Bioquímica Capítulo 1: Conceptos Básicos de Biología Celular

La Bioquímica

• La bioquímica es la ciencia que estudia las bases moleculares de la vida y la composición química de la materia viva.
• La composición química de la célula animal está formada por:
  • Ácidos nucleicos (0.5%)
  • Proteínas (10%)
  • Agua (85%)
  • Carbohidratos (1.0%)
  • Lípidos (2.0%)
  • Minerales (2.0%)

El ADN y el ARN

• El ADN contiene la información genética heredable y sintetiza proteínas.
• El ARN transfiere el código genético del ADN, desde el núcleo al citosol, y traduce el código genético formando proteínas.

La Estructura Celular

• La célula está formada por:
  • Núcleo: centro operativo que guarda, transcribe y replica el ADN.
  • Ribosomas: lee la secuencia de ARN mensajero y traduce el código genético, formando proteínas.
  • Mitocondria: produce la mayor parte de la energía para la respiración celular.
  • Retículo Endoplásmico Rugoso (RER): síntesis de proteínas que van a los lisosomas, membrana y partes externas.
  • Lisosoma: digestión de materia orgánica.
  • Vacuola: almacena sustancias (agua, nutrientes o desechos).

El Agua

• Funciones biológicas del agua:
  • Disolvente: disuelve todo menos las sustancias no polares.
  • Reactivo: interviene en reacciones metabólicas.
  • Estructural: da flexibilidad y elasticidad a las células y tejidos.
  • Termorregulador: reguladora la temperatura corporal.
  • Mecánica-amortiguadora: lubricante y amortiguador del roce entre órganos.
• Distribución del agua en el cuerpo:
  • Agua intracelular (LIC): 40% del total, se encuentra dentro de las células.
  • Agua extracelular (LEC): 20% del total, se encuentra fuera de las células y incluye plasma, linfa, líquido cefalorraquídeo, secreciones.
  • Agua intercelular (intersticial): se encuentra entre las células y se comunica constantemente con el plasma a través de poros en los capilares.

Ácidos y Bases

• Ácidos: liberan iones hidrógeno.
• Bases: captan iones hidrógeno.
• Buffer o tampón: regulator de pH y actúa como ácido o base según sea necesario.

Biomoléculas

• Clasificación según solubilidad en agua:
  • Hidrofílicas: moléculas que forman enlaces con el agua.
  • Hidrofóbicas: moléculas apolares.
  • Anfipáticas: moléculas con una región hidrofóbica y otra hidrofílica.

Proteínas

• Elementos de catálisis, estructural.
• Desnaturalización de proteínas: cambios de pH, equilibrio iónico o temperatura del medio que provocan la pérdida de la estructura y anulación de su capacidad funcional.
• Estructura de proteínas:
  1. Secuencia de una cadena de aminoácidos.
  2. Interacciones presentes en hélices alfa y hojas plegadas.
  3. Interacciones que ocurren en la tercera estructura.
  4. Proteína que consiste en más de una cadena de aminoácidos.

Hidratos de Carbono

• Elemento estructural, fuente energética.
• Funciones:
  • Principal fuente de energía.
  • Material estructural forma parte de la glucocálix.
  • Reserva energética (almidón vegetal y glucógeno).

Lípidos

• Moléculas hidrofóbicas.
• Triglicéridos: ácidos grasos y glicerol.
• Fosfolípidos: 2 ácidos grasos.
• Funciones:
  • Energética como reserva y aislante.
  • Estructural, como parte de las membranas celulares.

Introducción al Metabolismo

• Conjunto de reacciones químicas que se desarrollan en un medio acuoso.
• Organismos autótrofos: utilizan CO2 como única fuente de carbono y sintetizan biomoléculas.
• Organismos heterótrofos: utilizan macromoléculas complejas como fuente de carbono.
• Metabolismo: conjunto de reacciones químicas que se desarrollan en un medio acuoso, con el objetivo de obtener energía química mediante la captura de energía solar o a través de nutrientes ricos en energía.

Regulación del Metabolismo

• Mecanismo de control del metabolismo:
  • Concentración de sustrato o productos.
  • Control enzimático alostérico.
  • Control enzimático hormonal.
• Energía libre o energía libre de Gibbs: valor que define si la reacción es espontánea o no espontánea.
• Fosforilación oxidativa: ocurre en la mitocondria, genera la mayor cantidad de ATP.

Aminoácidos

• Características químicas:
  • Grupo amino.
  • Ácido carboxílico.
  • Hidrógeno.
  • Variable R.
• Punto isoeléctrico: pH en el que la carga neta es igual a 0.
• Clasificación:
  • Estándares: forman parte de las proteínas.
  • No estándares: no forman parte de las proteínas.
  • Esenciales: no son sintetizados por el organismo, deben ser adquiridos en la dieta.
  • No esenciales: son sintetizados por el organismo.
• Polaridad:
  • Polares: cuya cadena lateral posee grupo hidroxilo, azufre o amida.
  • Apolares: cuya cadena lateral es hidrocarbonada.
• Quiralidad: disposición tridimensional que tiene una molécula, cuaternaria y los 4 sustituyentes del carbono son distintos.### Proteínas
• Las proteínas pueden tener diferentes formas y funciones, dependiendo de la secuencia de aminoácidos que las componen.
• Según su acidez, las proteínas pueden ser ácidas (aspartato, glutamato) o básicas (presentan un grupo amino y una carga positiva a pH fisiológico).
• La función biológica de las proteínas se relaciona con su estructura tridimensional, que se debe al plegamiento de la cadena polipeptídica.

Clasificación de Proteínas

• Fibrosas: formadas por un solo tipo de estructura secundaria, son alargadas y mecánicamente fuertes, y se encuentran en estructuras como la queratina, colágeno y elastina.
• Globulares: formadas por varios tipos de estructura secundaria, se organizan de manera compacta y tienen funciones enzimáticas, regulatorias y de transporte.

Desnaturalización de Proteínas

• La desnaturalización es la pérdida de la estructura secundaria, terciaria y cuaternaria de una proteína, manteniendo la primaria.
• Puede ser reversible o no, y total o parcial, y depende de factores como la temperatura, la ionicidad y la presencia de agentes desnaturalizantes.

Enzimas

• Son proteínas que catalizan procesos bioquímicos, poseen un sitios activo y una alta especificidad en sustratos y productos.
• La cinética enzimática se encarga de estudiar la velocidad de acción de las enzimas.
• La ecuación de Michaelis Menten describe la relación entre la velocidad de la reacción y la concentración de sustrato.

Regulación de la Actividad Enzimática

• La actividad enzimática se puede regular mediante la modificación covalente, la inhibición reversible, la inhibición irreversible y la activación por proteólisis.
• La modificación covalente puede ser mediante la fosforilación o desfosforilación.
• La inhibición reversible se puede clasificar en competitiva, no competitiva y mixta.

Carbohidratos

• Los carbohidratos son la principal fuente de energía del organismo.
• Los monosacáridos importantes son la α-glucosa, β-galactosa, fructosa y ribosa.
• La glucólisis es la vía catabólica de la glucosa, que se oxida generando 2 piruvatos y proporcionando energía y otros productos intermedios.

Glucólisis

• La glucólisis ocurre en el citosol y se compone de 10 reacciones, con 10 enzimas específicas.
• La entrada de glucosa a la célula se realiza mediante la difusión facilitada y el cotransportador de sodio/glucosa.
• Los productos principales de la glucólisis son 2 piruvatos, 2 ATP y 2 NADH.### Mecanismo de transporte de glucosa
• La glucosa entra en la célula contra el gradiente y requiere energía.
• El sodio ingresa y da la energía a la glucosa para que pueda entrar.

Fosforilación de glucosa

• La glucosa se fosforila en el carbono 6 para evitar que salga.
• La hexoquinasa toma la glucosa y le agrega un grupo fosfato que se obtiene de la hidrólisis del ATP.
• La hexoquinasa tiene una baja Km, por lo que funciona con pocas concentraciones.

Glucólisis

• La glucólisis es una vía metabólica que se divide en 10 reacciones sucesivas.
• La fase preparatoria genera 2 moléculas de gliceraldehído 3-fosfato.
• La fase de obtención de energía produce 4 ATP (neto 2) y 2 NADH.

Destinos de glucosa 6-fosfato

• Síntesis de polímeros (estructural o glicoproteínas).
• Almacenamiento: Glucógeno (hígado y músculo).
• Oxidación vía glicólisis (2 piruvato).
• Oxidación vía de pentosas fosfatos (ribosa 5-fosfato).

Regulación de la glucólisis

• La hexoquinasa es activada por insulina y concentraciones altas de glucosa.
• La piruvato quinasa es activada por fructosa 2,6-difosfato y concentraciones altas de ATP.

Vías de piruvato

• Vía aeróbica: Piruvato entra en la mitocondria y se descarboxila, generando acetil CoA.
• Vía anaeróbica o fermentación láctica: El piruvato se transforma en lactato.

Ciclo de Cori

• Se produce en el hígado y músculo en condiciones de hipoxia.
• El objetivo es mantener la producción de ATP por glucólisis en el músculo.

Fermentación alcohólica

• El producto es etanol, CO2, ya que hay liberación de carbono.

Fermentación homoláctica

• Ocurre en células que no tienen mitocondrias y células musculares donde no hay suficiente O2.
• La enzima láctico deshidrogenasa cataliza la reacción.

Complejo piruvato deshidrogenasa

• Actúa en 5 pasos y requiere de coenzimas.
• Requiere de 5 coenzimas: TTP, lipoato, CoA, NAD+ y FAD.

Ciclo de Krebs

• Es una ruta metabólica cíclica de reacciones químicas.
• Utiliza oxígeno y es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación de AG y aminoácidos hasta producir CO2 y agua.

Coenzima A

• Está formada por un grupo adenina, una ribosa, ácido pantoténico y un grupo sulfidrilo o tiol.
• Se ocupa un grupo de 2 átomos de carbono del acetil CoA se oxidan totalmente formando 2 moléculas de CO2.

Cadena transportadora de electrones

• Ocurre en la mitocondria por transportadores de electrones (complejos) para que ocurran reacciones de oxidorreducción.
• Se trasfiere al espacio intermembrana.
• La ubiquinona transfiere electrones desde el complejo I o II hacia el complejo III.

Fosforilación oxidativa

• ADP + Fosfato = ATP.
• La energía que se libera en el transporte electrónico (exergónico) y la síntesis de ATP (endergónico) se acoplan por la fuerza protón motriz creada por la CTE.
• La CTE y la ATP sintasa están acopladas para que se produzca la síntesis de ATP.

Inhibidores

• Existen moléculas que se pueden unir a componentes de la CTE o ATP sintasa inhibiéndola.

Gluconeogénesis y glucogenólisis

• Gluconeogénesis: Síntesis de moléculas de glucógeno, usando restos de glucosa UDP-glucosa.
• Glucogenólisis: Degradación de moléculas de glucógeno.

Balance energético

• Por cada NADH que ingresa a la CTE se producen 3 ATP.
• Por cada FADH que ingresa a la CTE se producen 2 ATP.
• El balance final resulta en 36 ATP por glucosa.