background image

Jabir Ibn Hayyan Medical College  

Biochemistry 

for 1

st

 class students   

Lecture 1 

Introduction to biological molecules 

March 9, 2017 

 
 
 

DR. MONA ABDEL RIDHA AL-BARQAAWI 


background image

References 

• Marks’ Basic Medical Biochemistry Chapter 6 

• Lippincott’s Illustrated Reviews: Biochemistry Chapter 1 


background image

Glossary 

Acid: A chemical that can dissociate to release

 

hydrogen ions (H

+

), i.e. it is a proton donor. 

Amino acid: The building blocks of proteins. They are composed of a central carbon atom 

attached to four other chemical groups: an amino group (-NH

2

), a carboxyl group (COOH), a 

hydrogen atom and a variable group (R). 

Amphipathic: A molecule that has both a polar (hydrophilic) and non-polar (hydrophobic) 

end is said to be amphipathic. 

Base: A chemical that can combine with a hydrogen ion (H

+

), i.e. it is a proton acceptor. 

Buffer: A solution of a weak acid and its conjugate base that resists a change in pH when a 

small amount of acid or alkali is added. 

Covalent bond: A bond formed between two atoms by the sharing of electrons. 


background image

Glossary 

Hydrogen  bond:  A  weak  electrostatic  interaction  between  a  hydrogen  atom  bound  to  an 

electronegative atom (N, O) and another electronegative atom. 

Hydrophilic:  A  polar  molecule  that  is  able  to  interact  with  water  molecules  is  said  to  be 

hydrophilic. 

Hydrophobic:  A  non-polar  molecule  that  is  unable  to  interact  with  water  is  said  to  be 

hydrophobic. 

Ionic  bond:  A  bond  formed  between  two  atoms  where  there  is  a  complete  transfer  of  an 

electron resulting in the formation of two ions (one positive and one negative). 

Isoelectric point: The pH at which a protein has no overall net charge. 

Peptide bond: A type of covalent bond which joins amino acids in proteins. The bond forms 

between the carboxyl group of one amino acid and the amino group of the second. 

pH: A measurement of the concentration of H

+

 ions in solution. pH = -log

10

[H

+

Protein: A polymer composed of amino acids joined by peptide bonds. 


background image

The Cell 

Cells are the structural and functional units of all living organisms, they are 

capable of carrying out all the activities necessary for life. 

Cells are small, membrane enclosed units filled with a concentrated Aqueous 

Solution of Chemicals and provide with the surprising ability to create copies 

of themselves by growing and dividing in two.  


background image

Cell Components 

1.  Plasma  membrane:  It  is  a  phospholipid  bilayer  that  responsible  for  the 
cell morphology and movement, and transport of ions and small molecules. 

2. Cytosol: Liquid portion of  cytoplasm  

(cytoplasm composed of all materials contained within cytosol). Metabolism 
of  carbohydrates,  amino  acids  and  nucleotides,  and  fatty  acid  synthesis  are 
carried out in cytoplasm. 

3. Organelles: Complex intracellular locations where processes necessary for 
eukaryotic  cellular  life  occur.  Most  organelles  are  membrane  enclosed 
structures, each organelle carries out a specific function.  


background image

Cell Components 


background image

Macromolecules  


background image

Water, properties & functions 

• Weak interactions are the key means by which molecules interact with one 

another. 

• The strength and specificity  of weak interactions between biomolecules 

are highly dependent on the medium (aqueous) in which they take place.  

• Two properties of water are biologically important: 
1.Water is polar molecule. 
2.Water is highly cohesive (hydrogen bonds between water molecules). 
•Water is the principal fluid medium of the cell, which is present in most cells, 
in a concentration of 70 to 85 per cent. Many cellular chemicals are dissolved 
in the water.  
•Water  Helps  in  regulation  of  temperature  since  it  is  able  to  absorb  large 
amounts of heat. 
•Helps in regulation of intracellular pH since it is amphoteric solvent. 
•Used for transport – delivers nutrients and removes waste from cells 


background image

Water As A Solvent 

According to the ability of water to dissolve their molecules, substances can be classified 

in to Hydrophilic, Hydrophobic, and Amphipathic.

 

Hydrophilic  molecules:  substances  that  dissolve  readily  in  water.  They  are  composed  of 

ions  or  polar  molecules  that  attract  water  molecules  through  electrical  charge  effects.  

Water molecules surround each ion or polar molecule on the surface of such a solid and 

carry it into solution. 

10 


background image

Water As A Solvent 

Hydrophobic Molecules:  Substances that contain nonpolar bonds and 

insoluble in water. Water molecules are not attracted to their molecules and 

so have little tendency to surround them and carry them into solution. 

11 


background image

Water As A Solvent 

Amphipathic Molecules:  

Molecules that have both hydrophilic and 

hydrophobic properties are said to be amphipathic 

12 


background image

Water dissociates into hydronium (H3O+) and hydroxyl (OH-) ions 

For simplicity, we refer to the hydronium ion as a hydrogen ion (H+) 
and write the equilibrium as 

Ionization of Water 

13 


background image

Ionization of Water 

w is the ion product of water. 

At 25

°C, 

w is  

1.0 

× 10

-14

Note that the con. of H

+

 and 

OH

-

 are reciprocally related.  

If the concentration of H+ is 

high, then the concentration of 

OH- must be low, and vice 

versa.  

For example, if [H+] = 10 

-2  

M, 

then [OH-] = 10

-12

 M. 

14 


background image

Acids and bases 

15 


background image

Definition of pH and pK 

The pH of a solution is a measure of its concentration of H+. The pH is defined as: 

 

The ionization equilibrium of a weak acid is given by: 

 

The apparent equilibrium constant Ka for this ionization is: 

 

The pKa of an acid is defined as:  

 

The pKa of an acid is the pH at which it is half dissociated, when [A-]=[HA] 

16 


background image

Buffers 

An  acid-base  conjugate  pair  (such  as  acetic  acid  and  acetate  ion)  has  an 

important property: it resists changes in the pH of a solution. In other words, 

it  acts  as  a 

buffer

.  Consider  the  addition  of  OH-  to  a  solution  of  acetic  acid 

(HA): 

 

A  plot  of  the  dependence  of  the  pH  of  this  solution  on  the  amount  of  OH- 

added is called a 

titration curve. 

there is an inflection point in the curve at pH 4.8, which is the p

a of acetic 

acid. 

17 


background image

Titration curve of acetic acid 

18 


background image

What is the relation between pH and the ratio of acid to base? 

We know: 
 
Therefore 
 
 
And 
 
 
This equation is commonly known as the Henderson-Hasselbalch 
equation. 

19 


background image

Application of  Henderson equation 

• The pH of a solution can be calculated from this equation if the molar 

proportion of A- to HA and the p

a of HA are known.  

Example:  
 
 

• Conversely,  the p

K

a of an acid can be calculated if the molar proportion of A- 

to HA and the pH of the solution are known. 

• And, the molar proportion of A- to HA can be calculated if the pH and p

K

values are known. 

20 


background image

Amino Acids 

• Amino acids are the building blocks of proteins.   

• There are 20 different amino acids that are commonly found in proteins. All 

are α-amino acids.  

• They  all  have  a  similar  structure:  a  carboxyl  group            (-COO

-

)  and  an 

amino  group  (-NH

3

+

)  are  covalently  bound  to  a  central  carbon  atom.  In 

addition, the side chain or R group, which differs between amino acids, is 

also bonded to the central carbon.  

21 


background image

Amino Acids 

R groups are  vary in structure, size, and electric charge. It  

influences the solubility of the amino acids in water.  

The α-carbon atom is a chiral center; so,  amino acids have 

two possible stereoisomers, L or D  

Cells  are  able  to  specifically  synthesize  the  L  isomers  of 

amino  acids  because  the  active  sites  of  enzymes  are 

asymmetric,  causing  the  reactions  they  catalyze  to  be 

stereospecific. 

The  Amino  Acid  Residues  in  Proteins  Are        L  - 

Stereoisomers 

22 


background image

Classification of Amino Acids by R Group 

1. Non polar, aliphatic R groups 

23 


background image

2. Aromatic R Groups 

Classification of Amino Acids by R Group 

24 


background image

Classification of Amino Acids by R Group 

3. Polar, uncharged R groups 

25 


background image

MGD 2016/ DR. Al-BARQAAWI 

Classification of Amino Acids by R Group 

4. Positively Charged (Basic) R Group:  

26 


background image

MGD 2016/ DR. Al-BARQAAWI 

Classification of Amino Acids by R Group 

5. Negatively Charged (Acidic) R Groups  

27 


background image

Classification of Amino Acids by R Group 

28 


background image

MGD 2016/ DR. Al-BARQAAWI 

Acid-Base Behavior of Amino acids 

The acid base properties of amino acids depends on the: 

• amino and carboxyl groups attached to the α- carbon   

• on the basic, acidic, or other functional groups represented by R, &  The pH of the 

meduim. 

In the physiological pH range of 7.35- 7.45, the carboxyl group of an amino acid is 

dissociated and the amino group is protonated

it is called Dipolar ion or ampholyte, 

or zwitter ion. 

29 


background image

Acid-Base Behavior of Amino acids 

The Zwitterion can donate proton (H

+

)   

 
 
 
 
 
 

 

And can accept proton, too.

 

 

 
 
 
 
 
 
 

30 


background image

Acid-Base Behavior of Amino acids 

At low pH an amino acid is in its cationic form with both its amino and carboxyl groups are 

protonated (NH3+  and COOH). 

As the pH rises, the carboxyl group loses its proton and the ampholyte form appear at about 

pH 6. 

With  a  further  increase  in  pH  the  amino  group  (NH3+)  is  deprotonated,  resulting  in  the 

anionic form of the molecule. 

For example: 

 

31 


background image

The  isoelectric  point  is  the  pH  at  which  an 

amino  acid  is  electrically  neutral  that  is,  in 

which the sum of the positive charges equals 

the sum of the negative charges. For alanine, 

that  has  only  two  dissociable  hydrogens 

(one  from  the  α-carboxyl  and  one  from  the 

α-amino group), the pI is the average of pK1 

and pK2 

Titration curve of amino acids with  

not ionizable R groups.  

32 


background image

Amino  acids  with  ionizable  R 

groups  have  additional  ionic 

species,  depending  on  the  pH  of 

the medium and the pKa of the R 

group. 

For glutamic acid:  

pI  is  the  average  of  pK1  and 

pK

R.

 

Titration curve of Amino acids with ionizable R groups  

33 


background image

For  histidine  and  other  basic 

amino acids:  

pI  is  the  average  of  pK

2

  and 

pK

R. 

 

At pH = pI, amino acid bears no 

net  charge  and  therefore  does 

not move in an electric field. 

Titration curve of Amino acids with ionizable R groups  

34 


background image

Peptide Bond 

One of the most  Important Reactions of Amino Acids is the formation 

of peptide bond by the condensation of two amino acids. 

 

35 


background image

MGD 2016/ DR. Al-BARQAAWI 

Key feature of the peptide bond 

• All the atoms of the bond are in the same plane. 
• No rotation about the peptide bonds due to double bond characteristics. 
• Carbonyl  oxygen  and  Amide  hydrogen  are  in  the 

trans

  orientation, 

because of steric clashes that occur in the cis form. 

 

36 


background image

The peptide has a direction 

37 


background image

The  Peptides  are  named  beginning  with  the  aminoterminal  residue,  which  by  convention  is 

placed 

at 

the 

left.  

For 

example, 

the 

below 

pentapeptide 

named. 

serylglycyltyrosylalanylleucine 

38 

Peptide Nomenclature  


background image

Ionization of peptide 

Alanylglutamylglycyllysine. 

This 

tetrapeptide  has  one  free  -amino  group, 

one  free  -carboxyl    group,  and  two 

ionizable  R  groups.  The  groups  ionized 

at pH 7.0 are in red 

39 


background image

Proteins  

 Proteins are polypeptides of 20 different amino acids, in a sequence encoded by 

the gene 

 The polypeptide chain folds into a complex and highly specific three-

dimensional structure, determined by the sequence of amino acids  

 The folding of proteins depends on the chemical and physical properties of the 

amino acids 

The amino acids that make up a protein contribute to the folding and function of 

that protein. The side chains those of the amino acids are more important in a 

polypeptide as they contribute to the charge seen on the protein. 

40 


background image

Isoelectric Point (pI) Of Protein 

• The  isoelectric  point  (pI)  is  the  pH  at  which  a  protein  has  no  overall  net 

charge, so can not move in electrical feild.  

• Acidic proteins contain many negatively charged amino acids and have a low 

pI.  

• Basic proteins contain many positively charged amino acids and have a high 

pI.   

41 


background image

42 

S
u
m
m
a
r


background image

Thank you  

for attention 

43 




رفعت المحاضرة من قبل: Muhammed Jabir
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 100 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل