texto: la biofisicoquímica o cómo es que la física, la química y la biología se comunican para...

8/3/2019 Texto: La biofisicoqumica o cmo es que la fsica, la qumica y la biologa se comunican para enriquecer el conoci

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XXI Semana de Biologa Experimental, Universidad Autnoma Metropolitana, Unidad Iztapalapa, 13

de octubre de 2011

1. La biofisicoqumica o cmo es que la fsica, la qumica y la biologa se comunican para enriquecer el

conocimiento cientfico

Dr Ral Alva Garca, Biofisicoqumico. Departamento de Ciencias de la Salud, Divisin de Ciencias

Biolgicas y de la Salud, Universidad Autnoma Metropolitana, Unidad Iztapalapa

2. Si bien en el siglo XIX, Charles Darwin y Gregor Mendel representaron el parteaguas para una biologa

con mayor estructura de pensamiento cientfico,

la sntesis qumica abitica de urea por Friedrich Whler no slo representa la muerte de la alquimia y el

nacimiento de la qumica con sus dos grandes reas (la inorgnica y la orgnica), sino tambin el evento

primordial de interaccin entre la qumica y la biologa mediante el inicio de la comprensin de los

aspectos qumicos de la materia biolgica y, por lo tanto, la gestacin de la bioqumica como disciplina

3. Qu es la vida? What is life? : the physical aspect of the living cell ; with, Mindand matter &

Autobiographical. Schrdinger, Erwin, 1887-1961. c1992. / QH331 S3.7

This book very elegantly propounded the belief that genes were the key components of living cells and

that, to understand what life is, we must know how genes act. When Schrodinger wrote his book (1944)

there was general acceptance that genes were special types of protein molecules. But almost at this

same time the bacteriologist 0. T. Avery was carrying out experiments at the Rockefeller Institute in New

York which showed that hereditary traits could be transmitted from one bacterial cell to another by

purified DNA molecules.

Nevertheless, a major factor in Francis Crick leaving physics and developing an interest in biology hadbeen the reading in 1946 ofWhat Is Life?by the noted theoretical physicist Erwin Schrodinger

4. Energy is a physics concept that can be defined as the capacity for doing work. For an object of mass

m, moving with velocity of magnitude v, this energy can be calculated from the equation

Ec= 1/2 mv^2

E=hv

E=mc^2

5. Transformacin de energa biolgica puede ser explicada por medio de las leyes de la qumica, ya que

son evidentes las transformaciones qumicas de la materia biolgica

6. La Glucolisis es una serie de reacciones qumicas de oxidorreduccin y transferencia qumica directa

de fosfatos que producen ATP, que sucede en todos los organismos en la Tierra, desde las bacterias

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hasta los mamferos, "acumulando" energa en los enlaces fosfodister

C6H12O6 + ADP -> CH3COCOO + H+ + ATP

7. La Fosforilacin Oxidativa es una serie de reacciones bioqumicas de oxidorreduccin de cidos

policarboxlicos que indirectamente producen ATP, "acumulando" energa en los enlaces fosfodister.

Durante ms de un cuarto de siglo, los laboratorios bioqumicos del mundo trabajaron buscando la

forma en que la oxidacin de los cidos tricarboxlicos en el Ciclo de Krebs se acoplaba con la

fosforilacin del ADP para sintetizar ATP, proponiendo principalmente dos mecanismos qumicos: un

intermediario qumico fosfatado, como el NADP, y cambios conformacionales en la ATPsintetasa, como

sucede en las potenas del msculo esqueltico

8. Hace cinco dcadas Peter Mitchell postul un mecanismo qumico y fsico para explicar la

tranformacin de energa biolgica, la Hiptesis Quimiosmtica: las membranas biolgicas poseen

componentes translocadores de iones que generan un potencial elctrico (fsico) y qumico (de pH)

transmembranal; al abatirse cataliza la fosforilacin de ADP a ATP, acumulando energa en los enlaces

fosfodister. Este mecanismo fsico y qumico es responsable de la ms eficiente transformacin de

energa en todos los seres vivos en la Tierra, desde las bacterias fotosintticas hasta las plantas

vasculares y los mamferos

"In the exact sciences, cause and effect are no more than events linked in sequence. . . if the processes

that we call metabolism and transport represent events in a sequence, not only can metabolism be the

cause of transport, but also transport can be the cause of metabolism"

Peter Mitchell, Nature, 1961

9. Berton Pressman y Sergio Estrada descubrieron los ionforos peptdicos y carboxlicos que

demostraron que la translocacin inica en organelos energticos es electrofortica y define la

anisotropa de las membranas biolgicas. Los estudios en mitocondrias, cloroplastos, bacterias

quimitrofas y fottrofas, demostraron que el potencial de membrana es la fuerza motriz que impulsa a

la sntesis biolgica de ATP y que realiza la translocacin de iones necesaria para el metabolismo

10. En palabras de Efraim Racker, "el problema central de la fosforilacin acoplada a la oxidacin y el

transporte de iones [...] haba sido, al fin, resuelto"

11. Lo que fue finalmente reconocido mediante la adjudicacin del Premio Nobel de Qumica a Peter

Mitchell en 1978, como la "contribucin a la comprensin de la transferencia de energa biolgica"

12. Biophysical chemistry is a relatively new branch of chemistry that covers a broad spectrum ofresearch activities involving biological systems. The most common feature of the research in this subject

is to seek explanation of the various phenomena in biological systems in terms of either the molecules

that make up the system or the supra-molecular structure of these systems

13. Biophysical chemists employ various techniques used in physical chemistry to probe the structure of

biological systems. These techniques include spectroscopic methods like nuclear magnetic resonance

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(NMR) and X-ray diffraction

14. For example, the work for which Nobel Prize was awarded in 2009 to three chemists was based on x-

ray diffraction studies of ribosomes. Some of the areas in which biophysical chemists engage themselves

are protein structure and the functional structure of cell membranes. For example, enzyme action can

be explained in terms of the shape of a pocket in the protein molecule that matches the shape of thesubstrate molecule or its modification due to binding of a metal ion. Similarly the structure and function

of the biomembranes may be understood through the study of model supramolecular structures as

liposomes or phospholipid vesicles of different compositions and sizes

15. The oldest reputed institute for biophysical chemistry is Max Planck Institute for Biophysical

Chemistry in Gttingen (Karl Friedrich Bonhoeffer Institute) was created in 1971 through the merger of

two Max Planck Institutes in Gttingen, the Institute for Physical Chemistry, founded in 1949, and the

Institute for Spectroscopy, was one of the first who applied physical-chemical methods in biological

research and thus made different disciplines of natural sciences to interact in research, like rapid

reaction kinetics, single channel recording techniques and applications

16. Biophysical Chemistry. An international journal devoted to the physics and chemistry of biological

phenomena.

Biophysical Chemistry publishes original work and reviews in the areas of chemistry and physics directly

impacting biological phenomena. Quantitative analysis of the properties of biological macromolecules,

biologically active molecules, macromolecular assemblies and cell components in terms of kinetics,

thermodynamics, spatio-temporal organization, NMR and X-ray structural biology, as well as single-

molecule detection represent a major focus of the journal. Theoretical and computational treatments of

biomacromolecular systems, macromolecular interactions, regulatory control and systems biology are

also of interest to the journal.

17. Yale Department of Chemistry

Biophysical Chemistry

The goal of the biophysical chemist is to provide physical explanations for the ways in which important

biological systems function. Techniques needed to reach this goal are drawn from many disciplines

including chemistry, physics, and biology. Spectroscopic tools such as NMR spectroscopy are combined

with diffraction methods to define molecular structure at an atomic level. Electronic structure of active

sites is probed with optical, vibrational, and EPR spectroscopies. The time course of catalyzed processes

is followed by time-resolved laser spectroscopy along with traditional kinetic methods. Functionalmodels are tested by altering macromolecular structure using the techniques of molecular biology and

organic synthesis. Ultimately, processes and structures may be modeled with computer programs that

incorporate our best understanding of the electronic structure of the biomolecular building blocks.

18. Las investigaciones sobre los complejos que forman los acarreadores mviles modelo -como los

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politeres carboxlicos y los teres corona- con diversas especies inicas, establecieron las bases fsicas y

qumicas de la actividad quimiosmtica. Fue posible indicar los aspectos fisicoqumicos de flexibilidad

estructural que constituyen y regulan la translocacin inica catalizada.

19. La funcin de las osmoenzimas depende de su flexibilidad estructural y su variable afinidad inica

regulada por factores fisicoqumicos intrnsecos y ambientales, as como una manopla de baseball puedetomar pelotas de distinto tamao...

20. Se identific la formacin de complejos de acarreadores mviles con cationes mono, di y trivalentes;

se distinguieron las caractersticas de flexibilidad estructural de los complejos; se determinaron las

variaciones de afinidad inica; y se discriminaron los eventos fisicoqumicos que conforman la regulacin

de la translocacin inica catalizada. Estos factores pueden resumirse en la expresin general

Ji = f(pHamb, pKa, ai, aei, Ei, ri, qi, [A]m, FA, mA, Ks, CpL, DL, mm, Kd)

Todo esto guarda correlaciones variadas con su capacidad para atrapar y liberar cationes en procesos

metablicos y muestra las caractersticas sistmicas estructurales y energticas que proveen a lasosmoenzimas su capacidad para regular al metabolismo vectorial.

Science has often been considered to be the search for simplicity.

Milton H. Saier Jr.

21. Posteriormente se identificaron, aislaron, reconstituyeron y caracterizaron los acarreadores

proteicos antiparalelos predichos por la Teora de Mitchell. Se ha logrado identificar y obtener

numerosas protenas con actividad inica antiport. Algunas son altamente especficas por un ion, como

el Na+, mientras que otras pueden intercambiar tanto Na+ como K+ por H+. Desde el postulado de

Mitchell, los mecanismos del metabolismo energtico se han resuelto desde un punto de vista

bioqumico. Se conoce el comportamiento cintico de varias de las isoformas de antiporters inicos. Sehan dilucidado las estructuras primaria a cuaternaria de diversas isoformas de protenas antiporter, a

travs de estudios espectroscpicos y con tcnicas bioqumicas y de biologa molecular, adems de

mtodos de simulacin computarizada.

22. AI momento, hay una imagen general del papel que juegan los acarreadores y los cationes en el

metabolismo vectorial de los organismos. Si bien se conocen los mecanismos de regulacin, negativo

ante inhibidores y positivo con otros factores, no se ha establecido un mecanismo fsico y qumico

general para la translocacin antiport inica catalizada, ms all de la necesidad de un "canal

hidroscpico". En el caso de los antiporters Na+/H+, se discute si se trata de canales sencillos o mltiples,

la estructura y localizacin de los sitios activos para cada evento, como el cataltico o el sitio de unin alcatin. Se sugieren cambios conformacionales en su funcin y, si es as, cmo lo hace?

Entities should not be multiplied beyond necessity.

William of Occam

23-24. El estudio de antiporters se ha encontrado con una diversidad de isoformas en rganos y tejidos

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de plantas y animales (p.ej. las NHE-1 a NHE-6 en Homo sapiens), as como en protistas y archaeas, que

se presentan en variedades diferentes a lo largo de toda la escala filogentica. Se consideran como

protenas de membrana de distribucin universal aunque no se han identificado homologas

significativas entre protenas de relacin filogentica distante, por lo que se sugeriere que no existen

sitios universales de unin Na+/H+ o que pocos residuos son adecuados para el intercambio inico y

estn dispersos por la protena.

25. Sin embargo, se deben tomar en cuenta dos consideraciones: 1) los principios de divergencia y

convergencia evolutiva y 2) la posibilidad de un modelo qumico o uno fisicoqumico, respectivamente.

26. El estudio estructural primario y helicoidal de isoformas del antiport Na+/H+ con este enfoque ofrece

resultados sugerentes. Se identifican diez segmentos transmembranales que persisten y sugieren

presencia de un segmento ms en el extremo NH2 en mamferos y uno, del Fen428 al Ile450, en cangrejo

azul. Este segmento equivalente en mamferos es hidrofbico/polar y altamente conservado, as como

los segmentos 9 y 12; los ms variables son el 7 y el 10, mientras los restantes presentan una

variabilidad similar en residuos. El alineado de secuencias muestra poca variabilidad en polaridad de los

segmentos 3, 4, 8, 9 y 12, as como alta conservacin de residuos hidrofbicos y polares, tanto aninicos

como con -. Es notable la alta conservacin de residuos bsicos en posiciones transmembranales y

plasmticas equivalentes del alineado. El anlisis muestra diferencias entre variabilidad qumica

(residuos) y fisicoqumica (polar/no polar) y sugiere un patrn de residuos para la unin y translocacin

catinica en los NHE de mamferos, por lo que la homologa y la analoga deben jugar papeles

importantes, tanto por evolucin divergente como convergente,

27. que deben confirmarse extendiendo el estudio a la mayor amplitud de la escala filogentica.

28. http://www.izt.uam.mx/cosmosecm/BIOFISICOQUIMICA.html

Ha llegado el momento imprescindible en que la va entre la biologa y la fsica sea de doble sentido.

Esto fue reconocido desde hace aos y la idea ha ido permeando en la comunidad cientfica. En 1990 se

llev a cabo en la pequea poblacin corsa de Cargse una conferencia bajo el nombre de "Biologically

Inspired Physics". Este ttulo ha servido de inspiracin a muchos cientficos y la conferencia desat una

reaccin en cadena muy benfica que, entre otras cosas, ha llevado a revistas de prestigio internacional

como Physical Review E, a invitar a la comunidad a contribuir con artculos de investigacin para su

nueva seccin de fsica biolgica. Sin embargo, un gran reto pendiente es que los trabajadores de la

nueva disciplina logren incursionar en el terreno de las revistas tradicionales de biologa y puedan

mostrar cmo la fsica es de utilidad para los bilogos, partiendo de los datos aportados por la propia

biologa. Hoy en da se puede hablar de la fsica biolgica como una realidad. Curiosamente, su aparicinno fue a expensas de la biofsica sino todo lo contrario, en un claro ejemplo de lo que es un efecto

cooperativo, ha venido a darle nuevos bros. Como se ilustra en este libro, en Mxico tanto la biofsica,

como la fsica biolgica, han alcanzado un nivel de desarrollo comparable con el de cualquier pas del

mundo. En esta recopilacin contamos con una muestra de la labor que se desarrolla en nuestras

instituciones pblicas de educacin superior. El contenido no pretende abarcar la totalidad del trabajo

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Miller is currently working on large deployable structures for the Air Force and NASA. In the commercial

marketplace, preliminary target applications certainly include bulletproof vests as well as high strength

cords and straps, prostheticdevices, and highly abrasion resistant textiles

32. Rotation of the gamma subunit of thermophilic F1-ATPas was observed directly with an

epifluorescent microscope. The enzyme was immobilized on a coverslip through His-tag introduced atthe N-termini of the beta subunit. Fluorescently labeled actin filament was attached to the gammma

subunit

Artificial photosynthesis - photochemical water splitting. Objectives of the project.

The visionary idea in SOLAR-H is to design, synthesize and characterize large metal-organic catalytic

complexes that shall be able to:

i) absorb light;

ii) use the light to form an energy rich so called charge separated state;

iii) use this stored energy to split water (oxidize water) into hydrogen and oxygen.

If efficient photo-catalytic chemistry with these properties could be accomplished and incorporated into

a technical device this might become an important future energy supply.

Figure 2. Presentation of how a di-iron center in a hydrogenase (left) is mimicked in a di-iron complex

that also is linked to a Ru-center. In the di-iron complex the ligands are not too different from those in

the hydrogenase di-iron center. The coupled ruthenium-di-iron complex on the right is synthesized by

Partner 8. The idea is that photo-excitation of the Ru-center shall drive electron transfer to the coupled

iron-dimer.

33. Jack W. Szostak

Prize motivation: "for the discovery of how chromosomes are protected by telomeres and the enzymetelomerase"

The interlude between wrapping up my work in the Department of Plant Physiology and starting as a

transfer student in the Department of Biochemistry provided me with the opportunity for an extended

vacation and my first trip to Europe on my own. I began with a visit to Cambridge, England where I was

very kindly hosted by Professor Poole (for whom I had worked at McGill), who was on sabbatical at the

University of Cambridge. I explored the town and was incredibly impressed by the Chapel of King's

College and the ethereal music therein. Even more impressive was the famous Laboratory of Molecular

Biology at the MRC, where I talked with one of the iconic figures of molecular biology, Sydney Brenner. I

was asked to wait for Sydney in his office, which I was surprised to notice held two large desks, bothpiled to the ceiling with papers. When Sydney arrived he told me about his remarkable new project

involving the use of the nematode Caenorhabditis elegans as a model system for developmental

genecs this was an impressive if somewhat painful lesson on the right way to carry forward such an

ambitious project.

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By the year 2000, I started to pay more attention to fundamental questions related to the origin of life.

My interest in the role of compartmentalization and cellular structure in the origin of life was stimulated

by discussions with Pier Luigi Luisi and David Bartel. A year of debate led to a synthesis of our views on

the roles of genetics, compartmentalization and evolution, which we expressed in our 2001 Nature

paper Synthesizing Life (13). This paper catalyzed my entry into the field of membrane biophysics, for I

felt that having proposed a model for early cells in which bilayer membranes played a crucial role, it was

incumbent on us to show that such models were physically plausible. I have to admit that I was

somewhat surprised to find myself working with lipids and membranes, which are remarkably squishy

and ill-defined by comparison with nucleic acids. However, in at least one way, the study of membranes

composed of prebiotic building blocks such as fatty acids was perfect for me, since this field was filled

with important yet technically addressable questions.

34. Astrobiology makes use of physics, chemistry and biology to investigate the possibility of life on

other worlds and help recognize biospheres that might be different from the biosphere on Earth. The

term exobiology is similar but more specific it covers the search for life beyond Earth, and the effects

of extraterrestrial environments on living things

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