Bioquímica: Introducción, agua y pH

• El material de estudio se divide en dos subtemas principales: la definición de bioquímica y sus generalidades, y el agua y el pH.
• El objetivo de la bioquímica es definir los conceptos generales y la importancia de sus procesos en los seres vivos.

Definición de Bioquímica

• La bioquímica es la ciencia de la base química de la vida, del griego "bios" que significa vida.
• La célula es la unidad estructural de los sistemas vivos, por lo tanto, la bioquímica también puede describirse como la ciencia de los constituyentes químicos de las células vivas, y de las reacciones y los procesos que experimentan.
• La bioquímica abarca áreas como la biología celular, biología molecular y genética molecular.
• El objetivo es describir y explicar en términos moleculares todos los procesos químicos de las células vivas.
• El principal objetivo es el entendimiento completo a nivel molecular de todos los procesos químicos relacionados con las células vivas.
• Otros objetivos incluyen entender los orígenes de la vida sobre la Tierra e integrar el conocimiento bioquímico para mantener la salud, entender las enfermedades y tratarlas eficazmente.
• El conocimiento de la bioquímica es esencial para todas las ciencias de la vida.
• La bioquímica de los ácidos nucleicos es crucial en genética.
• La biología celular y la fisiología están estrechamente ligadas.
• La inmunología y la farmacología utilizan técnicas bioquímicas.
• Los venenos se estudian en toxicología desde una perspectiva bioquímica.
• La patología, incluyendo enfermedades como el cáncer, se investiga con métodos bioquímicos.
• Los métodos bioquímicos son ampliamente empleados en diversas áreas de la investigación científica.
• Está emergiendo como un lenguaje común en las ciencias de la vida.
• Una relación recíproca entre la bioquímica y la medicina ha estimulado avances mutuos.
• Existen diversos métodos para separar y purificar las biomoléculas, como el fraccionamiento de sal, cromatografía, electroforesis y ultracentrifugación.
• También se usan métodos para determinar estructuras biomoleculares como el análisis elemental y espectroscopia.
• En los laboratorios de bioquímica se utilizan métodos comunes como preparaciones para estudiar procesos, como el animal entero y órgano perfundido aislado.
• Casi todas las enfermedades tienen una base bioquímica, incluyendo aquellas causadas por agentes físicos, químicos, biológicos, falta de oxígeno, trastornos genéticos, reacciones inmunitarias, desequilibrios nutricionales y endocrinos.

Bioquímica y Medicina

• La OMS define la salud como el estado de completo bienestar físico, mental y social, y no sólo la ausencia de enfermedad.
• Desde un punto de vista bioquímico, la salud es una situación en la cual miles de reacciones intracelulares y extracelulares que ocurren en el cuerpo proceden a índices acorde con la supervivencia máxima del organismo en el estado fisiológico.

Agua y PH

• El agua es el componente químico predominante en los organismos vivos y posee propiedades físicas singulares por su estructura bipolar y capacidad para formar enlaces de hidrógeno.
• Alrededor del 60% del agua total del organismo es intracelular y 40% extracelular; el agua extracelular incluye el líquido en el plasma y el agua intersticial.
• El agua transcelular, es una proporción pequeña y especializada de agua extracelular.
• También tiene una tendencia a disociarse en iones hidróxido y protones, influyendo en la acidez de las soluciones acuosas.
• Una molécula de agua es un tetraedro irregular y asimétrico con oxígeno en su centro.
• La constante dieléctrica alta del agua depende de su dipolo fuerte, siendo 78.5; para un vacío, la constante dieléctrica es la unidad.
• La formación de enlaces de hidrógeno influye las propiedades físicas del agua, explicando su viscosidad, tensión superficial y punto de ebullición altos.
• Estos enlaces débiles y transitorios, con una vida media de nanosegundos.
• La interacción con el agua influye la estructura de las biomoléculas.
• Los enlaces covalentes y no covalentes estabilizan las moléculas biológicas.
• Casi todas las biomoléculas son anfipáticas, con regiones polares/cargadas e hidrofóbicas.
• El agua es un excelente nucleófilo.
• Las reacciones metabólicas comprenden el ataque por pares solitarios de electrones (nucleófilos) sobre átomos con pocos electrones (electrófilos).
• El ataque nucleofílico por agua origina la división de enlaces amida, glucósido o éster, conocido como hidrólisis.
• Las moléculas de agua muestran una tendencia leve pero importante a disociarse formando un ion hidronio y un ion hidróxido.
• La capacidad del agua para ionizarse es fundamental para la vida.
• El pH es el logaritmo negativo de la concentración de ion hidrógeno y se calcula en varios pasos:
  • Se calcula la concentración de ion hidrógeno [H+].
  • Se calcula el logaritmo base 10 de [H+].
  • El pH es el negativo del valor calculado.
• Los valores de pH bajos corresponden a concentraciones altas de H+, y los valores de pH altos a concentraciones bajas de H+.
• Los ácidos son donadores de protones y las bases son aceptores de protones.
• Los grupos carboxilo, amino y ésteres fosfato son ejemplos de grupos funcionales que son ácidos débiles de gran importancia fisiológica, estos están presentes en proteínas, ácidos nucleicos, coenzimas y metabolitos intermediarios.
• Las soluciones de ácidos o bases débiles y sus conjugados muestran amortiguación, es decir, la capacidad de resistir a un cambio del pH después de la adición de un ácido o una base fuerte.
• El mantenimiento de un pH constante comprende amortiguación mediante fosfato, bicarbonato y proteínas, que resisten cambios del pH aceptando o liberando protones.
• La cohesión se refiere a la atracción que tienen las moléculas por otras de su mismo tipo.
• Las fuerzas cohesivas son responsables de la tensión superficial, la cual es el fenómeno que resulta en la tendencia de la superficie de un líquido a resistirse a la ruptura cuando se le somete a tensión o estrés.
• La adhesión es la atracción de moléculas de un tipo por moléculas de otro tipo, para el agua puede ser fuerte especialmente cuando la otra molecula se le aplica carga positiva o negativa.
• El agua tiene características químicas únicas en sus tres estados: sólido, líquido y gas contribuyendo a la regulación termica.
• Las soluciones se clasifican como ácidas o básicas según su concentración de iones hidrógeno relativa al agua pura.
• Las soluciones ácidas tienen mayor concentración de H+ que el agua, y las básicas (alcalinas) tienen menor.
• La escala de pH se usa para clasificar soluciones según su acidez o alcalinidad.
• El pH dentro de las células humanas (6.8) y el de la sangre (7.4) son muy cercanos al neutro.
• Los valores de pH extremos, por arriba o por debajo de 7.0, generalmente se consideran desfavorables para la vida.

Aminoácidos y Péptidos

• Los aminoácidos son los monómeros que componen las proteínas.
• Una proteína está compuesta de una o más cadenas lineales de aminoácidos, denominadas polipéptido.
• De los más de 300 aminoácidos que existen naturalmente, 20 constituyen las unidades monómero de las proteínas predominantes.
• Se usan abreviaturas de una o tres letras para representar cada aminoácido en los péptidos y proteínas.
• Todos los aminoácidos tienen un grupo amino unido al carbono α, que está unido al grupo carboxilato.
• El carbono α tiene dos sustituyentes adicionales: un átomo de hidrógeno y un grupo químico adicional llamado cadena lateral (-R).
• La cadena lateral es diferente para cada aminoácido y estas determinan el comportamiento químico de un aminoácido.
• Hay aminoácidos con cadenas laterales alifáticas, con grupos hidroxílicos, con átomos de azufre.
• Hay aminoácidos con grupos acídicos o sus amidas y con grupos básicos.
• En las cadenas polipeptídicas, los aminoácidos están unidos a través de enlaces peptídicos entre el ácido carboxílico de un aminoácido y el grupo amino del aminoácido adyacente.
• Los 20 aminoácidos usados para la síntesis de proteínas se pueden agrupar en diferentes clasificaciones a corde con la polaridad y las formas estructurales de las cadenas laterales.
• La cadena lateral de la cisteína posee un grupo sulfhidrilo que tiene un pKa aproximado de 8.4.
• La glicina, el aminoácido de menor tamaño, puede adaptarse en lugares inaccesibles a otros aminoácidos, a menudo se encuentra donde los péptidos muestran flexión aguda.
• Los grupos R hidrofóbicos de alanina, valina, leucina e isoleucina, y los grupos R aromáticos de fenilalanina, tirosina y triptófano, se encuentran típicamente en el interior de proteínas citosólicas.
• Los grupos R cargados de aminoácidos básicos y acídicos estabilizan conformaciones proteínicas especificas por medio de interacciones iónicas o puentes salinos.
• El enlace peptídico se forma en una reacción de síntesis por deshidratación.
• Los péptidos son polielectrolitos.
• La formación de péptidos a partir de aminoácidos se acompaña de una pérdida neta de una carga positiva y otra negativa por cada enlace peptídico formado.

Proteinas

• Las proteínas son una de las moléculas orgánicas más abundantes y diversas en estructura y función en los sistemas vivos.
• Una sola célula puede contener miles de proteínas, cada una con una función única.
• Una red de proteína interna, el citoesqueleto, mantiene la forma y la integridad física celulares.
• La hemoglobina transporta oxígeno, mientras que los anticuerpos circulantes defienden contra invasores extraños.
• Las enzimas catalizan reacciones que generan energía, sintetizan biomoléculas y las degradan, replican genes y los transcriben, procesan mRNA entre otras funciones.
• Las proteínas solubles pueden ser extraídas de células usando soluciones acuosas a pH fisiológico y fuerza iónica, las integrales de membrana requieren disolución de la membrana con detergentes.
• Las proteínas globulares son moléculas compactas, con proporciones axiales de no más de 3. La mayoría de las enzimas son de este tipo, las fibrosas adoptan conformaciones muy extendidas (proporciones axiales de 10 o más).
• Las proteínas con grupos no proteínicos incluyen lipoproteínas y glucoproteínas, y las metaloproteínas contienen iones metálicos estrechamente asociados.
• Los cuatro órdenes de la estructura de las proteínas son la primaria (secuencia de aminoácidos), secundaria (plegamiento de segmentos de polipéptido cortos), terciaria (montaje de unidades estructurales secundarias hacia unidades funcionales) y cuaternaria (número y tipos de unidades polipeptídicas en proteínas oligoméricas).
• La estructura terciaria de una proteína es el patrón de plegamiento de los elementos estructurales secundarios en una conformación tridimensional.
• Las fuerzas que mantienen la estructura terciaria son los puentes de hidrógeno, interacciones iónicas, interacciones de van der Waals, efectos hidrófobos y formación de unión disulfuro.
• La flexibilidad es una de las características más importantes de la estructura de las proteínas.
• La estructura cuaternaria de una proteína se refiere a la asociación de subunidades de cadena polipeptídica individual, de forma estequiométrica y geométricamente específica.
• La desnaturalización de las proteínas es la perdida de la organización estructural cuaternaria, terciaria y secundaria, con ello la perdida de las propiedades y funciones de las proteínas.
• Los aminoácidos de un polipéptido se unen a sus vecinos mediante un enlace covalente conocido como enlace peptídico, que se forma en una reacción de síntesis por deshidratación.
• Aunque los péptidos se escriben como si un enlace único enlazara los átomos carboxilo α y nitrógeno α, este enlace de hecho muestra carácter de doble enlace parcial.
• La columna central del péptido de la hélice α está formada por puentes de hidrógeno entre cada átomo de oxígeno de carbonilo y el hidrógeno de la amida (N-H).
• Las cadenas laterales trans de los aminoácidos se proyectan hacia atrás y afuera de la hélice para evitar el obstáculo estérico con la columna central del polipéptido y entre sí.
• En las hojas β, el puente de hidrógeno ocurre por lo general entre regiones de filamentos polipeptídicos contiguos separados y alineados en forma paralela entre sí.
• La estructura terciaria de grandes proteínas complejas se describe con frecuencia en términos de regiones independientes físicamente denominadas dominios estructurales.
• La estructura tridimensional es flexible y dinámica, con movimiento de fluctuación rápida en las posiciones exactas de las cadenas y dominios de los aminoácidos.
• Las estructuras secundarias regulares llamadas hélice α y hoja β contienen elementos repetitivos formados por puentes de hidrógeno entre átomos de las uniones peptídicas.
• Las curvas, asas y giros son estructuras secundarias irregulares que no tienen un elemento repetitivo de formación de puente de hidrógeno.
• La glicina es el aminoácido más simple y apenas se ajusta bien a cualquier clasificación debido a que su cadena lateral es solo un átomo de hidrógeno.
• La alanina y los aminoácidos de cadena ramificada (valina, leucina e isoleucina) tienen cadenas laterales alifáticas (hidrocarburos de cadena abierta) no polares y pesadas y presentan un alto grado de hidrofobicidad.
• El aminoácido prolina contiene un anillo en el que interviene su carbono α y su grupo amino α, que son parte del esqueleto del péptido; es un imino ácido.
• El anillo aromático está formado de seis miembros de carbono-hidrógeno con tres enlaces dobles conjugados (el anillo benceno o grupo fenilo).
• Los grupos hidroxilo y amida de las cadenas laterales permiten a estos aminoácidos formar puentes de hidrógeno con agua, entre ellos y con el esqueleto peptídico, o con otros compuestos polares en los sitios de unión de las proteínas.
• El núcleo de la hélice está densamente empacado, de tal modo que se maximizan así las energías relacionadas entre átomos.
• Los aminoácidos aspartato y glutamato tienen grupos del ácido carboxílico que llevan una carga negativa a pH fisiológico.
• Los aminoácidos básicos histidina, lisina y arginina poseen cadenas laterales que contienen nitrógeno y pueden protonarse y adquirir carga positiva a valores de pH fisiológico y menores.
• Las espirales irregulares, asas y otros segmentos son en general más flexibles que las hélices y hojas plegadas β relativamente rígidas.