bioquimica 1
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BIOQUIMICA
Yolanda Salazar
Tema 1. Introducción a la Bioquímica
Fundamentos celulares.
Composición química.
Fundamentos genéticos.
Fundamentos evolutivos.
Seres vivos y energía.
La extraordinaria variedad de los seres vivos
Características de los seres vivos
Seres vivos: nacen, crecen, se reproducen y
mueren. Además intercambian materia, energía e
información con el medio que les rodea.
¿Qué es la vida? Una propiedad que no se puede
definir ni medir. Algunas de sus manifestaciones
pueden ser medidas, otras solo observadas.
Las manifestaciones de la vida que se pueden
medir son objeto de estudio de la Bioquímica.
Un ser vivo procede de otro ser vivo, no puede
haber vida a partir de materia inanimada.
Bioquímica: definición y principios
La Bioquímica es la ciencia que
estudia los seres vivos a nivel
molecular mediante técnicas y
métodos físicos, químicos y
biológicos.
Objeto de estudio de la Bioquímica: las
sustancias químicas constituyentes de los
seres vivos
Separación y caracterización.
¿En qué concentración se encuentran?
¿Cuáles son sus propiedades?
¿Cómo y porqué se transforman?
¿Cómo obtienen la energía y la utilizan?
¿Porqué son estructuras muy ordenadas?
¿Cómo se transmite la información genética?
¿Cómo se expresa y controla la información genética?
Técnicas más utilizadas en la investigación Bioquímica
Técnicas de separación: electroforesis,
cromatografía.
Técnicas analíticas: espectrometría,
fluorimetría, difracción de rayos X,
resonancia magnética nuclear (RMN),
dicroísmo circular.
Fundamentos celulares
Células procariotas y eucariotas
Tres dominios en los seres vivos
Fotótrofos y quimiótrofos
Citoesqueleto
Complejos macromoleculares
Membrana Plasmática
La membrana plasmática define la extensión de la célula y
mantiene las diferencias esenciales entre el contenido de ésta
y su entorno.
•No es una barrera pasiva
•Es un filtro altamente selectivo que mantiene la desigual
concentración de iones a ambos lados de ella.
•Permite que los nutrientes penetren y los productos residuales
salgan de la célula.
Estructura general de los fosfolípidos:
O
PO O-
O
CH2CHCH2
Grupo Hidrofílico
(polar)
Colas Hidrofóbicas
(no polar)
Doble enlace cis
O
PO O-
O
CH2CHCH2
Cadenas hidrocarbonadas
Saturadas rectas
Cadenas hidrocarbonadas
Insaturadas con dobles enlaces cis
Componentes bioquímicos de
las membranasLípidos
Fosfolípidos
Grupo de cabeza polar
Componentes bioquímicos de
las membranasLípidos:
Glucolípidos
•Lípidos que contienen oligosacáridos
•Se encuentran únicamente en la mitad exterior de la bicapa
•Suelen constituir el 5% de las moléculas lipídicas de la monocapa exterior.
Espacio Extracelular
Citosol
Componentes bioquímicos
de las membranas
Lípidos:
Colesterol
Cabeza polar
Estructura
rígida
del anillo
esteroide
Cola
hidrocarbonada
no polar Posición del colesterol
en la bicapa
Cabeza polar
Región rígida
de colesterol
Región más
fluída
Citoplasma
El citoplasma está compuestopor una disolución acuosa, elcitosol, y una variedad departículas en suspensión confunciones específicas.
El citosol es una solución muyconcentrada que contiene:enzimas y las moléculas de RNAque los codifican; lassubunidades monoméricas(aminoácidos y nucleótidos) apartir de las cuales se formanestas macromoléculas;centenares de pequeñasmoléculas orgánicasdenominadas metabolitos.
Todas las células tienen, almenos durante una parte de suciclo vital, un núcleo o unnucleoide, en el que sealmacena y replica el genoma.
Células
Las células que poseen envoltura nuclear se
denominan eucariotas (del griego eu,"verdadero",
y karyoyi, "núcleo"); las que no poseen envoltura
nuclear (las células bacterianas) se denominan
procariotas (del griego pro, "antes").
Dimensiones Celulares
La mayor parte de células son de tamañomicroscópico. El diámetro típico de las célulasanimales y vegetales es de unos 5 a 100 /um, ymuchas bacterias tienen una longitud de tan sólo 1a 2 /um
El límite superior del tamaño celular viene marcadopor la velocidad de difusión de las moléculasdisueltas en sistemas acuosos.
La relación superficie/volumen representa elteórico límite superior del tamaño de la célula.
Filogenia de los tres
dominios de la vida
Procariotas: las arquebacterias (del griego archa, "origen") y las eubacterias(del griego eu, "verdadero").
Eubacterias habitan en el suelo, en las aguas superficiales y en los tejidos de otros organismos vivos o en descomposición (Escherichia coli)
Arquebacterias se han descubiertas recientemente habitan en medios muy extremos.
Eucarióticos, constituyen el tercer dominio.
Hábitats
Los hábitats aeróbicos, con abundante oxígeno, los organismos obtienen su energía mediante la transferencia de electrones desde las moléculas de combustible al oxígeno.
Anaeróbicos, privados de oxígeno, lo que obliga a que los microorganismos aobtener su energía mediante la transferencia de electrones hacia el nitrato
Los organismospueden clasificarsea partir de suforma de obtener
la energía y elcarbono quenecesitan para lasíntesis de materialcelular
Escherichia coli es la célula procarióticamejor estudiada
Procariotas
La E. coli tiene aproximadamente 2
um de longitud
Posee una membrana externa
protectora y una membrana
plasmática interna que engloba el
citoplasma y el nucleoide.
Entre las membranas interna y externa
se sitúa una capa fina pero resistente
de peptidoglucanos que proporciona
a la célula su forma y rigidez
características.
La membrana plasmática y las capas
que la rodean constituyen la
envoltura celular.
Es del grupo Archaea
Eucariotas
Son mucho
mayores que las
células
procarióticas.
Núcleo y los
orgánulos
rodeados de
membrana que
llevan a cabo
funciones
específicas.
Células vegetales
vacuolas y
cloroplastos.
Albert Claude,
Christian de Duve
y George Palade
Citoesqueleto
Filamentos de proteína que se entrecruzan en la célula eucariótica y
forman una trama tridimensional e interconectada.
Actina, los microtúbulos y los filamentos intermedios.
Estructura y organización al citoplasma y mantienen la forma de la célula.
Los filamentos de actina y los microtúbulos colaboran también en el
movimiento de los orgánulos o en el movimiento celular global.
Citoplasma dinámico
Los filamentos del citoesqueleto se desagregan para reestructurarse en
otro lugar distinto. Las vesículas membranosas brotan de un orgánulo y se
fusionan con otro.
Los orgánulos se mueven por el citoplasma a lo largo de filamentos de
proteína gracias a la energía de motores proteicos.
La exocitosis y la endocitosis, mecanismos de transporte (hacia el exterior
y el interior de las células, respectivamente) .
Las células construyen
estructuras supramoleculares
Las macromoléculas y sus subunidades monoméricas son de tamaño muy
diferente.
Las subunidades monoméricas de proteínas, ácidos nucleicos y
polisacáridos se unen mediante enlaces covalentes. Sin embargo, en
complejos supramoleculares, las macromoléculas se mantienen unidas
mediante interacciones no covalentes -mucho más débiles,
individualmente, que los enlaces covalentes
Resumen
Todas las células están rodeadas por una membrana plasmática,poseen un citosol que contiene metabolitos, coenzimas, ionesinorgánicos y enzimas y poseen un conjunto de genes contenidosen un nucleoide (procariotas) o un núcleo (eucariotas).
Los fotótrofos utilizan la luz del sol para realizar trabajo; losquimiótrofos oxidan combustibles mediante la transferencia deelectrones a buenos aceptores electrónicos: compuestosinorgánicos, compuestos orgánicos u oxígeno molecular.
Las células bacterianas contienen un citosol, un nucleoide yplásmidos. Las células eucarióticas tienen un núcleo y contienenorgánulos específicos, los cuales pueden ser separados yestudiados de modo aislado.
Las proteínas del citoesqueleto se asocian formando largosfilamentos que confieren forma y rigidez a las células y son elsoporte para el movimiento de los orgánulos a través de la célula.
Los complejos supramoleculares se mantienen estables medianteinteracciones no covalentes y dan lugar a estructuras de diversostamaños.
Fundamentos químicos
Antoine Lavoisier (1743-1794) observó la
relativa simplicidad química del "mundo
mineral" en contraste con la complejidad
de los "mundos animal y vegetal"; se sabía
que estos últimos estaban formados por
compuestos ricos en carbono, oxígeno,
nitrógeno y fósforo.
Composición de los seres vivos
Solamente unos 30 elementos químicos de los más de 90 presentes en la naturaleza son esenciales para los seres vivos
La mayoría tienen un número atómico bajo, por debajo de 34.
Los más abundantes son: H, O, C, N (estos 4 constituyen más del 99% de la masa celular), P, S, Na, K, Cl.
Oligoelementos: Fe, Mn, Mg, Zn, Mo, Se, etc.
Imprescindibles para la actividad de ciertas proteínas.
http://www.lenntech.es/periodica/tabla-periodica.htm
Tabla Periódica
Poco abundante en la corteza terrestre (0.027%). Se encuentra puro
(grafito, diamante) y combinado formando sales (carbonatos).
Su importancia radica en su presencia en los seres vivos.
Hace 150 años se le denominó compuesto orgánico.
Gran facilidad para enlazarse con otros átomos pequeños.
La química de los organismos vivos se organiza alrededor del
carbono, que representa más de la mitad del peso seco de las
células. El carbono puede formar enlaces simples con átomos de
hidrógeno y tanto enlaces simples como dobles con los átomos de
oxígeno y de nitrógeno.
El dióxido de carbono (CO2) es un componente secundario de la
atmósfera. Contribuye al llamado efecto invernadero. Es la fuente de
C para todas las moléculas orgánicas halladas en los organismos.
El monóxido de carbono (CO) es un gas tóxico porque interfiere en la
capacidad de la hemoglobina de unirse al oxígeno
Biomoeculas compuestos
de carbono
Carbono
La mayoría soncompuestos orgánicos(esqueletocarbonado).
Los C pueden formarcadenas lineales,ramificadas ycirculares.
Al esqueletocarbonado se leañaden grupos deotros átomos, llamadosgrupos funcionales.
Las propiedadesquímicas vienendeterminadas por losgrupos funcionales
Biomoléculas
Moléculas sencillas: metabolitos y unidades
estructurales (glucosa, piruvato, ácidos
grasos).
Gran parte de las moléculas biológicas
son macromoléculas, polímeros de alta
masa molecular construidos a partir de
precursores relativamente simples. Las
proteínas, los ácidos nucleicos y los
polisacáridos son el resultado de la
polimerización de subunidades
relativamente pequeñas de masa
molecular relativa igual o inferior a 500.
Macromoleculas
Proteínas, largos polímeros de aminoácidos, constituyen,excluyendo el agua, la fracción celular más importante. Algunasproteínas tienen propiedades catalíticas y actúan comoenzimas.
Los ácidos nucleicos, DNA y RNA, son polímeros de nucleótidos.Almacenan y transmiten la información genética y algunasmoléculas de RNA desempeñan papeles estructurales ycatalíticos en complejos supramoleculares.
Los polisacáridos, polímeros de azúcares simples como laglucosa, tienen dos funciones: sirven como almacén decombustibles energéticos y como elementos estructuralesextracelulares que proporcionan sitios de fijación específicospara determinadas proteínas.
Los lípidos, derivados grasos o aceitosos de hidrocarburos, sirvencomo componentes estructurales de las membranas, reserva decombustible rico en energía, pigmentos y señales intracelulares.
Macromoleculas
Los enlaces covalentes y los grupos funcionales de las biomoléculas sonde importancia central para su función, al igual que la distribución de losátomos de una biomolécula en el espacio tridimensional (suestereoquímica).
Los compuestos de carbono existen normalmente comoestereoisómeros, moléculas que contienen los mismos enlaces químicospero con una estereoquímica diferente, es decir, con diferenteconfiguración o relación espacial entre sus átomos constituyentes.
Las interacciones entre las biomoléculas son invariablementeestereoespecíficas, lo que implica que las moléculas que interactúandeben tener una estereoquímica concreta.
Estructura Tridimencional
Las interacciones
biológicas entre
moléculas son
estereoespecíficas: su
"encaje" debe ser
correcto
estereoquímicamente. La
estructura tridimensional
de las biomoléculas
grandes y pequeñas es
de importancia primordial
en sus interacciones
biológicas: un reactivo
con su enzima, una
hormona con su receptor
de membrana celular, un
antígeno con su
anticúenlo específico son
ejemplos de ello.
Interacciones
Estereoespecíficas
Gracias a su versatilidad de enlace, el átomo de carbono puede
producir una amplia variedad de esqueletos carbono-carbono
con diversidad de grupos funcionales; estos grupos son los que
confieren su personalidad biológica y química a las biomoléculas.
Las células vivas contienen un conjunto casi universal compuesto
por unos centenares de moléculas de baja masa molecular.
Las proteínas y los ácidos nucleicos son polímeros lineales de
subunidades monoméricas simples; sus secuencias contienen la
información para definir su estructura tridimensional y sus funciones
biológicas.
La única manera de cambiar la configuración molecular es
mediante la rotura de enlaces covalentes. Si un átomo de carbono
tiene cuatro sustituyentes diferentes, éstos pueden ordenarse de
dos modos diferentes, generando estereoisómeros con
propiedades diferentes.
De modo prácticamente invariable, las interacciones entre
moléculas biológicas son estereoespecíficas: requieren el encaje
complementario entre las moléculas que interactúan.
Resumen
Fundamentos Físicos
Las células han desarrollado, a lo largo de laevolución, mecanismos muy eficientes para elacoplamiento de la energía obtenida de la luzsolar o de los combustibles con muchos procesoscelulares que consumen energía. Uno de losobjetivos de la bioquímica es la comprensión, entérminos químicos y cuantitativos, de losmecanismos de extracción, canalización yconsumo de la energía en las células vivas.Podemos considerar las conversiones de laenergía celular en el contexto de las leyes de latermodinamica.
Los organismos vivos
existen en un estado
estacionario dinámico y
no se encuentran nunca
en equilibrio con los de su
entorno.
Los organismos
transforman energía y
materia de su entorno.
Sistema, entorno, universo
Aislado, Cerrado, Abierto
Nutrientes, Luz solar.
El flujo de electrones
proporciona energía para
los organismos.
Fundamentos físicos
Las células no
fotosintéticas extraen
energía para sus
necesidades mediante la
oxidación de los
productos ricos en
energía.
El DNA, el RNA y las
proteínas son
macromoléculas
informativas. Además de
usar energía química para
formar los enlaces
covalentes entre las
subunidades de estos
polímeros, las células
deben invertir energía
para ordenar las
subunidades en su
secuencia correcta.
Fundamentos físicos
La cuestión central de la bioenergética es el modo mediante el
cual la energía obtenida de la luz o del metabolismo de los
combustibles se acopla a la energía requerida por las
reacciones celulares.
Todas las reacciones químicas celulares tienen lugar a una
velocidad significativa gracias a la presencia de enzimas -biocatalizadores que provocan un gran incremento en la
velocidad de reacciones químicas específicas sin consumirse en
el proceso.
Las células vivas no son sólo capaces de sintetizar
simultáneamente miles de clases diferentes de moléculas sino
que además son capaces de hacerlo en las proporciones
precisas que son necesarias para la célula en cualquier situación
Fundamentos físicos
Metabolismo
El metabolismo es la suma de muchas
secuencias de reacciones
interconectadas en las que se
interconvierten metabolitos celulares.
Cada secuencia está regulada de
manera que produzca lo que la célula
necesita en cada momento y consuma
sólo la energía necesaria.
Las células vivas son sistemas abiertos que intercambian materia y
energía con su entorno, extrayendo y canalizando energía para
mantenerse en un estado estacionario dinámico distante del
equilibrio. La energía se obtiene de la luz solar o de los
combustibles, conviniendo la energía de un flujo electrónico en
energía de los enlaces químicos del ATP.
La tendencia de una reacción química para llegar al equilibrio
puede expresarse como la variación en su energía libre AG
La mayor parte de las reacciones celulares tiene lugar a
velocidades útiles porque existen enzimas que las catalizan.
El metabolismo es la suma de muchas secuencias de reacciones
interconectadas en las que se interconvierten metabolitos
celulares. Cada secuencia está regulada de manera que
produzca lo que la célula necesita en cada momento y consuma
sólo la energía necesaria.
Resumen
Fundamentos Genéticos
Posiblemente, la propiedad más notable de
las células y organismos vivos es su
capacidad para reproducirse con fidelidad
casi perfecta a lo largo de incontables
generaciones. Esta continuidad de rasgos
heredados implica que, a lo largo de millones
de años, la estructura de las moléculas que
contienen la información genética ha
debido permanecer constante.
Acido desoxirribonucleico oDNA, los nucleótidos (o másexactamente, losdesoxirribonucleótidos) de
este polímero lineal, llevacodificadas las instruccionespara formar todos los demáscomponentes celulares yactúa además como moldepara la producción demoléculas idénticas de DNAque serán distribuidas a la
progenie al dividirse la célula.
La estructura del DNA haceposible su replicación yreparación casi perfecta.
La secuencia lineal del DNAcodifica proteínas conestructura tridimensionales.
Fundamentos Genéticos
La información genética está codificada en lasecuencia lineal de cuatro desoxirribonucleótidosen el DNA.
La molécula de DNA en doble hélice contiene unmolde interno que permite su propia replicación yreparación.
La secuencia lineal de aminoácidos de unaproteína, codificada en el DNA del gen de esaproteína, da lugar a una estructura tridimensionalproteica que es exclusiva para esa proteína.
Ciertas macromoléculas individuales con afinidadespecífica para con otras macromoléculasforman complejos supramoleculares
Resumen
Fundamentos Evolutivos
El alto grado de similitud entre las víasmetabólicas y las secuencias génicas deorganismos, es un robusto argumento a favorde la hipótesis de que todos los organismosmodernos comparten un progenitorevolutivo común y derivaron a partir de él através de una larga serie de pequeñoscambios (mutaciones) que conferían, encada caso, mas ventaja selectiva a unorganismo dado en un nicho ecológicoconcreto.
A pesar de la fidelidad casiperfecta de la replicacióngenética, ciertos erroresmuy poco frecuentes queno han sido reparadosdurante la replicación delDNA producen variacionesen la secuencianucleotídica del DNA,dando lugar a unamutación.
Fundamentos Genéticos
Luego de una lectura comprensiva del
capitulo Fundamentos evolutivos.
Exprese su criterio sobre la lectura
realizada, a través de un mapa mental.
Entregue el trabajo el miércoles 17 de
octubre de 2012 en la hora de clase.
Fundamentos Genéticos
Taller en el aula
Gracias por su atención