hebra invade una cadena de
doble hebra y otra hebra disociada.
Las interacciones de Hoogsteen son
responsables de la formación de triples hélices.
Esta estructura es más estable a bajos pH
porque requiere de la protonación de la Citosina.
Las triples hélices se forman espontáneamente
en secuencias polipu.polypi.

También existe la posibilidad de formación de
estructuras de cuatro hélices en tramos de poli
G, las hebras de las que proviene estas bases
pueden ordenarse diferentes direcciones.

Si el ADN plasmídico conforma la
estructura B con 10.4 pb por vuelta de
hélice, se encuentra relajado.
El ADN purificado está superenrollado, y
cada tipo celular tiene un grado de
superenrollamiento característico. En
general se encuentra superenrollado
negativamente.
Cada célula modifica activamente el
estado de superenrollamiento del ADN con
la ayuda de enzimas como forma de hacer
posible procesos metabolicos que implican
separación de hebras.
El estado de superenrollamiento puede ser
mantenido solo si se trata de una molécula
circular o cerrada topológicamente. Un
corte en una hebra permitiría la libre
rotación y por lo tanto desenrollaría las
supervueltas levando al estado relajado.

El linking number es una propiedad topológica que mide el número de veces que
una hebra cruza a la otra, es siempre un numero entero. Si los cruces dan lugar a
una hélice derecha son positivos y si es izquierda son negativos. El cambio en el
numero de linking puede ser modificado por enzimas que cortan los enlaces
fosfodiester rotan la molécula y vuelven a cerrar (topoisomerasas) y las
moléculas de la misma composición que varían sólo en el número de linking se
conocen como topoisómeros.

¿Qué pasa a nivel estructural con el ARN?
El ARN como candidato lógico para la función de intermediario de la información
genética surge en 1950 al haberse determinado su presencia tanto en el núcleo
como en el citoplasma y la proporcionalidad de contenido de ARNm y proteína.
En 1961 Jacob y Monod propusieron el nombre de mensajero para el ARN que
tiene la información del ADN y provee el molde para que se produzcan las
proteínas.

Los ARNm tienen tamaños definidos, el mínimo es lo necesario
para servir de molde para la producción del polipéptido que
codifican pero en general son más largos e incluyen regiones
que intervienen en la regulación. En bacterias pueden ser
mono o policistrónico (cistrón refiere a gen), en eucariotas
suelen ser monocistrónicos.

Los ARN de transferencia : son
adaptadores en la síntesis proteica, tienen
covalentemente unido un aminoácido en
uno de los extremos y se posicionan frente
al mensajero de tal forma que permiten la
polimerización de los aminoácidos cargados
por dos ARNt vecinos. El posicinamiento
viene regulado por reconocimiento
específico entre las bases por puentes de
hidrógeno y siguiendo esencialmente las
reglas de complementariedad
antemencionadas.
Los ribosomas son un complejo
supramolecular que hace posible las
interacciones que permiten la rotura y
formación de enlaces en un proceso
preciso. Los ribosomas están formados por
ARN ribosomal (Figura ARN ribosomal 16
S de E. coli)y proteínas.

Hay muchas otras funciones para las
moleculas del ARN, entre ellas la de
ribozimas (Figura b), o sea catalizadores
de reacciones biológicas, así como otras
funciones regulatorias.
La síntesis de ARN a partir de ADN recibe
el nombre de transcripción. El producto
de la transcripción es siempre simple
hebra

La síntesis de ARN a partir de ADN recibe el
nombre de transcripción. El producto de la
transcripción es siempre simple hebra que tiende
a formar una hélice derecha. Cualquier región de
ARN que resulte complementaria puede formar
doble hélices. En este caso tendremos la
formación de puentes de hidrógeno con U y no
con T.
Además otras interacciones por puentes de
hidrogeno diferentes a los de Watson y Crick
también son posibles en el ARN.

Las reglas que definen la
estructura secundaria son
termodinámicas y permiten
predecir la estabilidad de
diferentes estructuras.

Si bien es posible predecir la
estructura secundaria, esta debe ser
tomada sólo como una indicación in
silico.
La presencia de otros componentes
a nivel celular puede influir
significativamente modificando los
resultados in vivo.
El estudio de la estructura del ARN y
las relaciones entre estructura y
función es un campo de desarrollo
reciente y la importancia creciente
debido al amplio numero de
funciones que estas moléculas
cumplen

BIBLIOGRAFIA
• Lehninger Principles of Biochemistry
Nelson & Cox, 5ed, 2007
• Molecular Biology of the Cell
Alberts et al., 5 ed, 2007
• http://www.news-medical.net/health/Gene-History-(Spanish).aspx
• BIOLOGIA MOLECULAR
http://www.authorstream.com/Presentation/jrcedenom-218485-Unidad-
14-Biolog-a-Molecular-Contenido-Program-tico-Parte-1-Generalidades-
biolo-Education-ppt-powerpoint/
• BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR: Lodis, Berk, Matsudaira, Kaiser,
Krieger, Scott, Zipursky y Darnell
• Maestria en Bioquimica y Biologia Molecular
<http://www.pedeciba.edu.uy/bioinformatica/bybm/>

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