Bioquímica I

Definición La bioquímica es una ciencia que estudia composición química de los seres vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos, además de otras pequeñas moléculas presentes en las células y las reacciones químicas que sufren estos compuestos que les permiten obtener energía y generar biomoléculas propias. La bioquímica se basa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono y en general las moléculas biológicas están compuestas principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Es la ciencia que estudia la base química de la vida: las moléculas que componen las células y los tejidos, que catalizan las reacciones químicas del metabolismo celular como la digestión, la fotosíntesis y la inmunidad, entre otras. Wikipedia

Definición La bioquímica pregunta cómo surgen las notables propiedades de los seres vivos a partir de la unión e interacción de miles de biomoléculas inanimadas diferentes. Cuando dichos componentes son analizados aisladamente se ciñen completamente a todas las leyes fisicoquímicas que describen el comportamiento de la materia inanimada. Lo mismo aplica para todos los procesos que ocurren en los organismos vivos Fund de Bioq. Lehninger 5 Ed

Definición La bioquímica describe en términos moleculares las estructuras, mecanismos, y procesos químicos compartidos por seres vivos y descubre los “principios organizacionales” que subyacen la vida en su diversidad de formas. Fund de Bioq. Lehninger 5 Ed

Historia Sus raíces datan de finales del siglo XVIII Término “Bioquímica” (Neumberg, 1903) Ciencias contribuyentes: Química orgánica Fisicoquímica Biología general Microbiología Fisiología

Historia La bioquímica ha cumplido una función destacada en la comprensión de las causas moleculares de numerosas enfermedades. Desarrollo de técnicas diagnósticas. Descubrimiento o diseño de agentes farmacéuticos para tratamiento.

Historia Siglo XVIII - KarleScheele: Aislamiento de algunos compuestos: Glicerina (de aceites vegetales) Caseína (leche) Acidos cítrico, láctico, málico, tartárico y úrico. LazaroSpallanzani La digestión de proteínas en el estómago puede ser reproducida in vitro usando “ciertas sustancias gástricas”. Siglo XIX – JonsBerzelius & JustusLiebig Demostraron la “significativa” presencia de Carbono en la compuestos aislados por Scheele. (pueden ser sintetizados?) Primeras evidencia de: El carácter “material” de los compuestos componentes de los seres vivos La similitud entre compuestos de especies distintas.

Historia Siglo XIX – FiedrichWohler, Adolf Kolh, MarcellinBerthelot Síntesis de numerosos compuestos biológicos a partir de compuestos inorgánicos. Vitalismo

Historia Siglo XIX – FiedrichWohler, Adolf Kolh, MarcellinBerthelot Sintesis de numerosos compuestos biológicos a partir de compuestos inorgánicos. Vitalismo

Propiedades de los Seres Vivos Crecimiento Movimiento Metabolismo Respuesta a estímulos Auto replicantes Su constitución molecular puede ser descrita y entendida. Su química se ciñe a las propiedades de las reacciones orgánicas

Propiedades distintivas Gran complejidad y altísima organización

Propiedades distintivas Gran complejidad y altísima organización ,[object Object],[object Object]

Están activamente comprometidos en eventos de transformación de energía,[object Object]

Fuentes de energía Los organismos pueden clasificarse de acuerdo con la fuente de carbono para la síntesis del material celular.

Compuestos energéticamente importantes Formas de energía químicamente útiles (acoplamiento químico)

Propiedades distintivas Gran complejidad y altísima organización ,[object Object]

Están activamente comprometidos en eventos de transformación de energía

Tienen una notable capacidad de auto-replicación,[object Object]

Tienen una notable capacidad de auto-replicación

Una historia evolutiva de cambio,[object Object]

Fundamentos celulares La células son el fundamento estructural y funcional de todos los seres vivos Células Procariotas

Teoría Endosimbiótica El sistema simbiótico metaboliza aeróbicamente. Algunos genes bacterianos se trasladan al núcleo y los endosimbiontes se convierten en mitocondrias. El metabolismo anaeróbico es ineficiente porque el combustible no es completamente oxidado Eucariotas ancestrales engolfan bacterias que se multiplican en su interior. Las cianobacterias engolfadas se convierten en endosimbiontes y se multiplican; la nueva célula es capaz de prducir ATP usando la energía de la luz solar El metabolismo aeróbico es eficiente porque el combustible es oxidado a CO2. Con el tiempo, algunos genes cianobacterianos se mueven al núcleo y los endosimbiontes se convierten en plastidios (cloroplastos). Se utiliza la energía de la luz para producir moléculas de CO2.

Estructura de las Células Eucarióticas

Estudio de componentes celulares Centrifugación Diferencial Centrifugación Isopícnica

Estructura jerárquica en la organización molecular

Biomoléculas Son compuestos de Carbono con una variedad de grupos funcionales.

Versatilidad de las estructuras a base de Carbono

Grupos Funcionales Varios grupos funcionales comunes en una sola biomolécula. La Acetil-coenzima A (Acetil-CoA) es un transportador de grupos acetilo en algunas reacciones enzimáticas.

FIGURA 1.7 Estructura de la met-encefalina, un pentapéptido La met-encefalina pertenece a una clase de moléculas que poseen actividad de tipo opiácea. La met-encefalina se encuentra en el cerebro e inhibe la percepción del dolor. (Los enlaces peptídicos están sombreados en color azul. Los grupos R están destacados en color amarillo.)

FIGURA 1.8 Estructura polipeptídica Al plegarse un polipéptido en su estructura tridimensional única, cuando menos 50% de los grupos R más hidrófobos (esferas amarillas) quedan enterrados en el interior lejos del agua. Los grupos hidrófilos en general se encuentran en la superficie.

FIGURA 1.9 Ejemplos de algunos monosacáridos de importancia biológica La glucosa y la fructosa son fuentes importantes de energía en los animales y en las plantas. La ribosa y la desoxirribosa son componentes de los ácidos nucleicos. Estos monosacáridos se encuentran en la naturaleza en forma de estructuras anulares.

FIGURA 1.10 Estructura de los ácidos grasos (a) Ácido graso saturado; (b) ácido grasoinsaturado.

FIGURA 1.11 Moléculas lipídicas que contienen ácidos grasos (a) Triacilglicerol; (b) fosfatidilcolina, una clase de fosfoglicérido.

FIGURA 1.12 Estructura de los nucleótidos Cada nucleótido contiene una base nitrogenada (en este caso, adenina), un azúcar pentosa (ribosa), y uno o varios fosfatos. Este nucleótido es el trifosfato de adenosina.

FIGURA 1.13 Bases nitrogenadas (a) Purinas y (b) pirimidinas.

FIGURA 1.14 DNA (a) Vista esquemática del DNA. Los esqueletos de azúcar-fosfato de la doble hélice están representados por cintas coloreadas. Las bases unidas al azúcar desoxirribosa están en el interior de la hélice. (b) Vista ampliada de dos pares de bases. Obsérvese que las dos cadenas de DNA van en direcciones opuestas definidas por los grupos 59 y 39 de la desoxirribosa. Las bases en las cadenas opuestas forman pares debido a los enlaces de hidrógeno. La citosina siempre se aparea con la guanina y la timina siempre se aparea con la adenina.

BiomoléculasPropiedades - Función Las Biomoléculas tiene direccionalidad (polaridad estructural)

BiomoléculasPropiedades - Función Las Biomoléculas tiene direccionalidad (polaridad estructural) La secuencia de unidades monoméricas tiene el potencial de contener información.

BiomoléculasPropiedades - Función Las Biomoléculas tiene direccionalidad (polaridad estructural) La secuencia de unidades monoméricas tiene el potencial de contener información. Tienen arquitecturas tridimensionales características.

BiomoléculasPropiedades - Función Experimentan fuerzas débiles que mantienen las estructuras, restringen el rango de condiciones ambientales compatibles y determinan las interacciones con otras moléculas.

BiomoléculasPropiedades - Función Experimentas fuerzas débiles que mantienen las estructuras, restringen el rango de condiciones ambientales compatibles y determinan las interacciones con otras moléculas. La complementariedad estructural determina también el reconocimiento con otras moléculas

Tipos de Reacciones en los sistemas biológicos

FIGURA 1.15 Ejemplo de sustitución nucleofílica En la reacción de la glucosa con el ATP, el oxígeno del hidroxilo de la glucosa es el nucleófilo. El átomo de fósforo (el electrófilo) es polarizado por el oxígeno enlazado, de forma que lleva una carga positiva parcial. Al producirse la reacción, el par de electrones sin compartir del CH2OH del azúcar ataca al fósforo, dando lugar a la expulsión del ADP, el grupo saliente.

FIGURA 1.16 Reacción de hidrólisis La hidrólisis del ATP se utiliza para impulsar una sorprendente diversidad de reacciones bioquímicas que requieren energía.

FIGURA 1.17 Reacción de eliminación Cuando se deshidrata el 2-fosfoglicerato se forma un doble enlace.

FIGURA 1.18 Reacción de adición Cuando se añade agua a una molécula que contiene un doble enlace, como el fumarato, se produce un alcohol.

FIGURA 1.19 Reacción de isomerización Una clase de reacción bioquímica que se observa con frecuencia es la interconversión reversible de los isómeros de aldosa y cetosa.

FIGURA 1.20 Una vía bioquímica En esta vía bioquímica de tres pasos la biomolécula A es convertida en la biomolécula D en tres reacciones sucesivas. Cada reacción es catalizada por una enzima específica (E).

UNIDAD 1: Introducción a la bioquímica 1.4 ¿Es la célula viva una fábrica de productos químicos? Inicio FIGURA 1.21 Anabolismo y catabolismo En los organismos que utilizan oxígeno para generar energía, las vías catabólicas transforman los nutrientes en moléculas pequeñas que son materiales de partida. La energía (ATP) y el poder reductor (NADPH) que impulsan las reacciones de biosíntesis se generan durante los procesos catabólicos al convertirse determinadas moléculas nutrientes en productos de desecho como el dióxido de carbono y el agua.

UNIDAD 1: Introducción a la bioquímica 1.5 Biología de Sistemas Inicio FIGURA 1.22 Mecanismos de retroalimentación (a) Retroalimentación negativa. Conforme se acumulan moléculas del producto, se unen a una enzima de la vía e inhiben su actividad. El resultado es un decremento en la generación del producto. (b) Retroalimentación positiva. Conforme se acumulan moléculas del producto, estimulan una enzima de la vía, con lo que inducen una mayor velocidad de síntesis del producto.

El Agua Estructura Carácter dipolar Red ordenada en estado sólido

El Agua Interacciones Moleculares Cada molécula esta conectada con las demás conformando una red tridimensional fluida de puentes de H, en la cual, a nivel local existe una preferencia por la geometría tetraédrica. Propiedades como solvente Forma cubiertas de solvatación dinámicas alrededor de iones o moléculas cargadas. Constante dieléctrica alta La tendencia de las moléculas de agua a interactuar con iones es mucho mayor que la interacción electrostática entre iones con cargas opuestas. C1 x C2 F= Dr2

Constantes dieléctricas de algunos solventes comunes a 25°C * También se conoce este parámetro como permisividad relativa .

El Agua Interacciones hidrofóbicas Las sustancias que no interactúan con el agua son excluidas de la red en favor del aumento de entropía. Formación de puentes de H con solutos polares Algunos solutos compatibles son: Hidroxilos, aminas, carbonilos , alcoholes, etc.

Disolución: Aumento de Entropía ΔG = ΔH - TΔS El agua disuelve muchas sales cristalinas mediante la hidratación de sus iones componentes. La red cristalina del NaCl es distorsionada en la medida que las moléculas de H2O se aglutinan alrededor del Na+ y del Cl-. Las cargas iónicas son neutralizadas parcialmente y se debilitan las atracciones electrostáticas del cristal.

El Agua Interacción con moléculas anfipáticas

El Agua La liberación de la red ordenada favorece la formación de los complejos enzima sustrato. El aumento de entropía resultante provee un empuje termodinámico para la formación del complejo Enzima/Sustrato.

Conceptos básicos Si ignorar su complejidad, los seres vivos pueden considerarse como sistemas fisicoquímicos que interactúan con sus alrededores. M Sistemas: ,[object Object]

CerradosSistemas: ,[object Object]

CerradosC Sistema Universo termodinámico Un universo está formado por un sistema (la porción del universo que tomamos como objeto de estudio) y su entorno.

Definición Termodinámica: Es una teoría que describe la energética de la materia con una visión macroscópica. El comportamiento de la materia sujeta a cambios de temperatura y presión. Bioenergética (Termodinámica bioquímica): El estudio de los cambios de energía asociados a las reacciones bioquímicas. La Energía del Universo es constante La Entropía del Universo siempre está en aumento.

Conceptos básicos Representación de una célula viva en forma de sistema termodinámico Las moléculas de la célula y su entorno se encuentran en un estado relativamente desordenado. La célula libera calor como consecuencia de las reacciones que crean orden entre las moléculas del interior de la célula. Esta energía aumenta el movimiento aleatorio y, por lo tanto, el desorden de las moléculas fuera de la célula. El proceso produce una variación neta de entropía positiva. El descenso de entropía de la célula se compensa con creces por un aumento de la entropía del entorno.

Conceptos básicos Estado de un Sistema Es el conjunto de propiedades que permiten definirlo. Temperatura Presión Volumen Energía interna (U) Entalpía Energía libre de Gibbs Funciones de Estado Propiedades relacionadas con cambios en un sistema que solo dependen de los estados inicial y final del mismo durante un proceso.

Conceptos básicos Con el conocimiento de la termodinámica podemos determinar si es posible que ocurra un proceso físico. Por qué se pliegan las macromoléculas a sus conformaciones nativas? Cómo están diseñadas las rutas metabólicas? Cómo ciertas moléculas puedes travesar las membranas biológicas? Cómo generan los músculos fuerza mecánica? La Termodinámica no indica las velocidades a las cuales los proceso ocurren. Solo si existe energía suficiente para que ocurran. Con referencia a la bioquímica la termodinámica describe bajo cuáles condiciones los proceso pueden tener lugar espontáneamente.

Primera ley “La energía total de un sistema y sus alrededores es constante” Si durante un proceso un sistema intercambia calor con sus alrededores ejecuta un trabajo sobre ellos. Δw = Trabajo ejercido por el sistema sobre sus alrededores. Δq = Cantidad de calor absorbido por el sistema desde el entorno. Procesos endotérmicos (Δq > 0) Procesos exotérmicos (Δq < 0)

Primera ley Entalpía (H) Magnitud termodinámica de un cuerpo físico o material equivalente a la suma de su energía interna más el producto de su volumen por la presión exterior Es el contenido de calor de un sistema, en julios. El cambio de entalpía durante un proceso se relaciona con el cambio de energía interna así:

A volumen y presión constantes Primera ley Entalpía (H) Magnitud termodinámica de un cuerpo físico o material equivalente a la suma de su energía interna más el producto de su volumen por la presión exterior Es el contenido de calor de un sistema, en julios. El cambio de entalpía durante un proceso se relaciona con el cambio de energía interna así:

Entalpía (H) Ley de Boyle: ΔH = ΔU + PΔV P ΔV = ΔnRT Primera ley Glucosa ΔH = ΔU = -2,9 x 10-3 kJ/mol Acido esteárico ΔH = ΔU + P ΔV = ΔU + (ΔnRT) = -11,38 x 10-3 kJ/mol

3 Glucosa 18 carbonos 1 Ácido esteárico -2,9 x 10-3 kJ/mol -11,38 x 10-3 kJ/mol

Segunda ley “La entropía total de un sistema y sus alrededores siempre se incrementa para los procesos espontáneos” La entropía (S) es un índice del desorden o aleatoriedad en un sistema. Puesto que el universo tiene al incremento de “S”, este aumento durante un proceso se refleja en una mayor espontaneidad del mismo. RudolfClasius final ΔS>= ∫ dq T inicial

Segunda ley “La entropía total de un sistema y sus alrededores siempre se incrementa para los procesos espontáneos” La entropía (S) es un índice del desorden o aleatoriedad en un sistema. Puesto que el universo tiene al incremento de “S”, este aumento durante un proceso se refleja en una mayor espontaneidad del mismo. RudolfClasius Procesos reversibles / Procesos irreversibles ΔS = Δq/T ΔS > Δq/T

Entropía Hielo (< 0°C) Agua (0 - 100°C) Ebullición (100°C)

orden = desorden Progresión mas probable?

Espontaneidad? Si bien los procesos que involucran ΔH < 0 tiende a ser espontáneos, al igual que aquellos que involucran ΔS > 0, existen procesos que ocurren espontáneamente aun cuando involucran un ΔS < 0, como el plegamiento de ciertas proteínas.

Espontaneidad? En otros proceso puede haber un aumento de entropía (ΔS > 0) que ocurre con la concomitante absorción de calor desde los alrededores (ΔH > 0). Ej. Transicion: Hielo , agua, vapor

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