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BE.442 Estructura molecular de los materiales biológicos. Otoño 2002

 
 
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Material de clase

Las breves reseñas que aparecen a continuación constituyen un resumen general de los temas tratados en el presente curso.

Introducción

La correlación de avances en el uso de materiales biológicos con el avance de la civilización humana. Introducción a la estructura molecular de los materiales biológicos. Historia de los materiales biológicos.

Agua

La importancia de las propiedades de la molécula de agua a la hora de determinar la estructura de los materiales biológicos. Hidratación de las proteínas (colágenos y otras ECM), el ADN, los azúcares y otras moléculas biológicas.

Aminoácidos

Sus propiedades físicas y químicas. Residuos ácidos, básicos, polares y no polares, y propiedades especiales de aminoácidos específicos. Influencia de la fuerza iónica, pH, etc. en la solubilidad, la carga y la protonación de aminoácidos.

Hélices

Hélices alpha (alfa), hélice 310, hélice pi, hélices arrolladas, etc. Variación de hélices basada en ángulos diedros y composición de residuos. Veremos rollos helicoidales, hélices arrolladas de dos vueltas, hélices arrolladas de tres o cuatro vueltas, superhélices. Se utilizarán varios modelos estructurales ricos en proteínas para revelar las propiedades de las hélices proteicas. Hélices alpha (alfa) en materiales biológicos y diseño de estructuras alfa helicoidales.

Péptidos y estructura proteica

Características del enlace peptídico entre aminoácidos. Cómo la naturaleza plana del enlace peptídico y las restricciones en los ángulos diedros producen estructuras secundarias específicas. Explicación del diagrama de Ramachandran. Estructuras primarias y secundarias de las proteínas. La relación entre la composición de la secuencia del aminoácido y la propensión a formar estructuras secundarias específicas. Predicción de la estructura secundaria a partir de la secuencia de péptidos.

Láminas Beta

Láminas beta paralelas y antiparalelas, giros beta, betahélices, etc. Proteínas ricas en láminas beta y composición de la secuencia primaria de las láminas beta. Propiedades de las láminas beta y estructuras ricas en láminas beta de mayor orden. Láminas beta en diversos materiales biológicos.

Herramientas utilizadas en el estudio y análisis de las estructuras moleculares (I): cristalografía de rayos X

Difracción de rayos X de cristal único, difracción en fibra, difracción de polvo. Resume el proceso de cristalografía de rayos X para la determinación de la estructura de cristal de los materiales biológicos: preparación de muestras, instrumentación, análisis de difracción y debate sobre las limitaciones actuales.

Herramientas utilizadas en el estudio y análisis de las estructuras moleculares (II): resonancia magnética nuclear (RMN)

Análisis RMN de alta resolución, RMN en solución y en estado sólido.

Herramientas utilizadas en el estudio y análisis de las estructuras moleculares (III)

Dicroísmo circular, Raman, FTIR, AFM, TEM, SEM, dispersión de la luz. Descripción de cada tecnología y tipos de datos generados. Debate sobre las aplicaciones y limitaciones de cada herramienta de análisis estructural.

Colágeno

Estructura molecular del colágeno. Secuencias principales del colágeno I-XVIII y diferencias entre los varios tipos de colágeno. La hélice rica en prolina, hélice rica en glicina e importancia de estos residuos y de las moléculas de agua en la formación de la estructura de orden mayor de las fibras de colágenos. El modelo de difracción en fibra de la estructura de colágeno y en la estructura de fragmento de colágeno de cristal único. La importancia de construir el modelo molecular del colágeno a la luz de las estructuras moleculares. Estructura molecular de otras proteínas fibrosas.

Seda

Estructura molecular de la seda de la araña y del gusano. Las secuencias principales de las proteínas de seda y la importancia de la secuencia corta del péptido se repiten. La correlación del contenido de las láminas beta con la fuerza, flexibilidad y elasticidad de las sedas. La codificación genética de la fibroína de seda. Varios tipos de seda de araña, por ejemplo, la seda de arrastre y la de captura se comparan con la seda del gusano. Técnicas actuales en la producción y el procesado de sedas sintéticas o de recombinación. Cómo cada gusano de seda produce más de dos kilómetros de fibra de seda.

Queratina

Estructura molecular de la queratina. Las diferencias entre, pelo, pluma, cuerno, uña, cuero, piel, escama, piel y otros materiales ricos en queratina. Las propiedades de esos materiales establecidas por sus composiciones de estructura primarias, secundarias y de orden mayor.

Estructura molecular de los biominerales (I)

Conchas de mar, diatomeas y corales. El proceso de biomineralización y paradigmas generales para la creación biológica de estructuras inorgánicas. Las estructuras y secuencias primarias de las proteínas que construyen el andamiaje de la biomineralización. Los tipos de minerales utilizados y cómo se organizan los cristales en los materiales. [ + 3 trabajos]

Estructura molecular de los biominerales (II)

Hueso y diente. Diferencias en las macroestructuras de huesos y dientes. Base molecular para la formación de biominerales de huesos y dientes. Cómo la estructura material de estos biominerales se traduce en fuerza y resistencia a la fractura.

Estructura molecular de adhesivos biológicos.

Cómo las proteínas se adhieren con fuerza a las superficies en presencia del agua. Ejemplo de organismos que producen adhesivos y la diversidad de tipos de adhesivos. Chitin y otros se describen en detalle.

Estructura molecular de las proteínas fluorescentes

Proteína verde fluorescente (GFP) extraída de la medusa Aequorea como el primer ejemplo de una proteína verde de modo autónomo. Origen de otras proteínas fluorescentes. ¿Por qué el GFP es fluorescente? La estructura beta-barrel de la GFP y la importancia de crear una molécula fluorescente. También se tratan otras variantes fluorescentes: proteína azul, amarilla y roja.

Ácido nucleico

El ADN y el ARN como componentes básicos de los nanomateriales. Propiedades físicas y químicas de los ácidos nucleicos. Estructura helicoidal doble del ADN y tipos de hélices de ADN. Importancia de la energía de hibridización y complementariedad en la dirección del ensamblaje de las estructuras de ADN/ARN. Herramientas para la síntesis, manipulación y estudio del ADN o ARN.

Lípidos

Lípidos como biomateriales. Estructura molecular y propiedades. Organización y ensamblaje de moléculas fosfolípidas en membranas, micelas, túbulos, etc. Síntesis y funcionalización de lípidos.

Sacáridos

Estructura molecular de materiales biológicos con base de sacáridos. Estructuras de azúcares de hexosa y pentosa y enlaces glicosídicos. Estructura de orden superior de celulosa y materiales relacionados y propiedades de dichos materiales. Materiales biológicos compuestos de carbohidratos.

Biomimicry y diseño

Diseño molecular e ingeniería de materiales biológicos inspirados por la naturaleza. Nuevos andamiajes, nuevos biominerales, nuevos adhesivos, nuevos materiales fluorescentes. Biomimicry como un paradigma para crear moléculas con funciones modificadas o nuevas a partir de biomateriales. La importancia del autoensamblaje, el alineamiento molecular y la reticulación en la construcción de filamentos de material biológico a macroescala a partir de componentes de nanoescala.

Sistemas de péptidos autoensamblados

Diseño racional de secuencias cortas de péptidos autoensamblados. Propiedades físicas y características estructurales de estructuras ensambladas. Aplicaciones de dichos sistemas en ingeniería biomédica, investigación de ingeniería biológica y nanotecnología.

Otros sistemas de proteínas y péptidos autoensamblados

Ejemplos de A. Aggeli, A. Belcher, C. Dobson, R. Ghadiri, M. Hecht, J. Kelly, S. Lindquist, S. Stupp, D. Tirrell

Ensamblaje y máquinas moleculares de ADN

Biología por radiofrecuencia (RF biology), organización por nanocristal del ADN, hebras de ADN, etc.

Medicina regenerativa

Perspectiva del avance en materiales biológicos utilizados en ingeniería de tejidos y su impacto en la sociedad. El futuro biónico de la ingeniería de tejidos.

Biocomputación

Últimos avances en la utilización de materiales biológicos para la computación y el procesado de la información. Perspectiva del uso de los materiales biológicos en computación.

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