INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA

¿Qué estudia la Bioquímica?La bioquímica se encarga del estudio de las moléculas y las reacciones químicas de la vida. Es la disciplina que emplea los principios y el lenguaje de la química a fin deexplicar la biología a nivel molecular. [1]

1. La bioquímica es una ciencia moderna

1828

1897

1944

1890

1950-1960

1953

Friedrich Wöhler sintetizó el compuesto orgánico urea al calentar el compuesto inorgánico cianato de amonio.

Eduard Buchner demostró que los extractos de levaduras libres de células podían catalizar la fermentación de la glucosa para convertirla en alcohol y dióxido de carbono.

Emil Fischer realizó numerosas contribuciones para la comprensión de las estructuras y funciones de las moléculas biológicas, propuso la teoría de la cerradura y la llave de la acción enzimática

Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty realizaron un experimento con el cual proporcionaron la primera evidencia concluyente de que el ADN es el material genético.

Científicos de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) dirigidos por John C. Kendrew y Max Perutz explicaron las primeras estructuras de las proteínas.

James D. Watson y Francis H. C. Crick dedujeron la estructura tridimensional del ADN. [2]

2. Los elementos químicos de la vida

Carbono

OxigenoNitrógeno

Hidrogeno

Azufre

Fósforo 97%Peso de la mayoría de

los organismos

Calcio Potasio Sodio Calcio

Magnesio Cloruro Mn, Fe, Co, Cu,

Zn,

V, Cr, Ni, Mo, Ga, Bo, Al, Si, As,

Se, Sn, I, F

3%Peso de la mayoría de

los organismos

[3]

Compuestos orgánicos

Grupos funcionales

Enlaces en compuestos bioquímicos

[4]

3. Macromoléculas

• Las estructuras químicas constituyen el vocabulario de la bioquímica.• Las moléculas muy grandes son llamadas macromoléculas• Por lo general, las macromoléculas biológicas• forman un polímero creado mediante la unión de muchas moléculas

orgánicas más pequeñas, o monómeros, por medio de condensaciones.• Cada monómero incorporado a una cadena macromolecular se

denomina residuo.

Monómero Polímero Macromolécula

[5]

3.1 Proteínas

• Son veinte los aminoácidos comunes que forman parte de las proteínas de todas las células.

• Cada aminoácido contiene un grupo amino y un grupo carboxilato, así como una

• cadena lateral (grupo R) que es única para cada aminoácido.

• Muchas proteínas funcionan como enzimas; otras son componentes estructurales de células y organismos.

• La función de una proteína depende de su estructura tridimensional, o conformación.

Aminoácido

Proteína

3.2 Polisacáridos• Están compuestos principalmente

por carbono, oxígeno e hidrógeno.• Todos los monosacáridos y los

residuos de los polisacáridos contienen varios grupos hidroxilo y son por tanto polialcoholes.

• La glucosa es el azúcar de seis carbonos más abundante, en estos polisacáridos, cada residuo de glucosa está unido en forma covalente al siguiente por un enlace covalente entre C-1 de una molécula de glucosa y uno de los grupos hidroxilo de la otra.

• La celulosa quizá sea el biopolímero más abundante sobre la Tierra debido a que constituye un componente importante de los tallos de las plantas de floración, incluyendo los troncos de los árboles.

Proyección de Fischer

(forma de cadena abierta)

Proyección de Fischer (forma

anular)

Conformación en sobre

Proyección de Haworth

3.3 Ácidos Nucleicos• Están compuestas por monómeros

llamados nucleótidos.• Los nucleótidos están compuestos

por un azúcar de cinco carbonos, una base nitrogenada heterocíclica y al menos un grupo fosfato.

• En los polinucleótidos, el grupo fosfato de un nucleótido está unido covalentemente al átomo de oxígeno C-3 del azúcar de otro nucleótido, con lo que se crea un segundo enlace fosfoéster.

• Los ácidos nucleicos contienen muchos residuos de nucleótido y les caracteriza

• un esqueleto que consiste en azúcares y fosfatos alternantes.

Azúcar de 5

carbonos

Base Nitrogenad

a

Grupo Fosfato

3.4 Lípidos y Membranas

• La mayor parte de los lípidos no es soluble en agua, pero se pueden disolver en algunos solventes orgánicos.

• De manera habitual los ácidos grasos se encuentran formando parte de moléculas más largas denominadas glicerofosfolípidos.

• Muchas veces los lípidos cuentan con una cabeza polar e hidrofílica y una cola no polar e hidrofóbica.

• Las membranas separan a las células o compartimientos intracelulares de sus entornos al actuar como barreras impermeables a casi todos los compuestos solubles en agua.

4. La energética de la vida

• El término metabolismo se refiere a la gran cantidad de reacciones en virtud de las cuales los compuestos orgánicos se sintetizan y degradan y mediante el que la energía útil se extrae, almacena y utiliza.

• El estudio de los cambios en la energía durante las reacciones metabólicas se denomina bioenergética.

• La bioenergética es parte del campo de la termodinámica, una rama de la ciencia física que estudia los cambios energéticos.

4.1 Velocidades de reacción y equilibrios

La velocidad, o aceleración, de una reacción química depende de la concentración delos reactivos.

La velocidad de la reacción es directamente proporcional al producto de las concentraciones de A y B.

Casi todas las reacciones bioquímicas son reversibles. Por convención, la constante de velocidad directa es k1 y la constante de velocidad inversa es k-1.

En algún momento, las velocidades de las reacciones directa e inversa serán iguales y no habrá un cambio adicional en las concentraciones de A, B, C y D. En otras palabras, la reacción alcanzará el equilibrio. En el equilibrio.La constante de equilibrio, Keq, está definida por la relación entre las concentraciones de producto y las concentraciones de reactivo.

4.2 Termodinámica

Si se conocen los cambios de energía vinculados a una reacción o proceso es posible predecir las concentraciones en equilibrio. La cantidad termodinámica que proporciona esta información es la energía libre deGibbs (G), llamada así por J. Willard Gibbs, quien describió por primera vez esta cantidaden 1878.

La espontaneidad de una reacción depende del cambio global en la energía libre de Gibbs.

Si se conoce la energía libre de Gibbs de todos los productos y todos los reactivos es más sencillo calcular el cambio de la energía libre de Gibbs para una reacción

La energía libre de Gibbs real de la sustancia A está relacionada con su energía libre estándar por:

4.3 Constantes de equilibrio y cambios en la energía libre estándar de Gibbs

Para una reacción determinada, como la reacción 1.3, el cambio real en la energía libre de Gibbs está relacionado con el cambio en la energía libre estándar por:

Ecuación en la que se relaciona el cambio estándar en la energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio.

5. La célula es la unidad básica de la vida

[6]

6. Células procarióticas: características estructurales

FlageloCilios

Plásmidos

Ribosomas

ADN

7. Células eucarióticas: características estructurales

Célula Animal

Célula Vegetal

• La estructura que lo define es una envoltura nuclear, una membrana con dos capas que se unen en los poros nucleares recubiertos de proteínas.

• El núcleo es el centro de control de la célula y contiene 95% de su ADN, el cual se halla estrechamente comprimido con proteínas cargadas positivamente llamadas histonas y enrolladas en una masa densa llamada cromatina.

• Es una especie de andamio de proteínas requerido para el sostén, organización interna e incluso movimiento de la célula.

• Está compuesto por tres tipos de filamentos de proteína: filamentos de actina, microtúbulos y filamentos intermedios.

• Los filamentos de actina están compuestos por una proteína llamada actina que forma hilos muy delgados parecidos a cuerdas con un diámetro de aproximadamente 7 nm.

• Los microtúbulos son fibras fuertes y rígidas que suelen encontrarse comprimidos en haces.

• Los filamentos recubren el interior de la envoltura nuclear y se extienden del núcleo hacia la periferia de la célula.

Núcleo Citoesqueleto

• Una red de hojas de membrana y túbulos llamada retículo endoplásmico (RE) se extiende desde la membrana externa del núcleo.

• La región acuosa encerrada dentro del retículo endoplásmico se denomina lumen.

• Complejo de sacos membranosos aplanados y llenos de líquido, se encuentra con frecuencia próximo al retículo endoplásmico y al núcleo.

• Las vesículas provenientes del retículo endoplásmico se fusionan con el aparato de Golgi.

Retículo Endoplasmatico

Citoesqueleto

• Las mitocondrias son los sitios principales del metabolismo oxidativo de la energía.

• La función más importante de la mitocondria consiste en oxidar los ácidos orgánicos, ácidos grasos y aminoácidos para convertirlos en dióxido de carbono y agua.

• Los cloroplastos son los sitios en los que se realiza la fotosíntesis en plantas y algas.

• Además de una membrana externa doble, los cloroplastos contienen una tercera membrana

• interna altamente plegada que forma un sistema de sacos aplanados denominada

• membrana tilacoide.

Mitocondrias Cloroplastos

• Las células eucarióticas contienen vesículas digestivas especializadas llamadas lisosomas. Estas vesículas están circundadas por una sola membrana que encierra un interior muy ácido.

• Los peroxisomas desempeñan reacciones de oxidación, algunas de las cuales producen el compuesto tóxico peróxido de hidrógeno, H2O2.

• Las vacuolas son vesículas llenas de líquido rodeadas por una sola bicapa lipídica. Estas vesículas son sitios de almacenamiento de agua, iones y nutrientes como la glucosa.

Vesículas especializadas

Anexos

[1] La bioquímica es una rama de la biología que se encarga del estudio de las moléculas y reacciones químicas de la vida, por lo tanto se puede decir que es un área de la química que se especifica en los organismos vivos explicando los procesos de sus reacciones a nivel molecular y utilizando el lenguaje propio de la química. Mediante el estudio de la bioquímica, al paso de los años se ha descubierto que la mayoría de los compuestos químicos y los procesos metabólicos centrales son los mismos que se encuentran en organismos muy diferentes como bacterias, plantas y humanos, por lo tanto los principios básicos de la bioquímica son comunes a todos los organismos vivos. Para facilitar la comprensión de los principios básicos de la bioquímica se estudian especies diferentes para identificar patrones y temas comunes.

[2] La bioquímica a existido como tal desde hace 100 años mas no obstante las bases para el campo de trabajo que dieron pie a su surgimiento han existido desde hace muchos siglos atrás. A través de la historia se han dado varios descubrimientos significativos en esta ciencia, pero los mas importantes son: el descubrimiento de la función catalítica de las enzimas y la función de los ácidos nucleicos como moléculas transportadoras de información. Otros números descubrimientos han marcado la historia del desarrollo de la bioquímica, entre los cuales se encuentran los siguientes: en 1828 Fiedrich Wohler sintetizo el compuesto orgánico urea al calentar el compuesto orgánico cianato de amonio, con lo cual logro demostrar por primera vez que a partir de sustancias inorgánicas comunes era posible sintetizar los compuestos que se encuentran exclusivamente en los organismos vivos. Uno de los descubrimientos mas importantes de la bioquímica se le adjudica a Eduard Buchner, quien identifico las enzimas como catalizadores de las reacciones bioquímicas, para lo cual demostró que los extractos de levaduras libres de células podían catalizar la fermentación de la glucosa para convertirla en alcohol y dióxido de carbono. Emil Fischer se encargó de investigar la naturaleza de los catalizadores biológicos. Fischer propuso que durante la catálisis una enzima y su reactante, o sustrato, se combinaban para formar un compuesto intermedio. También propuso que sólo una molécula con una estructura adecuada podía servir como sustrato de una determinada enzima. Fischer describió las enzimas como moldes rígidos, o cerraduras, y a los sustratos como sus llaves correspondientes…

…En las décadas de 1950 y 1960, científicos de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) dirigidos por John C. Kendrew y Max Perutz explicaron las primeras estructuras de las proteínas. Desde entonces, se han determinado las estructuras tridimensionales de más de 1,000 proteínas diferentes y la comprensión de la compleja bioquímica de las proteínas se ha incrementado de manera significativa. El segundo gran descubrimiento en la historia de la bioquímica —la identificación de los ácidos nucleicos como moléculas de información— se suscitó medio siglo después de los experimentos de Fischer y Buchner. En 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty extrajeron ácido desoxirribonucleico (ADN) de una cepa tóxica de la bacteria Streptococcus pneumoniae y lo mezclaron con una cepa no tóxica del mismo microorganismo. Como resultado, la cepa no tóxica se transformó de manera permanente en una cepa tóxica.

[3] El carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, fosforo y azufre representan el 97% del peso de la mayoría de los organismos y todos estos elementos pueden formar enlaces covalentes estables y las cantidades exactas en cada organismo varían siendo el agua el principal componente de las células y representa un alto porcentaje de oxigeno. El carbono es mucho mas abundante en los organismos que en el resto del universo. Los iones de calcio, potasio, sodio, magnesio y cloruro son esenciales en todas los organismo vivientes, además otros elemento como el silicio, aluminio, hierro y entre otros son muy comunes en la corteza terrestre pero están presentes en las células solo como trazas.

[4] En estas imágenes se aprecian los grupos funcionales mas comunes en la bioquímica, así como los compuestos orgánicos y los enlaces en compuestos bioquímicos. Como es posible observar entre los compuestos orgánicos se encuentra el alcohol, aldehído, cetona, tiol, entre otros; por otra parte entre los principales grupos funcionales se encuentran el hidroxilo, acilo, carbonilo, carboxilato, sulfhidrilo, amino, fosfato y fosforilo. Por ultimo en los enlaces en compuestos bioquímicos tenemos al éster, éter, amida, éster fosfato y fosfoanhidrido.

[5] Así, en orden ascendente tenemos que un conjunto determinado de monómeros conforman una cadena de un polímero, y a su vez un conjunto de polímeros dan lugar a una macromolécula. Todos los residuos en una macromolécula son alineados en la misma dirección, y los extremos de la macromolécula son químicamente diferentes. Las macromoléculas tienen propiedades que son muy diferentes de las de sus monómeros constitutivos. Por ejemplo, el almidón no es soluble en agua y no tiene un sabor dulce, a pesar de ser un polímero de la glucosa. Observaciones como ésta han llevado a la formulación del principio general de la organización jerárquica de la vida. Cada nivel de esta organización supone propiedades que no se pueden predecir con base únicamente en las del nivel anterior. Los niveles de complejidad, en orden creciente, son átomos, moléculas, macromoléculas, orgánulos, células, tejidos, órganos y organismos enteros. [6] La celula es considerada la unidad de la vida y consiste en una estructura perfectamente organiza que realiza diversas tarea. Los organismos vivos pueden ser unicelulares o pluricelulares. Una sola célula simple puede ser representada como una gota de agua rodeada por una membrana plasmática. La gota de agua contiene materia disuelta y suspendida, como proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos. El alto contenido lipídico de las membranas las hace flexibles y de cierre automático. Debido a que las membranas representan barreras impermeables contra moléculas grandes y especies cargadas, permiten que las concentraciones biomoleculares dentro de las células sean mucho más altas que en el medio circundante.