TEMA 1. INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA DE LA VIDA

La Bioquímica es la química de la vida. Trata de describir la estructura, la organización y las funciones de la materia viva en términos moleculares:

Estructural: componentes de la materia viva y la relación función biológica-estructura química

Metabolismo: reacciones químicas que se producen en la materia viva

Flujo de información: química de procesos almacenan y transmiten información genética.

Biología molecular:

“Rama de la biología que trata sobre la formación, estructura y función de macromoléculas esenciales para la vida y especialmente sobre su función en el proceso de transmisión de la información genética”

- Aparece como una fusión entre biología celular, genética y bioquímica.

- Gran influencia de las técnicas aparecidas en las últimas décadas.

- Importancia de la capacidad de procesamiento de datos (computadoras).

- Con frecuencia se confunde con lo relativo a la tecnología del ADN recombinante. )

VER PCR

1. Definir la “vida” es algo que excede los límites de esta asignatura.

2. Sí podemos preguntarnos qué se necesita para que se produzca este fenómeno que llamamos “vida”.

3. A pesar de la variedad de formas biológicas, hay unos principios comunes.

4. Desde el punto de vista químico, el fenómeno vital se puede definir como la “habilidad de un sistema de mantenerse en un estadolejos del equilibrio, de crecer y multiplicarse, con la ayuda de un flujo continuo de energía y materia provisto por el medio”.

¿Qué es la vida?

Los “siete pilares” de la vida. Condiciones necesarias y suficientes (en conjunto) de cualquier sistema vivo:

1. Construir (sintetizar) sus propios componentes a partir demateriales disponibles en sus alrededores (fuera del sistema).

2. Extraer energía del medio y convertirla en las varias formas de trabajo que necesita para funcionar.

3. Catalizar las muchas reacciones químicas necesarias para su funcionamiento.

4. Informar a sus procesos de manera que funcionen adecuadamente: complementariedad, flujo de la información.

5. Tener capacidad de aislarse de manera que se tenga control sobre los intercambios con el medio externo.

6. Regular sus actividades para preservar su organización dinámica en el caso de variaciones ambientales.

7. Multiplicarse.

Los “siete pilares” de la vida.

1. Construir (sintetizar) sus propios componentes a partir demateriales disponibles en sus alrededores (fuera del sistema).

fuenteO CO2, H2O u otros óxidosH H2OC CO2

N NO3- (a veces del N2 atmosférico)

S SO42-

- En general óxidos naturales.

Los principios de construcción son simples y se basan en dos procesos básicos que descansan sobre la noción de transferencia:

- reducción, basada en la transferencia de electrones- condensación, basada en la transferencia de un grupo (casi siempre con la eliminación de H2O).

- reducciónEn reducciones biológicas normalmente los electrones se acompañan de protones (presentes en soluciones acuosas).

R-CHO + 2e- + 2H+ R-CH2OH

Los e- no aparecen libres en la naturaleza, son aportados por una molécula dadora.

Para ser transferidos han de tener suficiente energía para que su transferencia sea exergónica. (La naturaleza utiliza transportadores de electrones en su forma reducida: ferredoxinas, coenzimas piridínicos NADH y NADPH).

- condensaciónX-OH + Y-H X-Y + H2O

- Proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos...- La condensación requiere aporte energético, provisto por la hidrólisis del ATP.- Esta hidrólisis se acopla a reacciones endergónicas para

que la energía liberada no se pierda.

Teoría de Oparin y el experimento de Miller y Urey

Aleksandr Oparin propuso una teoría para el origen de la vida, tratando de explicar cómo adquirieron los primeros seres vivos estos compuestos orgánicos.

Fase Fase gaseosagaseosa::

COCOCO2CO2

Fase acuosaFase acuosa::AminoácidosAminoácidosHidroxiácidosHidroxiácidosAldehídosAldehídosCianuro de Cianuro de

hidrógenohidrógeno

2. Extraer energía del medio y convertirla en las varias formas de trabajo que necesita para funcionar.

Los “siete pilares” de la vida.

- La energía se extrae de e- de alta energía y de la hidrólisis del ATP (que ha de ser regenerado mediante fosforilación —a nivel de sustrato o de transportador—).- Normalmente la hidrólisis del ATP se acopla mediante ATPasas a la producción de trabajo.- En general, el trabajo que se genera puede ser:

- mecánico- transporte de moléculas y iones contra gradientes de concentración- osmótico (eliminación de agua)- eléctrico, transporte de iones contra gradiente eléctrico.- formación de gradientes.- luminiscencia- energizar electrones

3. Catalizar las muchas reacciones químicas necesarias para su funcionamiento.

Los “siete pilares” de la vida.

- Miles de reacciones, casi todas no ocurrirían sin la presencia deun catalizador.

- Los enzimas son los catalizadores biológicos (proteínas ó ARNs).

- Son mucho más eficientes y específicos que cualquier catalizador natural.

- Capacidad de situar un sustrato en las cercanías de un sitio activoque cataliza su modificación.

- Necesitan cofactores.

- Más del 90% son transferasas (e- o grupos).

4. Informar a sus procesos de manera que funcionen adecuadamente: complementariedad, flujo de la información.

Los “siete pilares” de la vida.

- La unión específica entre dos moléculas implica la existencia de una información: decimos que una reconoce a la otra o se reconocen entre sí.- Ejs:

- Ensamblaje específico de macromoléculas en componentesintra- o extracelulares.

- Unión enzima sustrato, Ag-Ac, hormona-receptor.- Translocación de proteínas a su lugar de destino.- Emparejamiento de bases en ADN...

- Interacciones: - Fuerzas de van der Waals entre residuos hidrofóbicos,

interacciones electrostáticas (puente de H, iónicas...).- Influidas por el medio externo: pH, Tª, presencia de ciertos iones

y moléculas...

Dogma central de la biología

-Precisión, mucho mayor que la esperable por simples procesos dereconocimiento molecular: prueba de lectura.

5. Tener capacidad de aislarse de manera que se tenga control sobre los intercambios con el medio externo.

Los “siete pilares” de la vida.

- Todas las células rodeadas por membranas: bicapas lipídicas, formadas por moléculas anfifílicas.- Flexibilidad.- Fusión y fisión. - Preexisten y se recambian.- La mayoría de funciones realizadas por las proteínas de membrana:

- Transportadores, bombas, translocasas, receptores (que sufren cambio conformacional).

6. Regular sus actividades para preservar su organización dinámica en el caso de variaciones ambientales.

- Se mantienen lejos del estado de equilibrio y esto a pesar de cambios en el medio ambiente.

-Regulación:1ernivel: ley de acción de masas, en un estado estacionariodeterminado si aumenta el sustrato aumenta el producto hasta alcanzarun nuevo estado estacionario.Todas las reacciones se integran en una sola red metabólica.Algunos intermediarios lo son de numerosas reacciones: NADH,ATP,...2º nivel: enzimas (saturabilidad, cooperatividad...)3er nivel: regulación de la expresión génica.

7. Multiplicarse.

Los “siete pilares” de la vida.

- Esencial para la continuidad de la vida.

- Se fundamenta en los procesos de crecimiento (biosíntesis) y división(requiere la puesta en marcha y coordinación de procesos que terminarán en la separación del material genético, orgánulos, etc...)

VER DIVISIÓN EMBRIONES

Apéndice: La célula.

1. La célula es la unidad estructural y funcional de los seres vivos. 2. Neuronas, amebas, levadura,... todas tienen elementos comunes.

3. La célula eucariota puede verse como una procariota sumando que:

- Un sistema complejo de membranas, permite alcanzar un tamaño mayor a las células procariotas y formar entre otras estructuras una envoltura nuclear, Golgi, RE,...

- Presencia de un citoesqueleto(y elementos motores asociados), quesirven como base entre otros al aparato mitótico (común en los eucariotas).

- Una organización compleja del genoma: histonas, fibras de 30 nm,cromosomas, nucleolo, genes con intrones, separación transcripción-traducción,...

- Orgánulos citoplásmicos con capacidad metabólica: mitocondria,cloroplastos,..

Comparación procariota- eucariota.

Comparación procariota- eucariota

Característica Célula procariota Célula eucariota Tamaño Pequeñas (1-10 m) Grandes (5-100 m)

Genoma ADN asociado a proteínas (no

histonas); genoma en nucleoide, sin membrana nuclear.

ADN asociado a proteínas tanto histonas como otras en cromosomas; cromosomas en núcleo con envoltura membranosa.

División celular Fisión ó gemación Mitosis incluyendo huso mitótico; centriolos en muchas especies.

Orgánulos No tiene Mitocondria, cloroplastos, RE, Golgi, lisosomas (en animales)...

Nutrición Absorción, algunos fotosíntesis Absorción, ingestión; fotosíntesis en algunas especies

Metabolismo energético

Enzimas oxidativos unidos a membrana plasmática; grandes variaciones en el patrón metabólico.

Enzimas oxidativos en mitocondria; patrón metabólico mas uniforme.

Citoesqueleto No tiene Complejo, con filamentos intermedios, microtúbulos y actina.

Movimiento intracelular

No tiene Trasporte de vesículas, movimiento de orgánulos, mitosis, fagocitosis, endocitosis...

Presencia de un citoesqueleto

Organización compleja del genoma

Orgánulos citoplásmicos con capacidad metabólica

Los virus