BIOQUIMICA Introducción La bioquímica estudia la base molecular de la vida. En los procesos vitales interaccionan un gran número de substancias de alto peso molecular o macromoléculas con compuestos de menor tamaño, dando por resultado un número muy grande de reacciones coordinadas que producen la energía que necesita la célula para vivir, la síntesis de todos los componentes de los organismos vivos y la reproducción celular. Al conjunto de reacciones que suceden dentro de los seres vivos se le llama metabolismo. Actualmente se conoce a detalle la estructura tridimensional de las macromoléculas de mayor importancia biológica, los ácidos nucleicos y las proteínas, lo que ha permitido entender a nivel molecular sus funciones biológicas. Gracias al conocimiento de la estructura de los ácidos nucleicos, se esclarecieron los mecanismos de transmisión de la información genética de generación a generación, y también los mecanismos de expresión de esa información, la cual determina las propiedades y funciones de las células, los tejidos, los órganos y los organismos completos. Conocer a detalle la estructura de varias proteínas ha sido muy útil en la elucidación de los mecanismos de las reacciones enzimáticas. Prácticamente todas las reacciones que integran el metabolismo son reacciones enzimáticas. El tipo de especie química y los mecanismos de acción que intervienen en el almacenamiento, replicación y transferencia de la información genética, así como las reacciones que forman el metabolismo son prácticamente idénticas, desde las bacterias hasta los organismos superiores. No todas las células contienen y expresan la misma información, pero las reacciones que sí llevan a cabo, utilizan enzimas practicamente idénticas. De hecho las diferencias y similitudes entre ellas se han utilizado para establecer la secuencia de aparición de las especies. Los virus tienen algunas variantes, por ejemplo; los cromosomas de los retrovirus están constituidos por moléculas de ARN y en algunos fagos (virus que atacan a las bacterias) tienen ADN de una sola cadena. Los virus no cuentan con un metabolismo que les permita vivir en forma autónoma, sólo se pueden reproducir y expresarse dentro de las células que invaden. Las reacciones que constituyen el metabolismo están localizadas en determinadas estructuras celulares que forman unidades discretas que se llaman organelos. Las reacciones se llevan a cabo en los lugares en donde se encuentran las enzimas que las catalizan. La célula no es un saco sin estructura, sino que es un sistema muy complejo y altamente organizado. En la subsección 1.1.2, denominada Citología, se encontrará la descripción de las estructuras celulares. En seguida vamos a presentar la información más relevante, para la toxicología, sobre las macromoléculas biológicas en lo que se refiere a su estructura y función. Frecuentemente se mencionará la localización dentro de la célula de los sitios donde se sintetizan y actúan. Importancia de la bioquímica en los alimentos La Bioquímica estudia y desarrolla las tecnologías tendientes a resolver problemas de estructura y funcionamiento de la materia viva, desde una perspectiva química biológica. Este aspecto cubre la formación en el campo de la fisiología animal y vegetal que le permite
interpretar, a través de las ciencias exactas el funcionamiento de los procesos que regulan la vida normal y patológica, macro y microscópica. Así mismo el enfoque químico biológico adquirido da el conocimiento y la herramienta indispensable para desarrollar los procesos biotecnológicos actuales, en el área biomédica y de alimentos. (vacunas, hormonas, mejoramiento de especies tanto vegetales como animales, etc.) En el permite nutritivo efectuar forense.
área de ALIMENTOS por su base científica, la bioquímica le formular nuevos productos, controlar y mejorar el valor y la calidad de los alimentos. La preparación le capacita para el control toxicológico de alimentos, fármacos y Toxicología
Los conocimientos impartidos en el campo de la Química, le permite brindar su aporte a la industria extractiva de productos naturales e industrias químicas relacionadas a la profesión. objetivos - Conocer la naturaleza química de los componentes de los alimentos y el papel que juegan en las propiedades de los alimentos. - Adquirir una visión de conjunto de cómo dichos componentes se van a comportar en el alimento, durante su procesado, elaboración y almacenamiento. Comprender las transformaciones que dichos componentes de los alimentos sufren, tanto positivas como negativas para la calidad del alimento y los parámetros de los que dependen. Conocer las principales causas de alteración química y bioquímica de los alimentos y los mecanismos de los que se dispone para controlarlas. APLICACIONES: El resultado de la aplicación de la Ingeniería Bioquímica ha sido benéfico para el ser humano, al generar mejoras en la salud y en lo social. Ha contribuido en la investigación y en la economía, tanto en el pasado como en el presente de la humanidad. El ingeniero en Bioquímica será capaz de: Generar conocimientos científicos y tecnológicos a través del planteamiento y desarrollo de proyectos aplicando metodologías de investigación experimental
Detectar y analizar problemas de relevancia en procesos productivos, planteando alternativas de solución originales e innovadoras. Desempeñar actividades docentes de investigación en instituciones de Educación Superior y en Centros de Investigación Especializados. Carreras Semi presenciales: La modalidad semi presencial ha sido diseñada con el objetivo de atender a personas que por
distintas razones no han iniciado todavía sus estudios universitarios o por diversos motivos no los han culminado, sin que esto de ninguna manera excluya necesidades particulares de cualquier interesado en adquirir un título de tercer nivel.
PRINCIPIOS DE LA BIOQUIMICA La bioquímica tiene como objetivo explicar las estructuras y funciones biológicas en términos químicos. Uno de los enfoques que se han mostrado más productivos para la comprensión de los fenómenos biológicos parte de la purificación a partir de organismos vivos de componentes químicos individuales, como pueden ser las proteínas, para caracterizar su estructura química o su actividad catalítica. Al comenzar el estudio de las biomoléculas y sus interacciones, algunas cuestiones básicas requieren nuestra atención. ¿Qué elementos químicos pueden encontrarse en la células?¿Qué tipos de moléculas conforman la materia viva? ¿En que proporciones se hallan?¿Cómo llegaron a formar parte de ella?¿De que manera las moléculas presentes en las células vivas son especialmente adecuadas para cumplir su cometido?. A principios del siglo diecinueve resultaba claro para los químicos que la composición de la materia viva era sorprendentemente diferente de la del mundo inanimado. Antoine Lavoisier (1743-1794) observó la relativa simplicidad del mundo mineral y la contrasto con la complejidad de los mundos vegetal y animal; estos últimos estaban formados por compuestos ricos en los elementos carbono, nitrógeno y fósforo. Una sola célula bacteriana contiene alrededor de 5000 clases distintas de moléculas y una célula vegetal o animal tiene aproximadamente el doble. Estas miles de moléculas, sin embargo, están compuestas de relativamente pocos elementos (CHNOPS). El agua constituye entre el 50 y el 95% de un sistema vivo, y los iones pequeños tales como K, Na y Ca dan cuenta de no más del 1%. Casi todo el resto, hablando en términos químicos, está compuesto de moléculas orgánicas. En los organismos se encuentran cuatro tipos diferentes de moléculas orgánicas en gran cantidad: carbohidratos, lípidos, proteínas y nucleótidos. Todas estas moléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Además, las proteínas contienen nitrógeno y azufre, y los nucleótidos, así como algunos lípidos, contienen nitrógeno y fósforo. Se ha dicho que es suficiente reconocer cerca de 30 moléculas para tener un conocimiento que permita trabajar con la bioquímica de las células. Dos de esas moléculas son los azúcares glucosa y ribosa; otra, un lípido; otras veinte, los aminoácidos biológicamente importantes; y cinco las bases nitrogenadas, moléculas que contienen nitrógeno y son constituyentes claves de los nucleótidos.
BIOQUIMICA CELULAR INTRODUCCIÓN. Propiedades de los seres vivos. Estructuras muy organizadas capaces de mantenerse y renovarse, autorreplicarse y ensamblarse, efectuando un consumo continuo de energía. Composición química de los seres vivos. Las moléculas presentes en todos los seres vivos son iguales, lo que hace pensar en un ancestro común. Elementos que forman parte de los seres vivos: Tienen que ser escogidos del entorno, formando parte de la corteza terrestre o de la atmósfera. La primera limitación es la composición de la corteza y la atmósfera. Los criterios son que sea abundante y asequible. La composición de un ser vivo no es la misma que la de la corteza o la atmósfera sino que unos elementos se escogen antes que otros. Elementos más abundantes: son abundantes y necesarios para los seres vivos. C, N , H y O. Elementos traza: presentes en mínima proporción, como el Al. El He es inerte, no forma parte de los seres vivos. El C abunda mucho porque es capaz de formar moléculas muy largas con enlaces distintos, lo que da lugar a muchos compuestos diferentes. El Si también forma cadenas pero más cortas (menos variación) y la energía del enlace Si-O es muy alta, formando moléculas muy estables, prácticamente inmutables e imposibles de sintetizar. Respuesta frente al agua: La vida transcurre en entorno acuoso por lo que si un elemento debe formar parte de una célula debe responder bien al agua. El Al está en forma de hidróxidos muy insolubles, pero como el Fe es más soluble se escoge antes. Bioelementos: Se escogen los elementos más pequeños de cada grupo porque forman enlaces más estables. El Co o el V son más grandes pero cumplen funciones especiales. - El P y el S son componentes de todos los seres vivos (S de proteínas y P de ácidos nucleicos). - Iones: Na, Mg, Cl, K, Ca... Al y Si: a pesar de ser abundantes no son mayoritarios de seres vivos.
- Eltos traza: Fe, Cu, Co, Zn, Mn... presentes en todos los organismos en pequeña cantidad. Y, Mo sólo en algunos. Enlaces: C-H, C-C, C=C, O-H, C-O, C=O, N-H, C-N, C=N, P-O, P=O ... Los enlaces no covalentes son muy importantes para la estructura tridimensional de la proteína. Enlaces esenciales: Amida: aminoácidos para dar proteínas. -N-COTioéster: aporta energía en metabolismos. -C-S-COFosfoanhidro: aporta energía en metabolismos. O- O-P-O-PO- OBiomoléculas. Reactividad de las biomoléculas: Depende de los grupos funcionales: Hidroxilo, carbonilo, carboxilo, aldehído, amino, imino, tiol, fosfato, pirofosfato, fosforito. Todas las reacciones de la célula están catalizadas de manera específica, tanto que distinguen hasta estereoisómeros. Por ello de todas las reacciones posibles sólo ocurren algunas. Abundancia de las biomoléculas: El 70% del peso de una célula es agua.. Las moléculas más abundantes son: macromoléculas 20% (hidratos de carbono, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos) y moléculas pequeñas e iones en menor proporción. Las moléculas pueden ser muy grandes como el DNA porque porta mucha información, si una proteína debe unir varios ligandos ha de ser grande. Para sintetizar moléculas grandes hacen falta muchas reacciones y muchos intermediarios, que ocupan espacio. Por ello las macromo-léculas están formadas por monómeros. Macromoléculas. Hidratos de carbono.
Polisacáridos formados por monosacáridos. Como tienen muchos grupos OH son polares y solubles. Las pentosas son importantes por constituir los ácidos nucleicos. Funciones: - Almacén de energía: glucógeno, almidón. - Estructural: celulosa en paredes celulares. Los monosacáridos se unen por medio de enlaces glicosídicos. Lípidos. Apolares e hidrofóbicos. El ácido graso es el lípido más sencillo (cadena hidrocarbonada con carboxilo al final). Los lípidos son ácidos grasos más glicerol, lo que da una grasa (triglicéri-do), Su función es exclusivamente reserva de energía. Cuando sobra energía se sintetizan grasa para luego movilizarlas. Si en lugar de reaccionar con 3 ácidos grasos un sustituyente es un derivado del fosfato se crea un fosfolípido que tiene 2 partes, una apolar (ácido graso) y otra muy polar (fosfato). Es una molécula anfipática muy importante en la constitución de membranas. Ácidos nucleicos. Son polinucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. Cada nucleótido está formado por 3 partes: Ribosa + base nitrogenada + fosfato Como hay 5 bases nitrogenadas derivadas de purinas y pirimidinas hay 5 nucleótidos distintos. Los genes se localizan en el DNA . El DNA y el RNAm cumplen funciones de expresión e información. Hay nucleótidos que tienen función propia como el ATP. El RNA tiene ribosa y el DNA desoxirribosa (porque le falta 1 OH). Proteínas. Aminoácidos unidos en polipéptidos unidos por enlaces amida (peptídicos). En el mismo carbono (ð) tiene el grupo amino y el carboxilo, las diferencias surgen en los huecos, pues puede tener sustituyentes polares y apolares. Las proteínas están formadas por 20 aminoácidos esenciales. Son las moléculas más diversas en cuanto a tipo de función y estructura. Funciones: - Enzimática: catalizadores de todas las reacciones. - Transportadora: transporte de O2 por la hemoglobina. - Estructural: colágeno, queratina.
- Defensa celular: anticuerpos. - Señalización celular: hormonas. Tal diversidad se consigue combinando monómeros para formar moléculas muy largas. Número de posibilidades: NL donde N es el número de monómeros existentes y L número de monómeros de la molécula. Reactividad entre biomoléculas. En la célula hay muchas moléculas juntas, por lo que hay muchas reacciones posibles. Degradación: Hay reacciones que degradan las moléculas convirtiendo los polímeros en monómeros que se pueden volver a utilizar o hidrolizarlos para obtener energía. Síntesis: Se sintetizan monómeros y luego a partir de ellos polímeros, igual para estructuras supramoleculares.Sintetizar algo implica aumentar el orden, los seres vivos se ordenan y mantienen su orden. Los procesos desfavorecidos termodinámicamente se hacen a expensas del entorno, desordenándolo por cesión de calor. Es necesario un aporte contínuo de energía para impulsar procesos no favorables. La energía se extrae del entorno, se transforma y se usa para trabajos de la célula (movimiento, síntesis). Bioenergía. Criterio de espontaneidad: Un proceso es espontáneo si ðS > 0 y ðG < 0. ðG = ðð ð ðð S. Tipos de reacciones: Exergónica: ðG < 0, posible. Endergonica: ðG > 0, imposible si no se aporta energía. Sintetizar moléculas no es un proceso favorable por lo que se debe aportar energía. La única manera de impulsar un proceso no favorables es acoplarle un proceso muy favorable. La transformación de B en C es posible (ðG < 0) y se libera energía. Para transformar A en B se acopla B en C y el proceso es favorable. B GA C No se acoplan las reacciones de degradación con las de síntesis sino que existe un acoplador
universal o moneda energética ATP. Al degradar moléculas se sintetiza ATP y al sintetizar se usa el ATP. ADP + fosfato ATP La fuente de energía son los nutrientes (alimentos o reservas), degradando moléculas orgánicas muy complejas en moléculas más sencillas. Algunos organismos son fotosintéticos y usan la energía de la luz para sintetizar moléculas orgánicas a partir de inorgánicas. La síntesis de ATP es contínua. El metabolismo es el conjunto de reacciones de degradación (catabolismo) y síntesis (anabolismo). Flujo de energía en la biosfera: luz orgánica compleja ðG < 0 ADP + fosfato ðG < 0 catabolismo ATP anabolismo sencillas sencillas Para que los reactivos se transformen en productos contenido energético reactivos > contenido energético productos, aunque la reacción puede ser muy lenta. Para que la velocidad sea apreciable: - Se ha de sobrepasar la energía de activación, por ello algunas moléculas no se transforman en otras espontáneamente. - Para ayudar a una reacción se puede aumentar la energía aumentando la temperatura, pero no en una célula porque es constante. Para rebajar la energía de activación se usan catalizadores, así que sólo ocurren las reacciones catalizadas por los enzimas. Muchas moléculas se transformarían en otras espontáneamente en las condiciones celulares pero no es así porque no sobrepasan la energía de activación. Los enzimas son proteínas muy específicas por lo que de todas las reacciones sólo ocurren algunas. Cada reacción tiene su enzima. Principio de máxima economía: Una reacción sólo se produce cuando se necesita bloqueando la acción de algunos de los enzimas que intervienen en el proceso. Otros enzimas no están regulados, pero como están encadenados una ruta se para al bloquear sólo uno. Para sintetizar una molécula se ha de saber el orden de los monómeros y de ello se encargan moléculas informadoras contenidas dentro de la célula: el DNA tiene la información genética para hacer todas las proteínas y regular su síntesis. Todo el DNA forma el genoma de la célula. Todas las células de un organismo tienen el mismo DNA en los cromosomas (formados por DNA y proteínas). Las proteínas acomplejan al DNA para regular su actividad y darle estructura. En el DNA están localizados los genes, que son una zona del DNA que tiene la información para la síntesis de una
proteína. Unas células expresan unas proteínas y otras otras por lo que se diferencian. Para sintetizar proteínas a partir de DNA se usa otro ácido nucleico que es el RNA, que es una copia de un gen del DNA para hacer una proteína. La molécula de DNA puede replicarse, a partir de una salen dos iguales. La célula gasta mucha energía para que la fidelidad sea absoluta. La célula. Unidad estructural y funcional de los seres vivos más pequeña. Hay organismos unicelulares y esta célula debe hacer todas las funciones que caracterizan al organismo. Hay organismos pluricelulares con millones de células especializadas que en origen son iguales y luego se especializan aunque tengan el mismo DNA. La característica básica de la célula es la membrana que le da individualidad respecto del medio. A ambos lados de la membrana la composición es distinta y mantener ese estado cuesta energía. Las células pueden tener gran diversidad de tamaños, desde 0.5 ðm hasta centímetros. Las células se clasifican en: BIBLIOGRAFIA: http://www.angelfire.com/magic2/bioquimica/