Introduccion a la bioquimica

INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA

SALUD, ENFERMEDAD Y TERAPÉUTICA

Lic. Roy W. Morales Pérez [email protected]

BIOQUÍMICA

Introducción a la bioquímica: salud, enfermedad y terapéutica.

Ver video en YouTube:

http://www.youtube.com/watch?v=itWLaLat8LU



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 científica.

BIOQUÍMICA


La bioquímica es la ciencia

que explica la vida utilizando el

lenguaje de la química, estudia los

proceso biológicos a nivel molecular

empleando técnicas químicas, física y

biológicas.

El objetivo 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 practica las normas

de seguridad.


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.



Disciplinas científicas

relacionadas con la bioquímica:

• Genética

• Fisiología

• Inmunología

• Farmacología y Farmacia

• Toxicología

• Patología

• Microbiología

• Medicina

• Enfermería

• Nutrición

• Ciencias de la salud

Bioquímica: un lenguaje común


La organización

Mundial de la Salud (OMS)

define la salud como el estado

de «bienestar físico, 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.

Procesos bioquímicos alterados y enfermedad


Los bioelementos o

biogénicos son los

elementos químicos que

constituyen 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)

• Esquelética: confieren rigidez (Ca, Mg,

P, Si)

• Energética: forman parte de moléculas

energéticas (C, O, H, P)

• Catalítica: catalizan reacciones y

procesos bioquímicos (Fe, Co, Cu, I)

• Osmótica y Electrolítica: mantienen

y regulan fenómenos osmóticos y

potencial electroquímico (Na, K, Cl)

Bioelementos


Las moléculas constituyentes

de los seres vivos se denominan

biomoléculas. A su vez, atendiendo a

su naturaleza, éstas se pueden

clasificar en:

• Inorgánicas: 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

(M50 Da)

• Intermedios metabólicos: p.ej.,

piruvato y citrato (M 50- 200 Da)

• Unidades estructurales:

monosacáridos, ácidos grasos,

aminoácidos, nucleótidos (M= 100- 300

Da)

• Macromoléculas: polisacáridos,

grasas, proteínas y ácidos nucleicos.

• Supramacromoléculas: p.ej.,

cromatina (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.

Biomoléculas

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.

Homeostasis


Walter Bradford Cannon (1871- 1945) expandió

el concepto de homeóstasis formulado

inicialmente por el fisiólogo francés Claude

Bernard (1913- 1878)

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.

Homeostasis


Leonardo da Vinci (1487). El hombre de Vitrubio

o Canon de las proporciones humanas.

La homeostasis de un

organismo involucra una

compleja dinámica entre

factores internos, p.ej., el

metabolismo y factores

externos, p.ej., condiciones

de temperatura y

disponibilidad de gases.

Homeostasis


REVISIÓN DE ALGUNOS CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Estructura Celular


La célula es la unidad

morfológica y funcional de todo ser

vivo. Existen dos tipos principales de

células, las procariotas y las

eucariotas, éstas últimas siendo

sistemas 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 constituyen, los

organismos vivos pueden clasificarse

en unicelulares si están constituidos

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


Ver video en YouTube:

http://www.youtube.com/watch?v=hBTImxRZrDM

Los postulados de la teoría

celular afirman que:

• La célula es la unidad

morfológica de todo ser vivo.

• Toda célula deriva de una célula

procedente.

• Las funciones vitales (nutrición,

crecimiento y multiplicación,

diferenciación, evolución), ocurren

y son controladas en el interior de

las células.

• Cada célula contiene la

información hereditaria

necesaria para el control de su

propio ciclo, así como para la

transmisión de esa información a

la siguiente generación celular.

http://www.youtube.com/watch?v=hBTImxRZrDM

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 físicas

semejantes.

Es una herramienta que

relaciona las propiedades

de los elementos en forma

sistemática y ayuda a hacer

predicciones con respecto al

comportamiento químico.

Enlace Químico


La fuerza que mantiene los

átomos unidos en un

compuesto se denomina enlace

químico y es producto del

solapamiento de orbitales

atómicos. Existen tres tipos

generales de enlace: covalente,

iónico y metálico. Los enlaces

pueden ser sencillos o

múltiples (dobles y triples). Un

enlace sencillo consta de un

enlace tipo (sigma); un enlace

doble de un y uno (pi), y un

enlace triple de un y dos .

Representación de la estructura

atómica indicando las partículas

elementales que la constituyen.

Estructuras de Lewis


El modelo de enlace químico de G.N.

Lewis, se fundamenta en dos

presupuestos básicos. El primero

que se conoce como regla del

octeto, señala que los átomos se

enlazan entre sí buscando alcanzar

una configuración electrónica

estable con ocho electrones en la

capa de valencia. El segundo supone

que en la formación de un enlace

químico se implican pares de

electrones , sean estos donados por

ambos átomos enlazantes o

solamente por uno de ellos.

Se muestran las estructuras de puntos

de Lewis y de líneas de Kekulé. Se

evidencia el cumplimiento de la regla

del octeto y de compartición de pares de

electrones propuestas en el modelo de

enlace de G.N. Lewis.

Enlace Químico


Una de las formas en las que los

átomos pueden formar enlaces es

compartiendo electrones. Esos enlaces

son llamados enlaces covalente y la

colección de átomos resultante de

denomina molécula. Si los átomos que

comparten pares de electrones tienen

un valor igual o cercano en sus

electronegatividades, el enlace

covalente formado se denomina

apolar. Por el contrario, si los átomos

poseen valores diferentes en sus

electronegatividades la compartición de

electrones será desigual y el enlace

covalente resultante se denomina

polar.

Enlace Covalente

Enlace Químico


Un segundo tipo de enlace químico

resulta de la atracción entre iones. Un

ion es un átomo o grupo de átomos que

tiene una carga neta positiva (cationes)

o negativa (aniones). Dado que los

aniones y los cationes tienen cargas

opuestas, estos se atraen mutuamente.

Esta fuerza de atracción electrostática

es llamada enlace iónico.

Valga señalar que en el enlace iónico

no se presenta compartición de

electrones, dada la elevada diferencia

de electronegatividad entre los átomos

que participan en el enlace.

Representación estructural de la sal

cloruro de litio, un ejemplo de un

compuesto iónico. Nótese la organizada

red cristalina que se forma.

Enlace Iónico

Fórmulas Químicas


La fórmula química indica el tipo 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 tipo 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.

H2O2

OH - OH

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).

Constitución: señala la secuencia y

características 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 alternativas configuracionales requiere la

ruptura y reorganización de enlaces.

Conformación: disposición espacial relativa de

los átomos en una molécula. Los confórmeros

están en equilibrio y la interconversión ocurre

sin rotura de enlaces.

Modelos Moleculares


Modelo de esqueleto

Modelo de esferas y bastones

Modelo de bastones

Modelo espacial sólido

Reacción Química


Los cambios químicos,

a diferencia de los cambios

físicos implican el

rompimiento y formación de

nuevos enlaces, lo que

conlleva la transformación

de las sustancias. En este

sentido, se puede entender

por reacción química,

como aquel proceso en el

que una o más sustancias

cambia/n para formar una

o más sustancias nuevas.

En el interior del organismo ocurren gran cantidad

de reacciones químicas. Cuando nos alimentamos,

el cuerpo metaboliza los nutrientes y obtiene la

energía necesaria para realizar todos los procesos

vitales.

Ecuación Química


Las transformaciones que suceden en una reacción química, pueden ser

representadas simbólicamente a través de una ecuación química. Una ecuación

química debe satisfacer 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.

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 partir de una única sustancia reaccionante, se

obtienen dos o más sustancias como producto.

C → A + B



Reacciones de desplazamiento o sustitución

Este tipo de reacciones tiene lugar cuando un ion o

átomo de un compuesto s reemplazada por un ion o

átomo de otro elemento.

AB + C → AC + B



Reacciones de intercambio

Este tipo de

reacciones ocurre

cuando dos

sustancias diferentes

intercambian entre sí

un átomo, grupo de

átomos o ion,

formando así dos

nuevas sustancias.

AB + CD → AC + BD



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.




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 tiene un proceso sin el otro.

OXIDACIÓN REDUCCIÓN

Ganancia de oxígeno Pérdida de oxígeno

Pérdida de hidrógeno Ganancia de hidrógeno

Pérdida de electrones (aumento del número de

oxidación)

Ganancia de electrones (disminución del número de

reducción)




H

OH

ADH H

H

O

ADH H

OH

O

Metanol Metanal Ácido metanóico

ADH: Alcohol Deshidrogenasa

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.



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 denomina energía de

activación.

En las bolsas de frío instantáneo se

mezclan agua y nitrato de amonio,

proceso éste que es endotérmico lo que

conlleva a una rápida 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 partida se transforman

en los productos no pudiendo de nuevo obtener las

sustancias iniciales.

Funciones Químicas


Se llama función química al

conjunto de propiedades comunes

que caracterizan a un conjunto

de sustancias que permiten

caracterizarlas y diferenciarlas. Este

tipo de sustancias tienen un

comportamiento propio 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 constitución

análoga que las caracterizan, que se

denomina/n grupo funcional.

El vinagre consiste en una mezcla de

ácido acético –un ácido orgánico- y

agua. Se emplea comúnmente como

aderezo o como preservante de

alimentos.

Funciones Químicas


Funciones químicas inorgánicas

Funciones Químicas


Funciones químicas orgánicas

Funciones Químicas


Reactividad de biomoléculas

Centros nucleofílicos: son grupos

con alta densidad electrónica

neutros o con carga neta

negativa, producto de su

polaridad o por tener pares de

electrones no compartidos.

Centros electrofílicos: son grupos

con una baja densidad

electrónica que tienen afinidad

por los nucleófilos debido a su

carencia de electrones en la

capa de valencia.

Fuerzas de Interacción Intermolecular


Son fuerzas de naturaleza eléctrica responsables de la atracción- repulsión de moléculas o átomos constituyentes de un sistema.

Se conocen como fuerzas de Van der Waals y pueden entenderse en función de la ley de Coulomb.

Variación de la Fuerza Coulombica

en función de la distancia.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/67/Inversa.png



Fuerzas dipolo-dipolo

Las fuerzas dipolo- dipolo

(fuerzas de Keeson) resultan de

la atracción-repulsión de

moléculas que poseen

momentos dipolares.



Puente de Hidrógeno

Es un tipo especial de

fuerza dipolo- dipolo

en el que interactúa

un átomo de

hidrógeno de un

enlace polar y un

átomo electronegativo

de otra molécula.



Fuerzas ión-dipolo

Resultan de la interacción entre

un ión (catión o anión) con una

molécula polar.



Fuerzas dipolo inducido- dipolo

Son conocidas como fuerzas de

Debye son fuerzas de atracción

que se generan por dipolos

temporales inducidos por iones

o moléculas polares próximas.



Fuerzas de dispersión

Conocidas también como

fuerzas de London, son fuerzas

de atracción que se presentan

en moléculas no polares,

generadas por distribuciones

probabilísticas momentáneas

de la densidad electrónica.

Fases de Agregación


Las sustancias en

función de las

condiciones de presión

y temperatura se

agregan en tres tipos de

fases: sólida, líquida y

gaseosa. Las fuerzas

de interacción

intermolecular son

mayores en la fase

sólida que en la líquida,

y a su vez en ésta son

mayores que en la fase

gaseosa. Cambios de fase de las sustancias.

Isomería Se denominan isómeros a los compuestos que tienen la misma

fórmula molecular, pero que difieren en su fórmula estructural.

Isomería Estructural

Cadena Posición

Función

CH3 CH3

CH3

2-methylpentane

CH3

CH3

CH3

3-methylpentane

CH3

H

O

OH

CH2

acetaldehyde ethenol

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3butane2-methylpropane

Isomería Estereoisomería Conformacional

Cadena abierta

HCH

3

HCH

3

H

H

H

H

H

HH

HH

CH3

HCH

3

H

H

H

H

H

H

H

H

Butano

Cadena cerrada

Isomería Estereoisomería Configuracional

Geométrica

Cl

H Cl

H Cl

H H

Cl

Trans 1,2-dicloroeteno Cis 1,2-dicloroeteno

Óptica

Reactividad y función de las moléculas biológicas


La presencia de grupos

funcionales en las

biomoléculas, proporciona

sitios reactivos en los que

éstas se van a unir con

otros moléculas o a

reaccionar y

transformarse.

Estos grupos también

permiten interacciones

entre porciones de la

molécula, y entre ésta y

otras moléculas.

Reactividad y función de las moléculas biológicas


Las reacciones de condensación son las responsables de generar

macromoléculas (p.ej., proteínas) y complejos macromoleculares (p.ej.,

ribosomas).

El poder energético de las sustancias orgánicas será mayor cuanto

más reducida esté la sustancia, por lo que durante el proceso de

oxidación se transferirá gran cantidad de energía. El metabolismo

celular se encargará de transformar y almacenar ésta energía para

realizar trabajo celular.

Bibliografía


Feduchi, E. et al. (2011). Bioquímica.Conceptos Básicos. Madrid: Editorial Médica

Panamericana.

Holum, J. (2000). Fundamentos de Química General, Orgánica y Bioquímica para Ciencias de

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Raymond, C. (2002). Química. 7ª edición. México D.F.: Mc Graw Hill.

Sadava, D. (2009). Vida: la ciencia de la biología. Buenos Aires: Editorial Médica

Panamericana.

Zumdhal, S. (2005). Chemical principles. 5th edition. Boston: Houghton Mifflin Company.

Lectura Complementaria

Municio, A.M. (2004). Perspectiva histórica de la bioquímica. Arbor. 179 (706), pp. 341- 364.

Disponible en: http://arbor.revistas.csic.es/index.php/arbor/article/view/522/522

Willett, W., Stampfer, M. (2003). Nueva pirámide de la alimentación. Investigación y ciencia.

318, pp. 54- 61.

http://arbor.revistas.csic.es/index.php/arbor/article/view/522/522















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