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Interacciones moleculares en
sistemas biológicos
¿Qué es una molécula?
Compuesto con estequeometría y estructura bien definida y no fácilmente
disociable
¿Qué es una macromolécula biológica?
Molécula grande y biológica con función biológica
Energía interna de las biomoléculas
Energía = V + K
V total 
N
 (V bonding
i 1
 V non  bonding )i
V bonding : implica todas las interacciones que
definen la estructura covalente de una molécula
V non-bonding: implica todas las interacciones entre átomos
no covalentemente unidos. Abarca tanto a interacciones
Intramoleculares
Intermoleculares
Vbonding (o energía potencial enlazante)
• Incluyen a todas las interacciones entre átomos covalentemente unidos
• Por los valores de energía que tienen los enlaces, son los términos que
dominan la energía total de una molécula
• La energía de enlace se define como la cantidad de energía que debo
entregar a mi sistema para romper ese enlace
Energía necesaria para romper un enlace → Entalpías
Interacciones no-enlazantes
Interacciones INTRAmoleculares e INTERmoleculares
Ambos tipos comprenden interacciones carga-carga, dipolodipolo, van der Waals, puentes de hidrógeno
V Non-bonding (o energía potencial no-enlazante)
Interacciones débiles
•
En conjunto hacen un aporte mínimo a la
energía total de la molécula
•
Tienen fundamental importancia en los procesos
biológicos ya que median la interacción entre
moléculas
Dependen de la
polarizabilidad del medio
radio de van der Waals
Interacciones no-enlazantes
Interacciones electrostáticas
q1q 2e2
Ve 
Dr n
• Incluyen a las carga-carga (n=1) y carga-dipolo (n=2)
• Son no-direccionales
• Son interacciones de largo alcance
• En general son interacciones de “superficies” ( puentes salinos)
• Si se las encuentran en ambientes no-polares generalmente
están asociadas a una función biológica
• Dan “rigidez” a la estructura molecular
Interacciones dipolo-dipolo
V dd
1  2

Dr 3
Momento dipolar ,, vector con módulo igual al producto de
la carga q por la distancia que las separa d, cuya dirección
va de la carga negativa a la positiva
= q d
• Se generan por una asimetría permanente en
la distribución de cargas de una molécula.
• La carga puede ser parcial o neta.
• Son interacciones de corto alcance
• Son vectoriales (= r ) por lo tanto altamente
direccionales
Interacciones de van der Waals
•
Incluyen interacciones que
implican dipolos inducidos
•
Son interacciones de corto
alcance
•
Atractivas: Fuerzas de
dispersión de London
Puentes de Hidrógeno
Es altamente direccional
4-48 kJ/mol, menor a una interacción
covalente y cercana a una interacción
dipolo-dipolo
D-H A
Distancia optima 0.26-0.30 nm (cercana
a una interacción covalente)
  rvdw
Los potenciales enlazantes (bonding potentials)
corresponden a valores altos de energía, pero no conducen
al plegamiento de las macromoléculas porque tienen
aproximadamente el mismo valor en todas las
conformaciones.
La estabilidad relativa de las distintas conformaciones queda
definida por las interacciones débiles entre átomos no-unidos
(nonbonding potentials)
Las interacciones débiles definen la estabilidad relativa de
las distintas estructuras posibles de una biomolécula
kT a temperatura ambiente ≈ 2.5 kJ/mol
Ruptura y formación constante
Las biomoléculas poseen diferentes rangos
de flexibilidad
Multiplicidad conformacional
¿Qué significan los términos configuración y conformación?
Configuración: Define la posición de grupos alrededor de uno o mas
enlaces no giratorios o alrededor de un centro quiral.
¿Qué significan los términos configuración y conformación?
Conformación: Describe el arreglo espacial de grupos entorno a uno o mas
enlaces libres de rotación.
Predicción de la espontaneidad de
procesos en moléculas biológicas
G = H - T S
G = cambio en la energía libre de Gibbs de la biomolécula
(generalmente P y T ctes)
H = cambio en la entalpía en el proceso
(interacciones enlazantes y no enlazantes, vibraciones y rotaciones)
T = temperatura (300K)
S = cambio en la entropía del sistema
(aumento del número de conformaciones posibles, tendencia a la
distribución más probable)
Sistema = biomolécula + H2O
Clartratos de agua en el
complejo (nC4H9)3S+F-.23
H2O
Disminución de la
entropía rotacional
del H2O
Superficie
apolar
Efecto Hidrofóbico
• Es el único en donde no existe una interacción atractiva mutua entre
las partículas
• Está dominado por el aumento en el desorden de las moléculas de
solvente
• Es proporcional al área hidrofóbica de la molécula expuesta al
solvente
Los puentes de Hidrógeno contribuyen a estabilizar una macromolécula en
solución?
Por cada pte de H NMA-NMA se
pierde un pte de H NMA- H2O
→∆H0=0 kJ/mol
Favorable en CCl4 y
desfavorable en H2O
La contribución a la estabilidad depende del solvente
Interacciones cation- y -
• -  Implica la interacción de orbitales  entre anillos aromáticos
(de origen electrostático y de Van der Waals)
• Catión- Implica la interacción entre orbitales  y un catión
(netamente electrostática)
Multiplicidad conformacional
Cambios conformacionales asociados a la función biológica
Rol del ATP en los procesos biológicos
Reacciones acopladas
Consideremos los siguientes equilibrio químicos
A
B
K1
ΔG01
B
C
K2
ΔG02
A
C
K3= K1 K2
Reacción global: A C
ΔG03=ΔG01+ΔG02
Consideremos la siguiente reacción para [Fructuosa]0= [Pi]0= 1 M
F-6-P + H2O
Fructuosa + Pi
La concentración de F-6-P en el equilibrio es:
K1 102 
F6P  x
FructosaPi  (1  x )2
x=0.0098
[F6P]=0.0098
K1=10-2
Ahora analizamos la misma reacción si en el medio tenemos ATP con [ATP]0=1.
ATP + H2O
Fructuosa + Pi
ATP + Fructuosa
ADP + Pi
F-6-P + H2O
K2=105
∆G0’=-30.5 kJ/mol
K1=10-2
∆G0’=+15.9 kJ/mol
F-6-P + ADP + H2O Ktotal=103 ∆G0’total=-14.6 kJ/mol
En el nuevo equilibrio,
tendremos
más, menos o lo mismo
de F-6 P ?
Advertencia
A pesar de que la reacción global es:
ATP + Fructosa
ADP + F-6-P
K3=103
No hay que perder de vista que en el sistema hay dos equilibrios que
deben cumplirse simultáneamente:
ATP + H2O
Fructuosa + Pi
ADP + Pi
K2=105
F-6-P + H2O
K1=10-2
en el equilibrio también hay Pi presente aunque no éste no
aparezca en la reacción global.
Para [ATP]0=[Fruc]0=[Pi]0=1M tendremos:
ATP + H2O
Fructuosa + Pi
1+x-y
K2=105
1+x-y
x
1-x
1-y
ADP + Pi
F-6-P + H2O
y
K1=10-2
Planteando estas eq se obtiene una [F-6-P] en equilibrio
de 1.94x10-2.
Aunque este valor es el doble del obtenido en ausencia
de ATP, aun la conversión es baja.
La situación es completamente diferente en presencia de la enzima
fosfokinasa que cataliza directamente la reacción
Fructuosa + ATP
F-6-P + ADP
K=103
En presencia de la enzima la transferencia de Pi desde el ATP a la
fructosa es directa.
Al no haber Pi libre se logra una conversión mucho más alta.
Notar que en este caso es correcto considerar que las concentraciones
de equilibrio de F-6-P y ADP son iguales.
2



Fruc
ATP
x
K  103 

F6PADP 1  x 2
 x  0.96
La reacción se completa casi en su totalidad lográndose una alta
conversión a F-6-P