Introducción a la Bioquímica

INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA Yolanda Salazar Granizo

BIOQUÍMICA

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BIOQUÍMICA •  El término Bioquímica fue acuñado por el fisiólogo y químico alemán Felix von Hoppe-‐ Seyler (1825 -‐ 1895), quien en 1866 orientó en la Universidad de Tübingen la primera cátedra de fisiología química organizada en la comunidad cienYfica.

El objeto de estudio de la Bioquímica

•  La bioquímica es la ciencia que explica la vida u[lizando el lenguaje de la química, estudia los proceso biológicos a nivel molecular empleando técnicas químicas, ]sica y biológicas.

El obje[vo fundamental de la bioquímica consiste entonces, en estudiar la estructura, organización y las funciones de los seres vivos desde el punto de vista molecular.

El objeto de estudio de la Bioquímica

Durante el trabajo de laboratorio en bioquímica, se hace necesario poner adecuadamente en prac@ca las normas de seguridad.

El objeto de estudio de la Bioquímica La bioquímica puede dividirse en tres grandes campos de estudio: •  Estructural: estudia la composición, conformación, configuración, y estructura de las moléculas de las células, relacionándolas con su función bioquímica.

•  Metabólica: estudia las transformaciones, funciones y reacciones químicas que sufren o llevan a cabo las moléculas en los organismos vivos.

•  Molecular: estudia la química de los procesos y moléculas implicados en la transmisión y almacenamiento de información biológica.

Bioquímica un lenguaje común •  Disciplinas cienYficas relacionadas con la bioquímica

•  Gené[ca •  Fisiología •  Inmunología •  Farmacología y Farmacia •  Toxicología •  Patología •  Microbiología •  Medicina •  Enfermería •  Nutrición •  Ciencias de la salud

Procesos bioquímicos alterados y enfermedad •  La organización Mundial de la Salud (OMS) define la salud como el estado de «bienestar ]sico, mental y social completo, y no solamente la ausencia de enfermedad»

•  Sin embargo desde un punto de vista bioquímico, la enfermedad puede ser entendida como una alteración en los procesos que se realizan dentro de los organismos vivos y que pueden conducir a la muerte de éste.

Bioelementos •  Los bioelementos o biogénicos son los elementos químicos que cons[tuyen los seres vivos. De acuerdo a su abundancia se clasifican en:

•  Primarios: H, C, O , N •  (representan el 99.3%) •  Secundarios: Ca, P, K, S, •  Na, Cl, Mg, Fe (»0,7%) •  Oligoelementos: Mn, I, Cu. Co, Zn, F, Mo, Se (trazas)

Bioelementos Así mismo, los bioelementos pueden ser clasificados de acuerdo a la función que desempeñan en el organismo: •  Estructural: mantenimiento en la estructura del organismo (H, O, C, N, P, S)

•  Esquelé@ca: confieren rigidez (Ca, Mg, P, Si)

•  Energé@ca: forman parte de moléculas energé[cas (C, O, H, P)

•  Catalí@ca: catalizan reacciones y •  procesos bioquímicos (Fe, Co, Cu, I) •  Osmó@ca y Electrolí@ca: man[enen y regulan fenómenos osmó[cos y potencial electroquímico (Na, K, Cl)

Biomoléculas Las moléculas cons[tuyentes de los s e r e s v i v o s s e denom inan biomoléculas. A su vez, atendiendo a su naturaleza, éstas se pueden clasificar en: •  I norgán i cas : agua , gases (oxígeno, dióxido de carbono), sales inorgánicas (bicarbonato)

•  Orgánicas: glúcidos (glucosa), lípidos (colesterol), proteínas (hemoglobina), ácidos nucleicos (ADN y ARN).

Biomoléculas •  Las biomoléculas pueden ser también clasificadas de acuerdo con su grado de complejidad así:

•  Precursores: agua, dióxido de carbono (M<50 Da)

•  Intermedios metabólicos: p.ej., •  piruvato y citrato (M >50 -‐ 200 Da) •  U n i d a d e s e s t r u c t u r a l e s : monosacáridos, ácidos grasos, aminoácidos, nucleó[dos (M= 100-‐ 300 Da)

•  Macromoléculas: polisacáridos, grasas, proteínas y ácidos nucleicos.

•  Supramacromoléculas: p.ej., croma[na (ADN y proteína) o membranas (lípidos y proteínas)

Los cromosomas son estructuras discretas, independientes y organizadas de ADN, visibles durante el proceso de división celular.

Homeostasis •  Walter Bradford Cannon un fisiólogo estadounidense, en 1932 definió el concepto de homeostasis como la tendencia general de todo organismo a restablecer su equilibrio interno cada vez que éste es perturbado.

Walter Bradford Cannon (1871-‐ 1945) expandió el concepto de h o m e ó s t a s i s f o r m u l a d o inicialmente por el fisiólogo francés Claude Bernard (1913-‐ 1878)

Homeostasis Tal definición se ha ampliado, y hoy se puede entender la homeostasis como el conjunto de mecanismos reguladores que permiten que el ambiente interno de un sistema se mantenga constante y estable. En el organismo humano son importantes los siguientes sistemas de regulación: •  Regulación de gases respiratorios. •  Osmoregulación: agua y electrolitos. •  Termorregulación. •  Rutas Metabólicas

Leonardo da Vinci (1487). El hombre de Vitrubio o Canon de las proporciones humanas

Homeostasis •  La homeostasis de un organismo i nvo luc ra una c o m p l e j a dinámica entre factores internos, p . e j . , e l metabolismo y factores externos, p.ej., condiciones de temperatura y disponibilidad de gases

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Estructura Celular La célula es la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo. Existen dos [pos principales de células, las procariotas y las eucariotas, é s t a s ú l [mas s i endo s i s t emas más evolucionados que las primeras. Este sistema general de clasificación responde a la existencia o no de un núcleo delimitado por membranas. •  En función del número de células que los cons[tuyen, los organismos vivos pueden clasificarse

•  en unicelulares si están cons[tuidos por una única célula, o pluricelulares si los conforman más de una célula. Las células suelen poseer un tamaño que oscila alrededor de los 10 µm y poseen una masa promedio de 1 ng.

Modelo de célula eucariota

Estructura Celular Los postulados de la teoría celular afirman que: •  La célula es la unidad morfológica de todo ser vivo.

•  Toda célula deriva de una célula.

•  Las funciones vitales (nutrición, crecimiento y mul[plicación, diferenciación, evolución), ocurren y son controladas en el interior de las células.

•  Cada célula con@ene la i n fo rmac ión he red i ta r i a necesaria para el control de su propio ciclo, así como para la t r a n s m i s i ó n d e e s a información a la siguiente generación celular.

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Tabla Periódica

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Tabla Periódica

•  La tabla periódica organiza los elementos químicos de acuerdo al valor de su número atómico, y permite agruparlos en función de propiedades químicas y ]sicas semejantes.

•  Es una herramienta que relaciona las propiedades de los elementos en forma sistemá@ca y ayuda a hacer predicciones con respecto al comportamiento químico.

Reacción Química •  Los cambios químicos, a diferencia de los cambios ] s i c o s i m p l i c a n e l rompimiento y formación de nuevos enlaces, lo que conlleva la transformación de las sustancias . En este sen[do, se puede entender por reacción química, como aquel proceso en el que una o más sustancias cambia

En el interior del organismo ocurren gran can@dad de reacciones químicas. Cuando nos alimentamos, el cuerpo metaboliza los nutrientes y ob@ene la energía necesaria para realizar todos los procesos vitales.

Tipos de reacciones química

•  Reacciones de combinación: Son reacciones en las que una o más sustancias se combinan para formar un solo producto de reacción.

A + B → C

•  Reacciones de descomposición •  Las reacciones de descomposición pueden entenderse como el proceso inverso a las reacciones de combinación. De esta forma, son reacciones en las que a par[r de una única sustancia reaccionante, se ob[enen dos o más sustancias como producto

C → A + B



•  Reacciones de desplazamiento o sus[tución •  Este [po de reacciones [ene lugar cuando un ion o átomo de un compuesto se reemplazada por un ion o átomo de otro elemento.

AB + C → AC + B


•  Reacciones de intercambio •  Este [po de reacciones o c u r r e c u a n d o d o s sus tanc ias d i fe rentes intercambian entre sí un átomo, grupo de átomos o ion, formando así dos nuevas sustancias.

AB + CD → AC + BD

Tipos de reacciones químicas

•  Reacciones de oxidación-‐reducción

Son aquellas en las que ocurre un cambio en los estados de oxidación de las sustancias reaccionantes. El estado de oxidación es la carga aparente con la que un elemento trabaja en un compuesto o especie química.

Tipos de reacciones química Reacciones de oxidación-‐reducción Una sustancia que oxida a otra se conoce como agente oxidante, mientras que una que reduce a otra se denomina agente reductor. En toda reacción de oxidación-‐reducción hay una sustancia que se oxida y otra que se reduce: nunca se [ene un proceso sin el otro

Tipos de reacciones química •  Reacciones de oxidación-‐reducción

La oxidación del metanol produce formaldehído y ácido fórmico, los cuales son más tóxicos que el metanol. Una ingesta inapropiada de metanol puede originar ceguera y hasta la muerte.

Tipos de reacciones química •  Reacciones exotérmicas y endotérmicas

•  Son reacciones exotérmicas aquellas que liberan energía, mientras aquellas que absorben energía se denominan como endotérmicas. Debe hacerse notar sin embargo, que todas las reacciones químicas requieren una fuente inicial de energía que se d e n o m i n a e n e r g í a d e ac@vación.

En las bolsas de frío instantáneo se mezclan agua y nitrato de amonio, proceso éste que es endotérmico lo q u e c o n l l e v a a u n a r á p i d a disminución de la temperatura.


•  Reacciones reversibles e irreversibles En una reacción reversible se alcanza un equilibrio dinámico entre los reactantes y los productos, mientras que de otra parte, en una reacción irreversible las sustancias de par[da se transforman en los productos no pudiendo de nuevo obtener las sustancias iniciales.

Funciones Químicas

•  Se llama función química al con jun to de p rop i edades comunes que caracterizan a un conjunto de sustancias que permiten caracterizarlas y diferenciarlas. Este [po de s u s t a n c i a s [ e n e n u n comportamiento prop io y específico en los procesos químicos. Las sustancias que pertenecen a una función química determinada poseen en sus moléculas un átomo o grupo de átomos de cons[tución análoga que las caracterizan, que se denomina/n grupo funcional.

El vinagre consiste en una mezcla de ácido acé@co –un ácido orgánico-‐ y agua. Se emplea comúnmente como aderezo o como preservante de alimentos.

Funciones Químicas

•  Funciones químicas inorgánicas

•  Poco abundante en la corteza terrestre (0.027%). Se encuentra puro (grafito, diamante) y combinado formando sales (carbonatos).

•  Su importancia radica en su presencia en los seres vivos. •  Hace 150 años se le denominó compuesto orgánico. •  Gran facilidad para enlazarse con otros átomos pequeños. •  La química de los organismos vivos se organiza alrededor del carbono, que

representa más de la mitad del peso seco de las células. El carbono puede formar enlaces simples con átomos de hidrógeno y tanto enlaces simples como dobles con los átomos de oxígeno y de nitrógeno.

•  El dióxido de carbono (CO2) es un componente secundario de la atmósfera. Contribuye al llamado efecto invernadero. Es la fuente de C para todas las moléculas orgánicas halladas en los organismos.

•  El monóxido de carbono (CO) es un gas tóxico porque interfiere en la capacidad de la hemoglobina de unirse al oxígeno

Carbono

•  L a m a y o r í a s o n compuestos orgánicos (esqueleto carbonado).

•  Los C pueden formar c a d e n a s l i n e a l e s , ramificadas y circulares.

•  Al esqueleto carbonado se le añaden grupos de otros átomos, llamados grupos funcionales.

•  L a s p r o p i e d a d e s q u í m i c a s v i e n e n determinadas por los grupos funcionales

Biomoléculas

Moléculas sencillas: metabolitos y unidades estructurales (glucosa, piruvato, ácidos grasos).

Carbono

Enlace Químico •  La fuerza que man[ene los átomos unidos en un compuesto se denomina enlace químico y es producto del so lapamiento de orb i ta les atómicos. Existen tres [pos generales de enlace: covalente, iónico y metálico. Los enlaces pueden ser sencillos o múl@ples (dobles y triples). Un enlace sencillo consta de un enlace [po s (sigma); un enlace doble de un s y uno π (pi), y un enlace triple de un s y dos π.

Representación de la estructura atómica indicando las paraculas elementales que la cons@tuyen.

Enlace Químico Enlace Covalente: Los átomos pueden formar enlaces compar[endo electrones. Esos enlaces son llamados enlaces covalente y la colección de átomos resultante de denomina molécula. Si los átomos que comparten pares de electrones [enen un valor igual o cercano en sus electronega[vidades, el enlace covalente formado se denomina apolar. Por el contrario, si los átomos poseen valores diferentes en sus electronega[vidades la compar[ción de electrones será desigual y el enlace covalente resultante se denomina polar

Enlace Químico Enlace Iónico: Resulta de la atracción entre iones. Un ion es un átomo o grupo de átomos que [ene una carga neta posi[va (ca[ones) o nega[va (aniones). Dado que los aniones y los ca[ones [enen cargas opuestas, estos se atraen mutuamente. Esta fuerza de atracción electrostá[ca es llamada enlace iónico. •  Valga señalar que en el enlace iónico no se presenta compar[ción de electrones, dada la elevada diferencia de electronega[vidad entre los átomos que par[cipan en el enlace

Representación estructural de la sal cloruro de li@o, un ejemplo de un compuesto iónico. Nótese la organizada red cristalina que se forma.

Fórmulas Químicas •  La fórmula química indica el [po de elementos

que forman una sustancia y la proporción en que se encuentran. Además puede brindar información acerca de cómo se unen los átomos en una molécula y su distribución espacial.

•  Fórmula condensada: indica el [po de átomos presentes en un compuesto y el número de átomos de cada clase.

•  Fórmula semidesarrollada: indica los enlaces entre los diferentes grupos de átomos para resaltar, sobre todo, los grupos funcionales que aparecen en la molécula.

•  Fórmula desarrollada: indica todos los enlaces de una sustancia representados sobre en el plano.

•  Fórmula estructural: señala la geometría espacial de la molécula mediante la indicación de distancias y ángulos de enlace.

Fórmulas Químicas •  Composición: número de cada átomo presente

en una sustancia (Ej. En el agua hay dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno).

•  Cons*tuc ión : seña la l a secuenc ia y caracterís[cas de los enlaces (Ej. En el agua hay dos enlaces covalentes O-‐H, de carácter polar, con ángulos de enlace de 104,5° y 0,96 A de longitud ).

•  Configuración: alude a la relación geométrica (distribución y organización) de un grupo dado de átomos en una molécula. La interconversión de alterna[vas configuracionales requiere la ruptura y reorganización de enlaces.

•  Conformación: disposición espacial rela[va de los átomos en una molécula. Los confórmeros están en equilibrio y la interconversión ocurre sin rotura de enlaces.

Ecuación Química •  Las transformaciones que suceden en una reacción química, pueden ser representadas simbólicamente a través de una ecuación química. Una ecuación química debe sa[sfacer algunas condiciones entre las que se encuentran: estar balanceadas, mostrar los reactantes y productos por medio de fórmulas químicas, indicar las fases de agregación de cada sustancia reaccionante y señalar las condiciones de reacción.

Fundamentos

Fundamentos Físicos •  Las células han desarrollado, a lo largo de la evolución, mecanismos muy eficientes para el acoplamiento de la energía obtenida de la luz solar o de los combus[bles con muchos pro-‐cesos celulares que consumen energía. Uno de los obje[vos de la bioquímica es la comprensión, en términos químicos y cuan-‐[ta[vos, de los mecanismos de extracción, canalización y con-‐sumo de la energía en las células vivas. Podemos considerar las conversiones de la energía celular en el contexto de las le-‐yes de la termodinámica.

•  Los organismos vivos existen en u n e s t a do e s t a c i o n a r i o dinámico y no se encuentran nunca en equilibrio con los de su entorno.

•  Los organismos transforman energía y materia de su entorno.

Sistema, entorno, universo Aislado, Cerrado, Abierto Nutrientes, Luz solar. •  E l fl u j o d e e l e c t r o n e s

proporciona energía para los organismos.

Fundamentos físicos

•  Las células no fotosinté[cas extraen energía para sus neces idades mediante la oxidación de los productos ricos en energía.

•  El DNA, el RNA y las proteínas son macromoléculas informa[-‐vas. Además de usar energía química para formar los enlaces c o v a l e n t e s e n t r e l a s s u b u n i d a d e s d e e s t o s polímeros, las célu-‐las deben inver[r energía para ordenar l a s s u b u n i d a d e s e n s u secuencia correcta.


•  La cues[ón central de la bioenergé@ca es el modo mediante el cual la energía obtenida de la luz o del metabolismo de los com-‐bus[bles se acopla a la energía requerida por las reacciones celulares.

•  Todas las reacciones químicas celula-‐res [enen lugar a una velocidad significa[va gracias a la presencia de enzimas -‐biocatalizadores que provocan un gran incremento en la velocidad de reacciones químicas específicas sin consumirse en el proceso.

•  Las células vivas no son sólo capaces de sinte[zar simultánea-‐mente miles de clases diferentes de moléculas sino que ade-‐más son capaces de hacerlo en las proporciones precisas que son necesarias para la célula en cualquier situación


Metabolismo •  El metabolismo es la suma de muchas secuencias de reacciones interconectadas en las que se interconvierten metabolitos celulares. Cada secuencia está regulada de manera que produzca lo que la célula necesita en cada momento y consuma sólo la energía necesaria.

Fundamentos Genéticos •  Posiblemente, la propiedad más notable de las células y orga-‐nismos vivos es su capacidad para reproducirse con fidelidad casi perfecta a lo largo de incontables generaciones. Esta con-‐[nuidad de rasgos heredados implica que, a lo largo de millones de años, la estructura de las moléculas que con[enen la infor-‐mación gené[ca ha debido permanecer constante.

•  Acido desoxirribonucleico o DNA, los nucleó[dos (o más e x a c t a m e n t e , l o s desoxirribonucleó[dos) de este p o l í m e r o l i n e a l , l l e v a codificadas las instrucciones para formar todos los demás componentes celu-‐lares y actúa además como molde para la producción de molé-‐culas idén[cas de DNA que serán distribuidas a la progenie al dividirse la célula.

•  La estructura del DNA hace pos ib le su rep l i cac ión y reparación casi perfecta.

•  La secuencia lineal del DNA c o d i fi c a p r o t e í n a s c o n estructura tridimensionales.

Fundamentos Genéticos

•  La información gené[ca está codificada en la secuen-‐cia lineal de cuatro desoxirribonucleó[dos en el DNA.

•  La molécula de DNA en doble hélice con[ene un molde interno que permite su propia replicación y reparación.

•  La secuencia lineal de aminoácidos de una proteína, codificada en el DNA del gen de esa proteína, da lugar a una estructura tridimensional proteica que es exclusiva para esa proteína.

•  Ciertas macromoléculas individuales con afinidad específica para con otras macromoléculas forman complejos supramoleculares

Resumen

Fundamentos Evolutivos •  El alto grado de similitud entre las vías metabólicas y las secuencias génicas de organismos, es un robusto argumento a favor de la hipótesis de que todos los organismos modernos comparten un progeni-‐tor evolu[vo común y derivaron a par[r de él a través de una larga serie de pequeños cambios (mutaciones) que conferían, en cada caso, mas ventaja selec[va a un organismo dado en un nicho ecológico concreto.

•  A pesar de la fidelidad casi perfecta de la replicación gené[ca, ciertos errores muy poco frecuentes que no han sido repara-‐dos durante la replicación del DNA producen variaciones e n l a s e c u e n c i a nucleoYdica del DNA, d a n d o l u g a r a u n a mutación.

Fundamentos Genéticos

Química de la Vida.

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