Conceptos básicos de biología molecular, I - Cinvestav

Conceptos básicos de biología molecular, I
Dr. Eduardo A. R ODRÍGUEZ T ELLO
C INVESTAV-Tamaulipas
21 de mayo del 2013
Dr. Eduardo R ODRÍGUEZ T. (C INVESTAV)
Conceptos básicos de biología molecular
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Introducción
Proteínas
Tarea
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Introducción
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Proteínas
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Introducción
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En la naturaleza encontramos dos tipos de materia, la viviente y la
no viviente
Ambos tipos de materia están formados por átomos y obedecen
las mismas leyes físicas y químicas
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Introducción
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La materia viviente:
Puede moverse, reproducirse, crecer, comer, etc.
Interactúa activamente con su ambiente
Los seres vivos actúan de esta forma debido a un complejo
conjunto de reacciones químicas que ocurren en su interior
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Introducción
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Estas reacciones nunca se detienen
En muchas ocasiones los productos de una reacción son
constantemente consumidos por otra reacción, manteniendo el
sistema en funcionamiento
• Imagen tomada de Wikipedia
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Introducción
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Los organismos vivos están también constantemente
intercambiando materia y energía con su ambiente
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Introducción
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En contraste cualquier cosa que esté en equilibrio con su
ambiente puede generalmente ser considerada como muerta
Aunque hay algunas excepciones notables en formas vegetales
como semillas y los virus, los cuales pueden estar inactivos por
largos períodos de tiempo y no están muertos
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Introducción
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La ciencia moderna ha logrado establecer que la vida en la tierra
comenzó hace aproximadamente 3500 millones de años, poco
después de que ésta se formó
Las primeras formas de vida fueron muy básicas
Millones de años de evolución y diversificación han permitido que
hoy en día existan organismos simples y otros extremadamente
complejos
Ambos tienen una química molecular, o bioquímica, muy similar
Los principales actores de la química de la vida son las moléculas
conocidas como proteínas y ácidos nucleicos
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Introducción
Introducción
Hablando en términos simples, las proteínas son responsables de
lo que es un ser vivo y lo que puede hacer en un sentido físico
Un científico renombrado llamado Russell F. Doolittle alguna vez
dijo “Nosotros somos nuestras proteínas”
Por otra parte, los ácidos nucleicos codifican la información
necesaria para producir proteínas y son responsables de
transmitir esta “receta” a generaciones subsecuentes
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Introducción
Introducción
La biología molecular básicamente está dedicada a entender la
estructura y función de las proteínas y los ácidos nucleicos
Estas moléculas son por lo tanto esenciales en el estudio de la
Bioinformática
A continuación daremos una breve descripción de cada una de
ellas
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Proteínas
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Proteínas
Proteínas
La mayoría de las substancias en nuestros cuerpos son
proteínas, de las cuales hay diferentes tipos
Las proteínas estructurales actúan como bloques de construcción
de tejidos (colágeno y queratina)
Las proteínas enzimáticas actúan como catalizadoras de
reacciones químicas
Un catalizador es una substancia que acelera una reacción
química
Sin las proteínas enzimáticas muchas reacciones bioquímicas no
se llevarían a cabo o tardarían mucho en completarse por lo que
no serían útiles para la vida
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Proteínas
Proteínas
Una enzima es capaz de acelerar estos procesos hasta millones
de veces haciendo posible la vida
Las enzimas son muy específicas, usualmente una enzima sólo
puede acelerar un tipo especial de reacción bioquímica
Considerando el gran número de reacciones que deben ocurrir
para sostener la vida, podemos ver que se requieren muchas
enzimas
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Proteínas
Proteínas
Otros ejemplos de tipos de proteínas son:
Reguladoras (insulina, hormona del crecimiento)
Transportadoras (hemoglobina)
Defensivas (anticuerpos)
Pero qué son exactamente las proteínas, cómo están formadas y
cómo desarrollan sus funciones
Responderemos estas preguntas a continuación
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Proteínas
Proteínas
Una proteína es una cadena de moléculas más simples llamadas
aminoácidos
La siguiente figura presenta la estructura básica de un
aminoácido
Un Carbono alfa (Cα ) unido a un grupo carboxilo (−COOH), a un
grupo amino (−NH2 ), a un hidrógeno y a una cadena lateral
(usualmente denominada R)
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Proteínas
Proteínas
La cadena R es de estructura variable, y determina la identidad y
las propiedades de los diferentes aminoácidos
La cadena R puede ser tan simple como un átomo de Hidrógeno
(Glicina) o tan complicado como dos anillos de Carbono
(Triptófano)
Existen cientos de cadenas R por lo que se conocen cientos de
aminoácidos diferentes, pero sólo 20 de entre ellos forman parte
de las proteínas
A continuación se presenta una tabla con sus nombres y códigos
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Proteínas
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No.
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4
5
6
7
8
9
10
Aminoácido
Alanina
Arginina
Asparagina
Ácido aspártico
Cisteína
Glutamina
Ácido glutámico
Glicina
Histidina
Isoleucina
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Códigos
Ala A
Arg R
Asn N
Asp D
Cys C
Gln Q
Glu E
Gly G
His H
Ile
I
No.
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Aminoácido
Leucina
Lisina
Metionina
Fenilalanina
Prolina
Serina
Treonina
Triptófano
Tirosina
Valina
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Códigos
Leu L
Lys K
Met M
Phe F
Pro P
Ser S
Thr T
Trp W
Tyr
Y
Val
V
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Proteínas
Proteínas
En una proteína los aminoácidos están unidos por enlaces
peptídicos
Por esta razón las proteínas son cadenas polipeptídicas
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Proteínas
Proteínas
En un enlace peptídico, el átomo de Carbono que pertenece al
grupo carboxilo (−COOH) del aminoácido (1) se enlaza al átomo
de Nitrógeno del grupo amino (−NH2 ) del aminoácido (2),
desprendiendo una molécula de agua (H2 O)
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Proteínas
Proteínas
Observemos que lo que encontramos realmente dentro de una
cadena polipeptídica es residuos de los aminoácidos originales
Por lo tanto, generalmente se habla de proteínas que tienen 100
residuos, en vez de 100 aminoácidos
Las proteínas contienen en promedio 300 residuos, pero las hay
con entre 100 y 5000 residuos
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Proteínas
Proteínas
Los enlaces peptídicos hacen que cada proteína tenga un
esqueleto formado por repeticiones del bloque básico
−N − Cα − (CO)−
A cada Cα corresponde una cadena lateral
Debido a que hay un grupo amino en un extremo del esqueleto y
un grupo carboxilo en el otro, entonces es posible distinguir
ambos extremos de una cadena polipeptídica
Y por lo tanto también darle una dirección
Por convención, para nombrar el péptido se empieza por el amino
terminal
Si el primer aminoácido de nuestro péptido fuera Alanina y el
segundo Serina tendríamos el péptido Alanil-Serina
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Proteínas
Proteínas
Las proteínas no son sólo una secuencia lineal de residuos
Esta secuencia es conocida como su estructura primaria
Las proteínas realmente se pliegan en tres dimensiones,
presentando estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias
La estructura secundaria de una proteína está formada sólo por
las interacciones entre los átomos del esqueleto y resulta en
estructuras “locales” en forma de hélices
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Proteínas
Tránsito de la estructura primaria a la estructura secundaria de
una proteína, i.e. plegamiento de proteínas (protein folding)
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Las estructuras terciarias son el resultado de empacar estructuras
secundarias en un nivel más global
Las estructuras cuaternarias son un grupo de diferentes proteínas
empacadas juntas
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Proteínas
Proteínas
¿Cómo se obtienen las proteínas?
Estas se producen en una estructura de la célula llamada
Ribosoma
En un ribosoma los aminoácidos componentes de una proteína
son ensamblados uno a uno gracias a la información contenida en
una molécula importante llamada ácido ribonucleico mensajero
(ARNm)
Para explicar cómo sucede esto es necesario primero explicar
qué son los ácidos nucleicos
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Tarea
Tarea 1:
Leer el siguiente artículo, elegir dos temas de los abordados e
investigar un artículo relacionado con cada tema para preparar
una síntesis (en Latex).
Jacques Cohen, Bioinformatics: An introduction for computer
scientists. ACM Computing Surveys, Volume 36, Issue 2, pages
122-158 (June 2004).
Fecha de entrega: 28 de mayo antes de las 12h00
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