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Fisicoquímica de Biomoléculas Curso 2006/-7 Profesores de la asignatura: Dr. Santiago Lago Aranda Dr. Patrick Merkling Universidad Pablo de Olavide, Dpto.Sistemas Físicos, Químicos y Naturales Área de Química Física

Fisicoquímica de Biomoléculas - upo.es · manual de esa calculadora, ... necesaria para entrar al laboratorio. Entregar la ficha rellena y con una foto ... • P.Atkins y J.de Paula,

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Fisicoquímica de Biomoléculas

Curso 2006/-7

Profesores de la asignatura:Dr. Santiago Lago ArandaDr. Patrick MerklingUniversidad Pablo de Olavide,Dpto.Sistemas Físicos, Químicos y Naturales

Área de Química Física

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Organización del curso y normas generales de la asignatura

• Clases de teoría: desarrollarán el programa expuesto mas abajo en esta clase

• Prof. Dr. Santiago Lago Aranda ed. 24B, planta 3ª, despacho 19

• Horas de tutoría: M 9:30-13:30; 15:30-17:30• Clases de problemas: Aproximadamente una cada dos

semanas en función del desarrollo de la teoría. Habitualmente esas clases se darán en martes alternos

• Prof.Dr.Patrick Merkling, ed. 24B, planta 3ª, despacho 11

• Horas de tutoría: L,M,X: 12:30-14:30

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Evaluación y calificación de la asignatura

• La asignatura se aprueba por la superación tanto de la parte teórica como de la parte práctica.

• La aprobación de la parte práctica (laboratorio) se realiza según se explica mas abajo

• La parte teórica se aprueba mediante un examen final en las convocatorias legalmente establecidas: junio, septiembre y, en su caso, diciembre.

• Los exámenes constarán en general tanto de cuestiones de aplicación directa de la teoría explicada en clase como de resolución de problemas numéricos. El formato y grado de dificultad serán similares a los de otras asignaturas del área (Fundamentos de Química de 1º, Termodinámica y Cinética Química de 2º).

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Laboratorios• Coordinador de las prácticas: Dr. Patrick Merkling• 5 prácticas a lo largo del segundo cuatrimestre realizada un día por semana, en

semanas que se irán anunciando.• Tamaño de los grupos de prácticas: aprox. 20 estudiantes• Lugar: Laboratorio 1 del edificio 24C.• Duración de cada sesión: máximo 4 horas• Comienzo previsible de las prácticas: 19/02/07• Material necesario para las prácticas: bata, calculadora (mejor si es programable),

manual de esa calculadora, cuaderno tamaño DIN A4 • Es condición absolutamente necesaria la aprobación previa de las prácticas

para aprobar la asignatura. Una vez aprobadas las prácticas, ya no es preciso su repetición en cursos posteriores aunque no se haya superado el conjunto de la asignatura.

• Las prácticas se aprueban por la asistencia a todas ellas y su buen aprovechamiento. Para evaluar este aprovechamiento se realizará un examen final de prácticas

• Ficha: necesaria para entrar al laboratorio. Entregar la ficha rellena y con una foto reciente, a mas tardar el 19/02/07.

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Programa general del curso• Tema 1.-Estructura y Dinámica de Macromoléculas (6

horas)• Tema 2.-Fundamentos moleculares de la

termodinámica: Termodinámica Estadística (5 horas)• Tema 3.-Espectroscopía de biomoléculas (12 horas)• Tema 4.-Dispersión y difracción de radiación por la

materia (4 horas)• Tema 5.-Coloides, micelas y fenómenos de superficie (6

horas)• Tema 6.- Técnicas de caracterización de

macromoléculas en disolución (6 horas)

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Programa de prácticas

• 1. Calorimetria diferencial de barrido2. Modelización molecular y diseño de fármacos3. Determinación del pI de la caseína4. Electroforesis en papel de aminoácidos5. Espectroscopía infrarroja

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Bibliografía• Textos básicos.-• P.Atkins y J.de Paula, Physical Chemistry for the Life

Sciences, Oxford Univ.Press, 2006.• J.Bertrán Rusca y J.Núñez Delgado (coords.), Química

Física (2 vols.), Ariel, 2002.• I.Tinoco, Jr.,K.Sauer, K.C.Wang yJ.D.Puglisi.-

Physical chemistry.Principles and applications in biological sciences, 4ª.ed.,2002..

• K.C.van Holde,W.C.Johnson y P-S.Ho.-• Principles of physical Biochemistry, 2ªed.,2006• Multitud de excelentes cursos on-line (Stanford, Erlangen,

UCSD,…)

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Tema 1.-Estructura y Dinámica de Macromoléculas

• 1.1.-La Dinámica de los Sistemas microscópicos: solución de la ecuación de Schrödinger para algunos sistemas simples

• 1.2.-El enlace químico: teoría de orbitales moleculares y teoría del campo del ligando

• 1.3.-La estructura de las moléculas poliatómicassencillas

• 1.4.-Estructura de los polímeros artificiales y de las proteínas

• 1.4.-Introducción a la Bioquímica computacional• 1.5.-Macromoléculas y autoensamblado

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1.1.-La Dinámica de los Sistemas microscópicos: solución de la ecuación de Schrödinger para algunos sistemas simples

• 1.1.1.-La partícula en una caja• Solución de la ecuación de Schrödinger para

este sistema: funciones de onda. Aparición de los números cuánticos. Energía residual. Aplicación a un sistema con enlaces conjugados

• Partícula en una caja cúbica tridimensional: solución de la ecuación de Schrödinger, degeneración de los estados. Aplicación al movimiento de traslación de las partículas: número de estado accesibles para una energía dada.

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1.1.2.-El oscilador armónico

• Ejemplos de osciladores armónicos clásicos y cuánticos.

• Solución de la ecuación de Newton para un oscilador armónico.

• Solución de la ecuación de Schrödinger para un oscilador armónico: diferencias con un oscilador clásico: funciones de onda, energías discretas y energía residual. Espectro de vibración de un oscilador armónico

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1.1.3.-El átomo de hidrógeno

• La energía potencial en un átomo de hidrógeno.

• Solución de la ecuación de Schrödingerpara un átomo de hidrógeno. Función de onda radial y función de onda angular.

• El espectro de energías de un átomo de hidrógeno. Introducción a la espectroscopía atómica

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1.2.-El enlace químico: teoría de orbitales moleculares y teoría del campo del ligando

• La ecuación de Schrödinger y el término de energía potencial

• La molécula ión de Hidrógeno

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1.2.-El enlace químico: teoría de orbitales moleculares y teoría del campo del ligando

• Repaso general de la teoría de O.M. (tema 6 de Fundamentos de Química)

• Moléculas diatómicas homonucleares• Moléculas diatómicas heteronucleares• Orbitales moleculares deslocalizados• Teoría del campo del ligando• (tema 17 de Fundamentos de Química)

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1.3.-La estructura de las moléculas poliatómicas sencillas

• Moléculas poliatómicas (reglas VSEPR y reglas de Walsh)

• Conformaciones moleculares. Los confórmeros gauche y trans.

• Diferencias entre confórmeros, tautómerosy mesómeros.

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Energía potencial torsional del butano

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1.4.-Estructura de los polímeros artificiales y de los compuestos naturales

• 1.4.1. Polímeros artificiales• Diferentes tipos de polimerización:• Polimerización por adición (radicales

libres, catiónica y aniónica)• Polimerización por condensación

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1.4.1. Polímeros artificiales (II)Polimerización por condensación:

• Propiedades de los ácidos poli-carboxílicos: poliésteres

• Propiedades de las aminas: diaminas y poliamidas

• Las amidas como producto de deshidratación intermedio entres sales amónicas y nitrilos

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Fosfolípidos

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Fosfolípidos y bicapa lipídica

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Esteroides

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1.4.4.-Aminoácidos y proteínas

CααααC

ON

RH

CααααCO

NH

HR

+H H

O-H

Los aminoácidos, ladrillos del edificio de las proteínas

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El enlace peptídico tiene un carácter parcial de

doble enlace (previsto por la teoría de O.M.)

Cαααα

CO- Cαααα

NH

+

Cαααα

CO Cαααα

NH

El carácter parcial de doble enlace impide la rotación libre alrededor del enlace

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Los enlaces péptidos pueden ser cis o trans

Cαααα

CO Cαααα

NH Cαααα

CO

Cαααα

NH

trans cis

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La interconversión de las cis y trans prolinasrequiere la ruptura y creación de un enlace

covalente

Cαααα

CO Cαααα

NCH2CH2H2C Cαααα

CO

Cαααα

NCH2CH2

H2C

trans cis

Por esta razón, la isomerización cis-transde la prolina es lenta en ausencia de un catalizador enzimático (prolil- isomerasa).

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Los péptidos pueden dividirse en planos rígidos

Debido al carácter parcial del doble enlace del enlace peptídico, la rotación libre sólo puede tener lugar alrededor de los ángulos φφφφ y ψψψψ

H

CααααCO

NH

HR

H+

H

Cαααα CO

N

R

O-H

NH H

CααααCO

R

φφφφ

ψψψψ

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Diagrama de Ramachandran para la quimotripsina

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• Los aminoácidos como moléculas quirales

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CααααCHO

ON H

H

H

CH2

CH2

COH2N

carboxylgroup

aminogroup

Sidechain (R)

L-form

Cαααα CHO

ONH

H

H

H2CH2C

CO NH2

carboxylgroup

aminogroup

Sidechain (R)

D-form

Mnemonic: CORN (clockwise=L-stereoisomer when hydrogen is in coming out of the screen)

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1.5.-Introducción a la Bioquímica computacional

• Métodos de cálculo (simulaciones) para las sistemas de interés en Biotecnología:

• Modelos mesoscópicos: dinámica browniana

• Modelos atomísticos:• Mecánica Molecular• Monte Carlo• Dinámica Molecular

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1.6.-Macromoléculas y autoensamblado H- hidratado

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1.6.-Macromoléculas y autoensamblado

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1.6.-Macromoléculas y autoensamblado

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1.6.-Macromoléculas y autoensamblado

• Un rotaxano: una molécula dumbbell(mancuerna)+

• Un macro-anillo

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¿Qué debo saber ahora?• Conocer la solución exacta de las ecuación de

Schrödinger para algunos sistemas sencillos( partícula en una caja de potencial, oscilador armónico, átomo de hidrógeno (rotor rígido), molécula ión de hidrógeno.

• Conocer la solución aproximada para sistemas mas complicados (átomos polielectrónicos, moléculas poliatómicas).

• Conocer la estructura básica de hidratos de carbono, lípidos y proteínas.

• Entender los fundamentos de las técnicas de simulación.• Conocer el origen de los ensamblajes moleculares

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Trabajos propuestos para el tema 1

• Determinación del punto isoeléctrico de un péptido (puntuación máxima: +1)

• La solución de la ecuación de Schrödinger para otros sistemas simples (puntuación máxima:+2)

• Simetrías moleculares y grupos puntuales de simetría importantes en las moléculas biológicas (puntuación máxima:+2)

• Simetrías cristalinas y cristalización de proteinas(puntuación máxima: +2)

• Simulaciones de grano grueso y proteinas y lípidos de membrana (puntuación máxima: +2)

• Estadística conformacional de alcanos y alcanos sustituidos (puntuación máxima: +3)

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Sugerencias para el trabajo 1 del tema 1

• Calcular el punto isoeléctrico de un péptido constituido de la siguiente manera:

XGVHY

donde X es el aminoácido correspondiente a la inicial de su nombre (si es compuesto, a la inicial de la segunda parte del nombre) e Y el aminoácido correspondiente a la inicial de su primer apellido. (Si no hay ningún aminoácido que corresponda a alguna de esas iniciales, utilice la primera letra siguiente en el abecedario que sí tengacorrespondencia)

Sugerencia: utilizar el método propuesto en D'Andrea, G and Nicolantonio, G. (2002). A graphical approach to determine the isoelectric point and charge of small peptides from ph 0 to 14. Journal of Chemical Education, 79:972-975.