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Tema 1 Concepto y ámbito de estudio de la Bioquímica. Conceptos fundamentales en

Biología: atributos de los seres vivos. Organización celular. Concepto general de metabolismo: anabolismo y catabolismo; ruta metabólica. Concepto de homeostasia, mecanismos de regulación de la homeostasis.

Índice 1. CONCEPTO Y ÁMBITO DE ESTUDIO DE LA BIOQUÍMICA

1.1. Definición de Bioquímica 1.2. Ámbito de estudio de la Bioquímica

2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE ESTUDIO DE LA BIOQUÍMICA 2.1. Atributo de los seres vivos 2.2. Principios de la lógica molecular del estado vital

3. ORGANIZACIÓN CELULAR

4. CONCEPTO GENERAL DEL METABOLISMO: ANABOLISMO Y CATABOLISMO 4.1. Mecanismos de regulación homeostática

Objetivos Los objetivo del tema son:

Definir que es la Bioquímica y ubicarla dentro de las ciencias de la vida y la medicina

Introducir los conceptos de:

Fenómeno vital

Homeostasis

Metabolismo

Bibliografía LEHNINGER, NELSON y COX, Principios de Bioquímica. Cap. 1. MATHEWS, VAN HOLDE, K.E. Bioquímica. Cap. 1. McKEE y McKEE. Bioquímica. Cap.1. VOET, D. Y VOET, T., J. Bioquímica. Cap 1.

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1. CONCEPTO Y ÁMBITO DE ESTUDIO DE LA BIOQUÍMICA 1.1. Definición de la Bioquímica

Ciencia que explica la vida utilizando el lenguaje de la química.

La Bioquímica es la química de la vida.

Ciencia que se ocupa de la base química de la vida.

Ciencia que se encarga de estudiar a los seres vivos a nivel molecular, o en general Ciencia que estudia los procesos biológicos a nivel molecular (BIOLOGÍA

MOLECULAR) y en general subcelular.

Ciencia que estudia las diferentes moléculas y reacciones Químicas que ocurren en las células y organismos vivos.

El objeto de la bioquímica es estudiar la composición química de los seres vivos, las relaciones entre dichos materiales, sus transformaciones, la regulación y el funcionamiento de estos procesos y, por decirlo de alguna manera, las repercusiones que tienen a nivel de la fisiología de los organismos. COMPOSICIÓN: moléculas y elementos que forman los seres vivos. Así, tenemos que se estudia la composición química en bioelementos (C, H, N, O, S, Fe, Ca…) y las principales biomoléculas que forman los seres vivos (monosacáridos, polisacáridos, aminoácidos, proteínas, ácidos grasos, triacilglicéridos, etc.). RELACIONES: las diferentes moléculas que forman los seres vivos interaccionan entre ellas formando agrupaciones supramoleculares -cromosomas (ácidos nucleicos + proteínas), membranas (lípidos + proteínas), lipoproteínas (lípidos + proteínas), etc. -, estas agrupaciones supramoleculares presentan diferentes propiedades y forman las estructuras subcelulares (mitocondrias, ribosomas, lisosomas, aparto Golgi…), que permiten a la célula realizar las distintas funciones para mantener el fenómeno vital. Además la bioquímica estudia cómo las diferentes células interaccionan para formar los tejidos multicelulares, órganos, organismos, etc.

Organización estructural de las células. Los cromosomas están formados por macromoléculas -DNA y proteínas-, las membranas -proteínas y lípidos-, etc. Figura de "Principios de Bioquímica" Lehninger, Nelson y Cox. Ed. Omega, Barcelona 1993.

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TRANSFORMACIONES: las diferentes biomoléculas de los seres vivos se transforman unas en otras a través de las enzimas adecuadas. La Bioquímica estudia cómo las distintas biomoléculas pueden transformarse unas en otras (glúcidos en ácidos grasos, aminoácidos en glucosa, aminoácidos en bases púricas y pirimidínicas…).

Rutas metabólicas de la glucosa en el hígado.

REGULACIÓN: la Bioquímica estudia no sólo cómo un compuesto se transforma en otro, sino que también estudia la velocidad con la que esta transformación tiene lugar, y cómo diferentes elementos y compuestos regulan los flujos en estos procesos. Y trata de establecer la activación o la inhibición de las diferentes rutas metabólicas y qué repercusiones tienen a nivel fisiológico.

Flujo de energía en forma de ATP/ADP Figura de "Principios de Bioquímica" Lehninger, Nelson y Cox. Ed. Omega, Barcelona 1993.

Para cubrir estos objetivos de la Bioquímica, los bioquímicos hemos tenido que aislar las numerosas moléculas que componen las células, determinar sus estructuras y analizar la forma en que funcionan. Teniendo siempre presente que es una ciencia experimental - empírica -, es decir que todo lo que estudiamos deriva de hipótesis concebidas en base observaciones y

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contrarrestadas por experimentos. Utilizando lo que se conoce bajo el nombre de Método científico. El método científico no es más que un sistema de razonamiento, que normalmente tiene la siguientes etapas:

Fases del método científico.

La bioquímica, como ciencia empírica, sigue el método científico con el fin de resolver cuestiones sobre determinados fenómenos, tal y como ocurre en todas las ciencias experimentales. Así pues, frente a un problema que se quiera resolver o sobre el que se quiera profundizar, puede plantearse una hipótesis, a partir de una información previa, sobre su resolución. En función de la hipótesis, se realizará un diseño experimental que permita descartarla o bien aceptarla. El diseño experimental se fundamentará en toda una serie de técnicas y métodos, que permitirán llevar a cabo la fase experimental, a partir de la cual se obtendrá una serie de resultados. Los datos obtenidos deberán ser interpretados, extrayéndose unas conclusiones que nos permitan rechazar o aceptar la hipótesis de partida, aunque normalmente suelen conllevar nuevas cuestiones o nuevos problemas, que deberán ser investigados. Todo esto supone aumentar el conocimiento sobre un tema determinado, pero es evidente que difícilmente podremos conocer toda la verdad sin que se planteen nuevas preguntas y que la aceptación temporal de una hipótesis va a depender, en gran medida, de la instrumentación, las técnicas y los conocimientos científicos del momento. De ahí que la ciencia esté en continua evolución y que viejas teorías se vayan descartando, cambiando o ampliando.

El principal problema de la Bioquímica es que no somos capaces de apreciar directamente que ocurre en la célula, por lo que normalmente utilizamos métodos

indirectos de manera, que la investigación bioquímica utilizamos métodos y técnicas que nos permiten apreciar e inferir que es lo que ocurre en el interior de la célula.

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Ante la incapacidad de poder percibir, a través de nuestros sentidos, lo que ocurre en un ser vivo en los niveles celular y molecular, han debido desarrollarse una serie de técnicas concretas para ello. A través de una instrumentación y unas técnicas específicas, se pueden obtener toda una serie de datos que permiten discernir lo que ocurre en diferentes niveles en un ser vivo, desde niveles superiores, como son el organismo completo y los tejidos (donde aún son también válidos nuestros propios sentidos) hasta complejos niveles subcelulares y moleculares, pudiéndose llegar, incluso, a postular modelos sobre la estructura de moléculas vitales como, por ejemplo, la del ADN o la de una proteína determinada.

1.2. Ámbito de estudio de la Bioquímica

El campo de la bioquímica es tan amplio como la vida misma. Dondequiera que hay vida, ocurren procesos químicos y físicos. Los bioquímicos estudian estos procesos en microorganismos, vegetales, insectos, peces, aves, mamíferos inferiores y superiores y el hombre.

La bioquímica es esencial en todas las ciencias de la vida: Genética

Fisiología Inmunología Farmacología

Toxicología Patología Nutrición Microbiología Fisiología vegetal Zoología Botánica

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2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE ESTUDIO DE LA BIOQUÍMICA 2.1. Atributo de los seres vivos ¿Qué es lo que diferencia los seres vivos de los seres inanimados?

Son estructuralmente complicados y altamente organizados. Los organismos vivos extraen, transforma y usan energía del entorno. Capacidad de autoreplicarse y autoensamblarse. Cada uno de los componentes de los organismos vivos tiene una función. Debajo la diversidad biológica subyace la uniformidad química

2.2. Principios de la lógica molecular del estado vital

Todos los organismos vivos poseen las mismas clases de subunidades monoméricas.

Existen patrones comunes en la estructura de las macromoléculas biológicas.

La identidad de cada organismo queda preservada por la posesión de un conjunto distintivo de ácidos nucleicos y proteínas .

Funcionalidad molecular: cada una de las partes de la materia viva cumple un propósito o función específica. Excitabilidad: es la capacidad de los seres vivos o de sus partes, de reaccionar frente a un estímulo del medio externo. Reproducción: es la capacidad de los seres vivos de producir una replica igual de si mismos Funciones metabólicas: la capacidad de los seres vivos de extraer y transformar la energía de su entorno a partir de materias primas sencillas, para edificar y mantener sus propias e intrincadas estructuras, así como poder ejercer otras formas de trabajo útil, como la locomoción, esto se consigue mediante cuatro funciones básicas:

NUTRICIÓN

RESPIRACIÓN

EXCRECIÓN

CRECIMIENTO

Se entiende por nutrición el aporte de sustancias alimentarías del exterior al interior del ser vivo. Los materiales que son utilizados (asimilación) para formar materia propia (anabolismo), o bien consumido (catabolismo). El conjunto del catabolismo y el anabolismo constituye el metabolismo.

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La respiración es el proceso por el que se libera la energía contenida en la materia orgánica por oxidación controlada de la misma, en el organismo de un modo análogo a la combustión, pero de una manera gradual y con un mayor aprovechamiento de la energía, para evitar que se libere toda de golpe. Esta energía es utilizada por el anabolismo, locomoción, etc.

La excreción es la liberación de materiales degradados como resultado del catabolismo y cuya presencia en el organismo puede ser nocivo o molesto.

El crecimiento es el aumento de tamaño de los seres vivos, manteniendo es todo momento su estructura. Implica fundamentalmente dos procesos:

Auxesis: aumento de volumen sin que aumente el número de células HIPERTROFIA Meresis: aumento del número de células pero no del volumen HIPERPLASIA

Los seres vivos cumplen todas las leyes de la química y de la física. Aparentemente parece que los seres vivos contradicen la segunda ley de termodinámica, ya que evolucionan consiguiendo un mayor grado de organización. Sin embargo al considerar el proceso global el ser vivo y su entorno el resultado neto es un aumento de la entropía, EL DESORDEN.

Energía de los procesos biológicos.

Los seres vivos crean y mantienen su ordenación interna a expensas de aumentar el desorden del entorno.

Los seres vivos son sistemas abiertos: intercambian energía y materia con su entorno.

Los seres vivos se encuentran normalmente en estado estacionario:

(Cantidad materia)Entra = (Cantidad de materia)Sale (Energía)Entra = (Energía)Sale

Y gracias a que son sistemas estacionarios es posible la vida, porque de esta manera las reacciones que tienen lugar en un ser vivo se encuentran alejadas del equilibrio, y es el retorno a la situación de equilibrio, que nunca se alcanza, lo que permite la vida.

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Equilibrio químico y el símil con los vasos comunicantes.

El principio de Le Chatelier, que dice que: Cuando sobre un sistema que se encuentra en equilibrio (físico o químico) se ejerce una acción variando las condiciones exteriores, el equilibrio se desplaza de tal modo que tiende a contrarrestar la acción exterior. Si aumenta la concentración de A el equilibrio se desplaza hacia la formación de B de tal manera que se mantenga la constante de equilibrio.

Desplazamiento de un equilibrio químico.

Símil de los vasos comunicantes y la evolución del equilibrio químico.

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3. ORGANIZACIÓN CELULAR

Los procesos químicos y físicos de todo tipo, no constituyen por si mismos el proceso vital, pues tienen lugar en un espacio definido, la célula, que presenta además compartimentos y estos a su vez se encuentran compartimentados.

Ilustración esquemática de los dos tipos de célula eucariótica: una animal representativa (a) y una vegetal representativa (b). Figura de "Principios de Bioquímica" Lehninger, Nelson y Cox. Ed. Omega, Barcelona 1993.

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4. CONCEPTO GENERAL DEL METABOLISMO: ANABOLISMO Y CATABOLISMO

El metabolismo es el conjunto de todas la reacciones físicas y químicas que tienen lugar en un ser vivo, teniendo en cuenta que estas reacciones tienen lugar en un determinado compartimiento de la célula y que tiene existir un control de las mismas.

Mapa de las principales vías metabólicas de una célula típica. Las principales vías del metabolismo de la glucosa aparecen sombreadas. [Diseñado por D.E. Nicholson. Publicado por BDH Ltd., Pool 2, Dosert Inglaterra]. Figura de “Bioquímica” Voet, y Voet, Omega, Barcelona 1992.

Las miles de reacciones químicas catalizadas por enzimas en el interior de las células se encuentran organizadas en muchas secuencias diferentes de reacciones consecutivas denominadas rutas o vías, en las que el producto de una reacción pasa a ser el sustrato de la

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siguiente. El conjunto de todas las rutas metabólicas se conoce con el nombre de red metabólica. Algunas de estas secuencias de reacciones catalizadas por enzimas degradan nutrientes orgánicos transformándolos en productos finales simples, con el fin de extraer de ellos energía química y convertirla en una forma útil para la célula. El conjunto de estas reacciones degradativas, productoras de energía libre, se denomina en su conjunto catabolismo. Otras rutas catalizadas por enzimas parten de pequeñas moléculas precursoras convirtiéndolas en moléculas progresivamente mayores y más complejas, entre las que se incluyen las proteínas y los ácidos nucleicos; estas rutas sintéticas requieren invariablemente un aporte de energía, y en su conjunto se denominan anabolismo. La compleja red de reacciones catalizadas por enzimas constituyen el metabolismo celular.

Relaciones energéticas entre las rutas catabólicas y anabólicas. Las rutas catabólicas rinden energía química en forma de ATP y de NADPH. Estos transportadores se emplean en las rutas biosintéticas para convertir precursores pequeños en macromoléculas de la célula.

La moneda de transferencia de energía es el ATP -trifosfato de adenosina-, esta molécula transporta energía química entre las diferentes rutas metabólicas gracias a ser un reactivo intermediario capaz de acoplar reacciones endergónicas con exergónicas. El ATP aporta la energía necesaria para realizar diferentes actividades en el organismo (biosíntesis, trabajo mecánico, trabajo de transporte).

El ATP como moneda energética. El ATP es la fuente de energía para las reacciones de biosíntesis y es un producto de los procesos de degradación de metabolitos complejos.

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La transferencia de energía en las células heterotróficas por medio del sistema ATP-ADP.

4.1. Mecanismos de regulación homeostática Se entiende por homeostasis al conjunto de todos los procesos fisiológicos coordinados, por medio de los cuales el organismo se mantiene en estado estable. ORGANISMOS UNICELULARES

Medio interno y externo de los organismos unicelulares.

La composición interna debe ser constante; la exposición al ambiente (susceptible de sufrir grandes variaciones) le obliga a mantener finos mecanismos de control metabólico.

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ORGANISMOS PLURICELULARES

Medio interno y externo de los organismos pluricelulares,

Existen dos manera principales por los que se lleva a cabo la homeostasis:

Cambios predecibles

Cambios impredecibles o inesperados

Cambios predecibles Si un cambio ambiental es predecible, el organismo puede adoptar unas funciones cíclicas, sincronizadas con las variaciones del medio de forma que se puede dar una respuesta interna periódica a la fluctuación conocida. Este tipo de regulación da lugar a ritmos biológicos, que pueden ser diarios (se les conoce con el nombre ritmos circadianos) o de mayor duración (ritmos lunares -menstruación, ovulación, ciclos reproductores). Son ritmos endógenos más o menos acoplados con los cambios ambientales: reloj interno, la comida, el sueño. Cambios inesperados El interior del organismo puede recibir un aviso, de modo que cualquier alejamiento excesivo de una norma deseable actúe como señal para iniciar una respuesta. Este tipo de mecanismos se conocen con el nombre de mecanismos de regulación FEED-BACK o RETROALIMENTACIÓN que pueden ser negativos y positivos. Comentemos una serie de ejemplos: El hombre mantiene los niveles sanguíneos de glucosa dentro de unos márgenes muy estrechos, del orden de 5 mM, y sintetiza glucosa a partir de aminoácidos si los niveles son inferiores a este valor de referencia, proceso regulado por la hormona glucagón, que provoca un aumento de la síntesis de glucosa y una disminución de su utilización. La producción de glucosa sería indefinida sino existiera una señal de parada, que existe, y es un mecanismo que detecta que la glucosa sanguínea se encuentra sobre un valor 6 mM, lo que provoca la liberación de una hormona la insulina, que tiene como efectos un aumento de la utilización de glucosa y una inhibición de su producción.

Los elementos de un mecanismos FEED-BACK o RETROALIMENTACIÓN son:

Detector

Controlador o Regulador

Efector

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Detector

Es el que detecta el cambio ambiental y envía el aviso. En el caso de la glucosa es el páncreas. Cuando la concentración de glucosa es elevada las células liberan insulinaislotes de Langerhans liberan glucagón. Controlador Descifra el aviso y activa una respuesta induciendo la acción del efector. Siguiendo con el ejemplo sería el páncreas que liberaría la insulina y glucagón. Efector Ejecuta la respuesta. En este caso la insulina alcanza los diferentes tejidos y provoca los efectos de activar la utilización de la glucosa e inhibir la producción de la misma. Mientras que el glucagón tendría los efectos contrarios, inhibiría la utilización de glucosa y activaría su producción.

Regulación de la glucosa de la sangre por la insulina y el glucagón. Las líneas azules indican procesos estimulados por la insulina; las líneas rojas indican los procesos estimulados por glucagón. Los niveles elevados de glucosa provocan la secreción de insulina por el páncreas y unos niveles bajos de glucosa conducen a la liberación de glucagón.

Por ejemplo el frío exterior activa al sistema nervioso (detector) - hipotálamo-, que provoca que llegue una señal la TRH (hormona liberadora de la tirotropina) a la hipófisis para que segregue una hormona TSH (tirotropina), la hipófisis actuaría como controlador. La TSH alcanzaría el tiroides y este segregaría las hormonas tiroideas T3 y T4 (triiodotironina y la tiroxina) actuando como amplificador. Las hormonas tiroideas actúan sobre las diferentes células del organismo efector, provocando un aumento de la actividad metabólica y producción de calor. Este mecanismo que es POSITIVO, tiene un mecanismo de control FEED-BACK NEGATIVO, ya que tanto la TRH como la TSH inhiben la producción TRH.

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Mecanismos de activación de las hormonas tiroideas.

A un nivel más básico de regulación, por ejemplo de una vía metabólica:

Esquema de una vía metabólica.

Cuando se alcanza una elevada cantidad de producto final de la vía, éste puede inhibirse el primer enzima de la cadena, con lo que se para la vía metabólica emitiendo un mecanismos de FEED-BACK negativo. O cuando se acumula el sustrato inicial de una vía puede activarse el primer enzima de la vía tenido un mecanismo FEED-BACK positivo.

Mecanismos feed-back negativos y positivos en una vía metabólica.

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RESUMEN

La bioquímica es la ciencia que tiene por objeto estudiar la composición química de los seres vivos, las relaciones entre dichos materiales, sus transformaciones, la regulación y el funcionamiento de estos procesos y, por decirlo de alguna manera, las repercusiones que tienen a nivel de la fisiología de los organismos.

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En la actualidad, la bioquímica tiene una influencia trascendental en nuestra vida. Nos da el conocimiento básico de los procesos de la vida; trata de explicar el origen de las enfermedades y busca cómo remediarla; encontrar la manera de mejorar la alimentación y desarrollar nuevos métodos de biotecnología para resolver problemas científicos.

Todos los organismos vivos poseen las mismas clases de subunidades monoméricas.

Existen patrones comunes en la estructura de las macromoléculas biológicas. La identidad de cada organismo queda preservada por la posesión de un conjunto distintivo de ácidos nucleicos y proteínas. Además cada una de las partes de la materia viva cumple un propósito o función específica.

Los seres vivos cumplen todas las leyes de la química y la física. Pero estos procesos

químicos y físicos no constituyen por si mismos el proceso vital, pues tienen lugar en un espacio definido, la célula, que presenta además compartimentos y estos a su vez se encuentran compartimentados.

El metabolismo es el conjunto de todas la reacciones físicas y químicas que tienen lugar en

un ser vivo (catabolismo y anabolismo), teniendo en cuenta que estas reacciones tienen lugar en un determinado compartimiento de la célula y que tiene existir un control de las mismas. Así la homeostasis al conjunto de todos los procesos fisiológicos coordinados, por medio de los cuales el organismo se mantiene en estado estable. Estos mecanismos pueden ser por retroalimentación (feed back) positivos o negativos.