INTRODUCCION AL ESTUDIO DE LA BIOQUIMICA

Definición:

La Bioquímica es una ciencia que estudia la composición químicade los seres vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos,lípidos y ácidos nucleicos, además de otras pequeñas moléculaspresentes en las células y las reacciones químicas que sufren estoscompuestos (metabolismo) que les permiten obtener energía(catabolismo) y generar biomoléculas propias (anabolismo).

Además es la ciencia que estudia la base química de la vida: lasmoléculas que componen las células y los tejidos, que catalizanlas reacciones químicas del metabolismo celular como ladigestión, la fotosíntesis y la inmunidad, entre otras muchascosas.

La bioquímica se basa en el concepto de que todo ser vivocontiene carbono y en general las moléculas biológicas estáncompuestas principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno,nitrógeno, fósforo y azufre.

En general podemos entender la bioquímica como una disciplina científica

integradora que aborda el estudio de las biomoléculas y biosistemas;

aplicando las leyes químico-físicas y la evolución biológica que afectan a

los biosistemas y a sus componentes, desde un punto de vista molecular y

tratar de entender y aplicar su conocimiento a amplios sectores de la

Medicina (terapia génica y Biomedicina), la agroalimentación, la

farmacología, etc.

La Bioquímica constituye un base fundamental de la biotecnología, y se ha

consolidado como una disciplina esencial para abordar los grandes

problemas y enfermedades actuales y del futuro, tales como el cambio

climático, la escasez de recursos agroalimentarios ante el aumento de

población mundial, el agotamiento de las reservas de combustible fósil, la

aparición de nuevas formas de alergias, el aumento de cáncer, las

enfermedades genéticas, la obesidad, etc

La investigación bioquímica se centra en las propiedades de lasproteínas, muchas de las cuales son enzimas. Por razones históricasla bioquímica del metabolismo de la célula ha sido intensamenteinvestigado, en importantes líneas de investigación actuales (comoel Proyecto Genoma, cuya función es la de identificar y registrartodo el material genético humano), se dirigen hacia la investigacióndel ADN, el ARN, la síntesis de proteínas, la dinámica de lamembrana celular y los ciclos energéticos.

La bioquímica es una ciencia experimental y por ello recurrirá

al uso de numerosas técnicas instrumentales propias y de

otros campos, pero la base de su desarrollo parte del hecho

de que lo que ocurre en vivo a nivel subcelular se mantiene o

conserva tras el fraccionamiento subcelular, y a partir de ahí,poder estudiarlo y sacar conclusiones.

Representación esquemática de la molécula de ADN, la molécula portadora de la información genética

Puertas lógicas y circuitos combinacionales implementados con reacciones bioquímicas enzimáticas

DIVISIÓN DE LA BIOQUIMICA

Las ramas de la bioquímica son muy amplias y diversas, y han ido

variando con el tiempo y los avances de la biología, la química y la física.

•Biología celular: (citología) es un área de la biología que se dedica al

estudio de la morfología y fisiología de las células procariotas y

eucariotas. Trata de conocer los orgánulos celulares, su composición

bioquímica y su función en el contexto celular tanto en estados

fisiológicos como patológicos. Es esencial en esta área conocer los

procesos intrínsecos a la vida celular durante el ciclo celular, como la

nutrición, la respiración, la síntesis de componentes, los mecanismos de

defensa, la división celular y la muerte celular.

También se deben conocer los mecanismos de comunicación de células

(especialmente en organismos pluricelulares) o las uniones intercelulares.

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Es un área esencialmente de observación y

experimentación en cultivos celulares, que,

frecuentemente, tienen como objetivo la identificación y

separación de poblaciones celulares y el reconocimiento

de orgánulos celulares.

Algunas técnicas utilizadas en biología celular tienen que

ver con siembra de cultivos celulares, observación por

microscopía óptica y electrónica, inmunocitoquímcia,

inmunohistoquímica, ELISA o citometría de flujo. Está

íntimamente ligada a disciplinas como histología,microbiología o fisiología.

•Química orgánica: es un área de la química que se encarga delestudio de los compuestos orgánicos, es decir, aquellos quetienen enlaces covalentes carbono-carbono o carbono-hidrógeno.

Se trata de una ciencia íntimamente relacionada con labioquímica, pues en la bioquímica la mayoría de compuestosbiológicos participa el carbono. Así deben saber estructura,conocimientos sobre enlace químico, interacciones moleculares,etc.

•Genética molecular e ingeniería genética: es un área de la bioquímica y labiología molecular que estudia los genes, su herencia y su expresión.

Molecularmente, se dedica al estudio del DNA y del RNA principalmente, yutiliza herramientas y técnicas potentes en su estudio, tales como la PCR y susvariantes, los secuenciadores masivos, los kits comerciales de extracción de DNAy RNA, procesos de transcripción-traducción in vitro e in vivo, enzimas derestricción, DNA ligasas.

Es esencial conocer como el DNA se replica, se transcribe y se traduce aproteínas (Dogma Central de la Biología Molecular), así como los mecanismos deexpresión basal e inducible de genes en el genoma.

También estudia la inserción de genes, el silenciamiento génico y la expresióndiferencial de genes y sus efectos. Superando así las barreras y fronteras entreespecies en el sentido que el genoma de una especie podemos insertarlo en otroy generar nuevas especies. Uno de sus máximos objetivos actuales es conocerlos mecanismos de regulación y expresión genética, es decir, obtener un códigoepigenético. Constituye un pilar esencial en todas las disciplinas biocientíficas,especialmente en biotecnología.

Puertas lógicas y circuitos combinacionales implementados con reacciones bioquímicas enzimáticas

•Inmunología: área de la biología, la cual se interesa por lareacción del organismo frente a otros organismos como lasbacterias y virus.

Todo esto tomando en cuenta la reacción y funcionamiento delsistema inmune de los seres vivos. Es esencial en esta área eldesarrollo de los estudios de producción y comportamiento delos anticuerpos.

•Virología: área de la biología, que se dedica al estudio de losbiosistemas más elementales: los virus. Tanto en su clasificación yreconocimiento, como en su funcionamiento y estructura molecular.

Pretende reconocer dianas para la actuación de posibles defármacos y vacunas que eviten su directa o preventivamente suexpansión.

También se analizan y predicen, en términos evolutivos, la variacióny la combinación de los genomas víricos, que podrían hacerloseventualmente, más peligrosos.

Finalmente, suponen una herramienta con mucha proyección comovectores recombinantes, y han sido ya utilizados en terapia génica.

•Farmacología: área de la bioquímica que estudia cómo afectan obenefician ciertas sustancias químicas al funcionamiento celular en elorganismo.

Se pretende generar racionalmente sustancias menos invasivas y máseficaces contra dianas biomoleculares concretas. En bioquímica esesencial una de sus rama, la enzimología que estudia elcomportamiento bioquímico de las enzimas (proteínas) que sonbiocatalizadores.

En este sentido, pretende conocer el comportamiento cinéticoquímico de ciertas reacciones metabólicas, los mecanismos decatálisis y los procesos de actuación de las enzimas, así como sumodificación.

•Enzimología: área de la bioquímica muy ligada a la farmacología.Estudia el comportamiento de los catalizadores biológicos oenzimas, como son algunas proteínas y ciertos RNA catalíticos.

Así se cuestiona los mecanismos de catálisis, los procesos deinteracción de las enzimas-sustraro, los estados de transicióncatalíticos, las actividades enzimáticas, la cinética de la reacción,todo ello desde un punto de vista bioquímico.

Estudia y trata de comprender los elementos esenciales del centroactivo y de aquellos que no participan, así como los efectoscatalíticos que ocurren en la modificación de dichos elementos; eneste sentido, utilizan frecuentemente técnicas como la mutagénesisdirigidas.

•Estructura de macromoléculas o bioquímica estructural: es unárea de la bioquímica que pretende comprender la arquitecturaquímica de las moléculas biológicas especialmente de las proteínasy de los ácidos nucleicos (DNA y RNA).

Así intentan conocer por qué las macromoléculas son de esa forma,que interacciones físico-químicas atómicas posibilitan dichasestructuras, como se pliegan las proteína.

Uno de sus máximos retos es determinar la estructura de unaproteína conociendo sólo la secuencia de aminoácidos, quesupondría la base esencial para el diseño racional de proteínas(ingeniería de proteínas).

•Metabolismo y su regulación: es un área de la bioquímica quepretende conocer los diferentes tipos de rutas metabólicas a nivelcelular, y su contexto orgánico.

De esta forma son esenciales conocimientos de enzimología ybiología celular.

Estudia todas las reacciones bioquímicas celulares que posibilitan lavida, y así como los índices bioquímicos orgánicos saludables, lasbases moleculares de las enfermedades metabólicas o los flujos deintermediarios metabólicos a nivel global.

Esquema de una Célula típica animal con sus orgánulos y estructuras

FUNCIONES ORGÁNICAS DE INTERÉS BIOLÓGICO

Las Biomoléculas orgánicas son mucho más complejas y variadas que las denaturaleza inorgánica. Su misma complejidad hace imperativo una breve revisiónde las biomoléculas como portadoras de funciones químicas orgánicas.

La gran variabilidad estructural de los compuestos orgánicos se debe a la situaciónprevilegiada del átomo de carbono en la Tabla periódica, ocupando el centro delsegundo período.

El carbono tiene cuatro electrones en el último nivel de energía y debido a suelectronegatividad media puede unirse con otros átomos de carbono, formandocadena abiertas o cerradas, de longitud variable mediante enlaces sencillos,dobles o triples; además, esa electronegatividad le permite unirse a otros átomoselectropositivos (H), como electronegativos (O, N, S).

A efectos de clasificación, se asigna a cada átomo de Carbono elnombre de: primario, secundario, terciario o cuaternario, según elenlace sea con átomos diferentes de carbono.

Por otro lado, las funciones orgánicas se clasifican de acuerdo algrado de oxidación del carbono portador de la función. El grado deoxidación de un carbono se define como el número de valenciasque utiliza para enlazar con el oxigeno o con otros átomoselectronegativos (nitrógeno, halógenos, azufre).

Así, los hidrocarburos saturados son funciones en grado cero de oxidación.

Los Alcoholes son funciones de grado uno

Los aldehídos son funciones de grado dos

Los ácidos carboxílicos son funciones de grado tres

La Urea es función de grado cuarto

BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS

A) El agua

El agua se encuentra en un 60-90% de la materia viva. Suabundancia depende de la especie, la edad (menor proporciónen individuos más viejos) y la actividad fisiológica del tejido(mayor porcentaje los que tiene mayor actividad como tejidonervioso o muscular).

Aparece en el interior de las células, en el líquido tisular y en loslíquidos circulantes.

•EstructuraEl agua es una molécula dipolar: los electrones que comparten elO y el H están desplazados hacia el O por su mayorelectronegatividad por lo que esa zona de la molécula tiene unaligera carga Negativa y la de los H es ligeramente positiva.

Cuando dos moléculas de agua se aproximan, la zona positiva deuna molécula y la negativa de otra se atraen.

Estas interacciones intermoleculares se conocen como puentes dehidrógeno.

•Propiedades y funciones biológicas

A diferencia de otras sustancias de peso molecular semejante, el agua es líquida atemperatura ambiente.

Debido a su polaridad el agua es buen disolvente de los compuesto iónicos ypolares. Los líquidos orgánicos (citoplasma, líquido tisular, plasma, linfa, savia, ...)son disoluciones acuosas que sirven para el transporte de sustancias y comomedio en el que se producen las reacciones metabólicas.

El agua no sólo es el medio en el que transcurren las reacciones del metabolismosino que interviene en muchas de ellas como en la fotosíntesis, en las hidrólisis yen las condensaciones.

El calor específico (calor necesario para elevar 1ºC la temperatura de 1 g) esrelativamente elevado, así como el calor de vaporización. Gracias a estas dospropiedades el agua interviene en la termorregulación.

Máxima densidad a 4°C. Como consecuencia el hielo flota sobre el agualíquida, lo que impide los océanos y otras masas menores de agua se congelende abajo a arriba.

En el agua son elevadas las fuerzas de cohesión (atracción entre las moléculasde agua) y de adhesión (atracción entre el agua y una superficie) lo cualorigina los fenómenos de capilaridad por los que el agua asciende en contrade la gravedad por conductos de diámetro muy fino (capilares). Estosfenómenos contribuyen al transporte de sustancias en los vegetales.

Igual que otros líquidos el agua es incompresible y actúa como amortiguadormecánico (líquido amniótico, líquido sinovial) o como esqueleto hidrostático(líquido celómico en anélidos).

B) SALES MINERALES

1. Sales con función estructural

Aparecen precipitadas formando estructuras esqueléticas, como elcarbonato de calcio (caparazones calcáreos) o el fosfato de calcio (esqueletode vertebrados).

2. Sales con función reguladora

Se encuentran ionizadas, disueltas en un medio acuoso.

a. Fenómenos osmóticos

Osmosis: difusión a través de una membrana semipermeable (solo permite elpaso del disolvente).

Medios hipertónico (el de mayor concentración), hipotónico (el de menor) oisotónico (cuando los dos medios separados por la membranasemipermeable tienen la misma concentración de solutos).

A través de una membrana semipermeable el agua pasa siempre del mediohipotónico al hipertónico.

Plasmólisis (pérdida de agua de una célula en un medio hipertónico) yturgencia (la célula se hincha en un medio hipotónico, pudiendo llegar aestallar (lisis) si carece de pared celular y la diferencia de concentraciones esgrande).

b. Regulación del Ph

Soluciones amortiguadoras formados por un ácido débil y su base conjugada(o viceversa).

El equilibrio H2CO3 ↔ HCO3- + H+ es responsable del mantenimiento del pHen la sangre. Si el pH tiende a acidificarse el exceso de H+ se une al HCO3-(que actúa como base) formándose H2CO3 recuperándose el pH inicial.

Ante una basificación del medio el equilibrio se desplaza hacia la derechaliberándose H+ por disociación del H2CO3 (un ácido débil) recuperándosetambién el pH inicial.

La regulación es más precisa porque el H2CO3 se encuentra en equilibrio conel CO2 disuelto en el plasma (CO2 + H2O ↔H2CO3↔HCO3- + H+).

c. Cationes que realizan acciones específicas

-Na+ - Impulso nervioso y equilibrio hídrico. Abundante en los medios extracelulares.

- K+ - Transmisión del impulso nervioso. Contracción muscular.

- Ca2+ - Contracción muscular. Coagulación sanguínea. Sinapsis. Cofactor. Estructural.

- Mg2+ - Cofactor. Contracción muscular.

Para el Sábado 11/08

Conocimiento de Material de Laboratorio.

Para el Viernes 17/08

Lectura sobre Biomoléculas y Células madre.