Biofísica

Física. Matemáticas. Química. Sistema biológico. Enzimas. Moléculas. Macromoléculas. Simetría. ADN (Ácido Desoxirribonucleico). ARN (Ácido ribonucleico). Interacciones

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BIOFISICA

TEMA 1

Biofísica:

Rama legítima de la física (Volkenstein, 85).

Compendio de diferentes materias como la Física, Matemáticas y Química.

  • Intento de racionalizar las leyes de la física a los sistemas biológicos

  • Explicación de un sistema biológico con las leyes de Física que conocemos.(donde y cómo se pueden aplicar)

Dificultades:

Se pueden dar dos puntos de vista diferentes:

a)Reducionista: donde las leyes que gobierna la vida son las mismas que explican la física modelo simplista no habría nada que investigar.

Las leyes de mov. En biología serían las mismas de la física. Reducción a la Física

¿Qué camino habrá que seguir?

Sistema biológico interacciones, movimiento, etc.

Termodinámica mecánica estadística.

Química mecánica cuántica.

b)Holista: “Todo es algo más que la suma de las partes”. En el todo emergen propiedades que antes no existían antes de unir esas partes por separado.

Suma de varias partes => Todo => Emergen nuevas propiedades

EJEMPLOS:

a)Enzimas Rutas metabólicas descritas por ecuaciones metabólicas velocidad con lo que se realiza una función.

El conjunto de todas las rutas metabólicas constituyen el funcionamiento del ser, que tenga vida, mientras que haciéndolas funcionar por separado no funcionarían porque sería una descripción fría de la ecuación metabólica.

b)Macromoléculas interacciones moleculares y átomos (mecánica cuántica) aunque no pueda explicar la función de ella en el organismo. Cuando los átomos se estructuran de una determinada forma propiedad emergente => desarrollo de una función.

Desde un punto de vista holista , la física no explica las funciones en el organismo.

PRIMAS (79) opta por un Principio de Complementariedad entre los dos puntos de vista. De este modo analizamos:

Realidad

(Actividad Cerebral)

Memoria

Conocimiento de la realidad

No se excluyen los puntos de vista sino que se complementan

De una manera más pragmática se puede concebir la biofísica de la siguiente forma:

-Los constituyentes del sistema biológico obedecen a las leyes físicas y las condiciones de contorno se definen por el diseño del sistema.

La Biofísica trata de interrelacionar las leyes de la Física que gobiernan los sistemas biológicos con el diseño del sistema.

Actividad biológica No actividad biológica

La biofísica tiene dos propiedades fundamentales:

-Interdisciplinaria, ya que agrupa una serie de conocimientos de física, matemáticas y química.

-Integradora, ya que no basta con yuxtaponer , sino que hay que relacionarlas para que surjan las propiedades emergentes.

Al estudiar nuevos sistemas biológicos surgen nuevos campos de investigación de la Física:

Problema biológico

Campo de la Física

Moléculas (macromoléculas)

-Estudio de las interacciones débiles.

-Complejo de transferencia de carga.

-Interacciones hidrofóbicas.

Bioenergía

-Termodinámica de procesos irreversibles lineales.

-Transmisión de radiación por excitones.

Autoorganización

(problemas filosóficos)

-Termodinámica de procesos irreversibles lineales.

-Comportamientos caóticos.

-Teoría de catástrofes.

El ser vivo está altamente organizado, lo que entra en contradicción con la ley del desorden (S<0)

REDINGUER (austríaco)

“La vida es un cristal aperiódico que se alimenta de entropía negativa”

Habla de “cristal” refiriéndose a que es muy ordenado pero de diferentes moléculas y con “entropía negativa” a que se ordena cada vez más implicando un mayor desorden del medio.

Las interacciones débiles, la termo de procesos irreversibles y la teoría de fluctuaciones, posibilitan el estudio del sistema biológico.

Mediante diferentes ópticas estableceremos tres jerarquías (concepciones del sistema biológico):

1ª Jerarquía: Considerando que el s.b. está formado por un tipo de moléculas muy especiales (polímeros) almacenamiento y transmisión de la información. (actividad metabólica ó catalítica).

Dependerá de su estructura. La función encomendada a cada una de estas moléculas estará relacionada con su estructura (fuerzas que la estabilizan y como interaccionan con otras moléculas).

La llamaremos Biofísica molecular óptica parcial,( sólo estudiaremos las macromoléculas del s.b.)

2ª Jerarquía: Donde hay transformaciones de energía intercambio con el exterior (mediante combustión, etc.) La denominaremos Bioenergética ó Bioenergía.

Nos ceñiremos a las transformaciones energéticas dentro del s.b.

3ª Jerarquía: Considerando el s.b. con un alto grado de orden dinámico. Para estudiar este orden se utiliza una teoría que permite conocer como se ordena el sistema desordenando el exterior estudio de las relaciones no lineales Procesos de autoorganización

Tema 2

MACROMOLECULAS DE INTERES BIOFISICO

Interacciones que estabilizan las estructuras (débiles) desarrollo de estas en Física.

Desde el punto de vista estructural:

Son polímeros ("macromoléculas)

Las macromoléculas son parte del polímero

Un polímero se obtiene por varios monómeros:

CH2=CH2 (MONÓMEROS)

----- CH2-CH2-CH2------- (POLIMERO no tiene porqué ser lineal)

BIOPOLIMERO con cierta actividad en el s.b.

Clasificación de los polímeros por su masa molecular.

*Proteínas: polímero de aminoácidos (a.a.)

a.a. pueden ser iguales o diferentes (sólo hay 20)

proteína ----- ‚-‚-‚-‚----- estructura PRIMARIA de la proteína

COOH

-a.a. ==> H2N - C - H

R

300 KJ/mol Enlace fuerte (covalente)

Si en una estructura un carbono está unido a otros grupos carbono asimétrico (unido a cuatro grupos diferentes) posibilidad de que existan dos isómeros, distinguibles por su disposición en el espacio.

En las proteínas sólo se encuentran a.a.L (izquierdas).

Unión de a.a. enlace peptídico se forma por lo siguiente:

H H

H2N - C - COOH H2N - C - COOH

R R'

H H

H2N - C - CO - HN - C - COOH Estructura primaria de la proteína

N-terminal R E.peptídico R' C-terminal

En este tipo de enlace se produce una molécula de agua.

Los a.a. podían tener dos estructuras simétricas respecto a un espejo caracterizadas por dos posiciones: L, D.

Las enzimas encargadas de unir los a.a. dirigen la formación de la proteína con a.a de forma L.(ó de izquierdas)

Habrá un balance de carga neto en la proteína. Como las proteínas se encuentran normalmente en medios acuosos (por tanto con carga) los residuos pueden neutralizarse con diferentes cargas.

Estructuras Funcionamiento biofísico Simulación

SIMETRIA ESPECULAR:

Tomando la mano como motivo de interpretación:

Se puede definir el operador especular u operador de simetría como:

'Biofísica'
(x,y,z)= (x',y',z')=(x,-y,z)

Se puede representar por las ecuaciones:

a1x+b1y+c1z=x'

a2x+b2y+c2z=y'

a3x+b3y+c3z=z'

Matricialmente:

'Biofísica'
*'Biofísica'
='Biofísica'

Por lo que el operador especular será:

'Biofísica'
= 'Biofísica'

El cuerpo humano aunque en principio pareciera ser simétrico, no lo es, es pseudosimétrico.

Características del enlace peptídico: normalmente de estructuras de resonancia

-Planar, polar y estabilizado por resonancia.

híbrido de resonancia es el más estable cuando esto es posible.

no puede girar por ser planar.

Posición “trans” más estable que “cis” (donde podemos encontrarnos con repulsiones electrostáticas)

SIMETRIA ROTACIONAL:

Por un giro alrededor de un eje o un punto de un determinado motivo.

(-x,-y,z) (x,y,z) con giro de 180°

Del mismo modo que antes deducimos otro operador operador rotacional:

'Biofísica'
='Biofísica'
observando que : 'Biofísica'
('Biofísica'
(x,y,z)) = 'Biofísica'
(-x,-y,z) = (x,y,z)

El operador crea por rotación dos pliegues donde el eje z, ha sido en este caso el creador de los dos pliegues (two fold simetry).

Los pliegues pueden ser a diferentes grados.

Por otro lado, la matriz para una rotación cualquiera sería la siguiente:

'Biofísica'
que será cn-pliegues.

SIMETRIA DE TORNILLO

Después de un giro de 360° no se vuelve al mismo punto . Necesitamos introducir otro movimiento (rotación alrededor del eje de simetría más una traslación ó avance en una dirección determinada).

Combinación de las dos:

(x, y, z) + T = (x+Tx, y+Ty, z+Tz)

giros a izquierdas ó a derechas dos tipos de simetrías (ver trans. Left-Right Handed)

El operador será: 'Biofísica'
(x, y, z) + T = (x', y', z')

SIMETRIA HELICOIDAL

Desde un punto de vista topológico, una hélice aplicada a macromoléculas, es una estructura donde los residuos suben longitudinalmente. (ver trans. Escalera).

Cada peldaño de la escalera sup. Residuo de la cadena de a.a.

Parámetros característicos:

-Avance de la hélice longitudinal por residuo h

-Avance por vuelta si es suficientemente larga, se repetirán las posiciones a partir de algún punto p (paso de la hélice).

-Nº de avances por lo que vale cada avance c

-Giro de la hélice (positivo ó negativo) 

Las hélices son estructuras moleculares donde los residuos R' se disponen como en una escalera con unos parámetros característicos.

Se adoptan estas posiciones por los enlaces de hidrógeno entre los oxígenos de COO y el grupo amino (interacción de los grupos) la estructura primaria se gira formando la hélice.

De esta forma si tenemos:

(x, y, z) las coordenadas del siguiente escalón se obtendrán del siguiente modo:

'Biofísica'

El ángulo  se puede escribir también en función de estos parámetros característicos.

=2/c

La hélice puede ser de dos tipos : dextrógira o levógira (ver trans.)

>0 dextro

<0 levog

Nos podemos encontrar con dos tipos de hélices: 310 y 

-En la 310 se observan tres residuos por vuelta mientras que para las hélices , tenemos un número no entero de residuos por vuelta (3,6 Res/vuelta)  = 100°/residuo ; h= 0,15 nm dando un paso de 0,54.

Ver transparencias.

Nos quedaría entonces:

'Biofísica'

Otras configuraciones estructuras secundarias Láminas plegadas 

Interacción potencial láminas paralela ó antiparalela

Ramachandran: (estudio del enlace peptídico)

Entre dos planos de enlaces peptídicos (ver trans.) unidos por un carbono que hace de pivote. Puede girar de diferentes formas  y  donde no todas las parejas de ángulos son permitidas por impedimentos estéricos repulsiones.

Ramachandran hizo un estudio de las parejas de ángulos permitidos a partir de una cadena lateral (ver trans.)

Estructuras supersecundarias unión de varias estructuras secundarias (, , etc)

(ver transp.)

El siguiente nivel de organización es la estructura terciaria diferentes residuos interaccionarán entre sí produciendo plegamientos. Esta estructura tiene actividad biológica.

Podemos entenderla recordando el modelo de cuerda enrollada:

La estructura cuaternaria hace referencia a uniones entre dominios (por ejemplo una suma de estructuras terciarias) (ver trans.)

ACIDOS NUCLEICOS

Un organismo vivo tiene capacidad para replicarse debe tener un conjunto de instrucciones para permitir esta replicación deben estar inmersos en la célula.

Este conjunto de instrucciones se encuentran en una macromolécula ADN ó DNA

Debe existir un mecanismo por el cual se puedan expresar estas órdenes Transcripción dando lugar otra macromolécula ARN ó RNA sintetización de las moléculas dando lugar a las proteínas.

Transcripción traducción

ADN y ARN tienen cierta similitud con las proteínas pero con otro tipo de enlace.

La unidad repetitiva de ADN y ARN se denomina nucleótido.(Tiamina, guanina, etc) (ver transparencias).

El enlace es fosfodiester en lugar de peptídico.

El ADN es una doble hélice (dos hélices acopladas entre sí ver transp.). Puede existir en diferentes conformaciones A, B, Z donde la más característica es la B (A-ADN, B-ADN, Z-ADN) (ver transp.)

¿Qué fuerzas estabilizan la doble hélice? Además de los enlaces de hidrógeno también están los efectos hidrófobos ó interacción hidrófoba disposición de rechazo al medio acuoso.

-También existen fuerzas de Van der Waals bases apiladas unas con otras son fuerzas débiles que ayudan a la estabilidad.

La doble hélice tiene capacidad para desenrollarse, proceso que recibe el nombre de desnaturalización del ADN (transición hélice-cadena).

Se puede seguir este proceso por absorción de luz (260 nm) gráficamente:

Absorción cte

A 260 nm

*Curva típica en procesos de desnaturalización

T

Estas curvas de “fusión” permiten definir una temperatura característica del ADN

Tm ADN A esta temperatura el ADN se encuentra semidesnaturalizado (absorbió la mitad de la radiación).

Indican procesos cooperativos (muy frecuentes) El inicio del proceso implica que tiende a seguirse produciendo.

La desnaturalización ! separación de las hélices en dos cadenas.

Cuando cesa el agente que ha provocado este proceso, se produce el fenómeno contrario. Se puede decir que son “procesos reversibles” (ver transp.).

El otro ácido nucleico es el RNA. Tiene cadenas monocatéricas (en general) aunque puede presentar estructuras de tipo helicoidal dando lugar a formas de horquilla (ver transp).

Existen tres tipos: mensajero, ribosómico y de transferencia.

-Mensajero transporta la información genética del ADN a los ribosomas.

-Ribosómico 75% del RNA total.

-De transferencia transporte de residuos de a.a. que son acondicionados a las cadenas polipeptídicas crecientes.

INTERACCIONES

1) Electrostática: dentro de la macromolécula

Potencial electrostático:

'Biofísica'

donde Zi son las cargas y D la constante dieléctrica que hay que determinar.

La proteína hace como medio de interacción.

Estrategias para la determinación de D:

Distinguir el interior y el exterior de la macromolécula

D=78,5 K0 ; Fuera es similar a la del agua

En el interior supondremos que D tomará valores entre 1 y 20 K0 donde una buena aproximación será 3,5 K0.

Considerar que D es la función de la distancia D=rK0. Cuando r0 el medio no influirá en Ve.

Dar una función lineal de la densidad de la proteína [ D=(1-)Dw+Dp ] donde Dw agua y Dp proteína.

  • Dipolo-dipolo:

  • Los grupos atómicos que aparecen en las proteínas podemos asimilarlas con centros de cargas que están separados una cierta distancia.

    + r -

    Se representa por 'Biofísica'
    ( Momento dipolar)

    Cuando los dipolos interaccionan entre sí, surgen potenciales repulsivos o atractivos. De esta forma podemos estudiar los siguientes:

    'Biofísica'
    1 r 'Biofísica'
    2 'Biofísica'

    'Biofísica'

    'Biofísica'

    'Biofísica'

    Y la expresión general sería:

    'Biofísica'

    Estrategias alternativas:

    Considerar cada átomo como un monopolo con carga asociada y luego estudiar las interacciones electrostáticas (Ve).

    Tratamiento mixto, donde se estudian ambas, es decir interacción carga -dipolo (Ve).

    Dipolos reales no inducidos.

  • Interacción de Van der Waals: (Vvdw)

  • Pueden presentarse asimetrías de cargas en el átomo, pudiéndose formar un dipolo temporal o instantáneo, que a su vez puede inducir en átomos o estructuras vecinas un desplazamiento de la carga creando en el 2º átomo un dipolo, produciendo de esta forma una interacción entre dipolo inducido- dipolo inducido. En Física se conoce como fuerza de dispersión de London (consecuencia de la mecánica cuántica).

    El potencial de London (VL) es de tipo atractivo.

    'Biofísica'

    donde I es potencial de ionización relacionado con la E necesaria para ionizar un átomo (arrancar un electrón) y i son las polarizabilidades de cada átomo.

    VL es un potencial de muy corto alcance si vemos el factor r-6.

    Se puede aplicar en todos los átomos en mayor o menor medida.

    Cuando r0 debería existir mayor estabilidad, pero esto no es así porque actúan fuerzas de repulsión (núcleos y nubes electrónicas que se repelen) debe existir una distancia de equilibrio entre VL y los potenciales repulsivos.

    Para cuantificar esta repulsión 'Biofísica'
    , donde m puede tomar valores entre 5 y 12 dependiendo de la esfera más o menos dura del átomo.

    Combinación de VL y VR potencial de equilibrio" Vvdw

    'Biofísica'
    (ver transp)

    Uno de los potenciales más conocidos es el 6-12 de Lennard-Jones.

  • Interacción de enlace de hidrógeno. VEH

  • Es cuando existe un átomo dador y uno receptor. Un H (protón) que se une por medio de una zona de alta densidad de carga negativa.

    H enlace de puente de H

    Primariamente se puede tratar como un enlace dipolo-dipolo pero con un valor menor

    (4-8kJ/mol).

    También existe una distancia de equilibrio como en Van der Waals:

    'Biofísica'

    constantes características para cada pareja dador -receptor

    Estudio a nivel molecular de cada una de las neuronas.

    (diferencias de potencial -> propagación de ondas electromagnéticas).

    Estudio de propiedades emergentes.

    Redes neuronales.

    (relacionándose unas con otras traen la información).

    Reducionista

    Holismo

    a.a

    Operador de n-pliegues

    Escalón i

    Avance por residuo

    Siguiente escalón

    Estructuras secundarias ! hélices  (normalmente)

    ADN

    ARN

    PROTEINA

    ADN totalmente desnaturalizado

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