Tema 1. Introducción a la biología celular y molecular PDF

Bloque 1. Introducción a la biología celular y molecular. 1. Composición elemental de los seres vivos: Bioelementos y biomoléculas. 2. Procesos celulares. Bioenergética. 3. Metabolismo celular: anabolismo/catabolismo Bioquímica clínica. 1º Enfermería Tema 1 CO...

Bloque 1. Introducción a la biología celular y molecular. 1. Composición elemental de los seres vivos: Bioelementos y biomoléculas. 2. Procesos celulares. Bioenergética. 3. Metabolismo celular: anabolismo/catabolismo Bioquímica clínica. 1º Enfermería Tema 1 COMPOSICIÓN ELEMENTAL DE LOS SERES VIVOS: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS.  Fundamentos químicos de la vida Todos seres vivos están formados por una serie de elementos y compuestos químicos. Los elementos químicos que forman parte de la materia viva se denominan bioelementos. En cualquier ser vivo se pueden encontrar alrededor de setenta elementos químicos, pero no todos son indispensables ni comunes a todos los seres. Atendiendo a su abundancia, los elementos químicos que forman parte de los seres vivos se pueden clasificar en: 1. Elementos biogenésicos primarios o principales 2. Elementos biogenésicos secundarios 3. Elementos biogenésicos traza u oligoelementos  Fundamentos químicos de la vida Primarios o biogenésicos principales: Son los elementos más abundantes en los seres vivos: C, H, O, N, P, S 96% La mayor parte de las moléculas que componen los seres vivos tienen una base de carbono. Este elemento presenta una serie de propiedades que hacen que sea el idóneo para formar estas moléculas. Secundarios: Son elementos que se encuentran en menor proporción en los seres vivos. Ca, Na, K, Cl, I, Mg, Fe 3.9% Se presentan en forma iónica (con carga positiva o negativa). Oligoelementos o elementos traza: Aparecen en muy baja proporción el la materia viva. Cu, Zn, Mn, Co, Ni, Si 0,1%, Alguno de estos elementos no se manifiesta en ciertos seres. Fundamentos químicos de la vida  Fundamentos químicos de la vida En los seres vivos, los bioelementos forman biomoléculas que podemos clasificar en: 1. Inorgánicas (se encuentran en la materia viva y la inerte, es materia no basada en la química del C): Agua Sales minerales Gases: O2, CO2, N2,... 2. Orgánicas (se encuentra únicamente en la materia viva, es la química del carbono): Glúcidos Lípidos Proteínas Ácidos Nucleicos  El átomo de carbono El átomo de carbono (C) tiene 6 electrones, 4 de los electrones en su capa de valencia (órbita más externa) y 2 en la capa más interna (más cercana al núcleo).  El átomo de carbono Al igual que otros no metales, el carbono necesita ocho electrones para completar su envoltura de valencia Por consiguiente, el carbono forma cuatro enlaces con otros átomos (cada enlace representa a uno de los electrones de carbono y uno de los electrones del átomo que se enlazan). La molécula más sencilla que representa esto es el metano CH4. Los enlaces covalentes carbono-carbono pueden ser de tres tipos: sencillos, dobles o triples.  El agua El agua (H2O) es un elemento fundamental para que se dé la vida. El agua es una molécula POLAR. El agua es el disolvente (casi) universal: debido a sus propiedades fisico- químicas, es el mejor disolvente para todas aquellas moléculas polares. Sin embargo, moléculas apolares no se disuelven en el agua.  RECUERDA EL CONCEPTO QUÍMICO DE POLARIDAD La polaridad es una propiedad de las moléculas que representa la separación de las cargas eléctricas dentro de la molécula. Una molécula polar tiene una distribución irregular de la densidad electrónica, lo que resulta en regiones de carga parcialmente negativa y regiones de carga parcialmente positiva. La polaridad molecular depende tanto de la polaridad individual de los enlaces como de la geometría molecular. Esta propiedad se relaciona con otras propiedades químicas y físicas como la solubilidad, punto de fusión, punto de ebullición, fuerza intermolecular, etc.  El agua En el agua, el oxígeno tiene una electronegatividad superior a la del hidrógeno (por lo que tiene una ligera carga negativa), mientras que los átomos de hidrógenos tienen una carga ligeramente positiva. Como resultado el agua tiene un fuerte momento dipolar eléctrico (las moléculas de agua son pues dipolos). Gracias a este fuerte momento dipolar, las moléculas de agua se atraen entre sí con gran facilidad: el lado positivo de una —un átomo de hidrógeno— se asocia con el lado negativo de otra —un átomo de oxígeno. Es decir, el agua es cohesiva (las moléculas de agua tienden a pegarse entre ellas porque son polares). Una fuerte cohesión implica que el agua tiene una alta tensión superficial cuando entra en contacto con el aire.  El agua La atracción electrostática entre la carga parcial positiva cercana a los átomos de hidrógeno y la carga parcial negativa cercana al oxígeno da lugar a un enlace por puente de hidrógeno. La polaridad del agua y a su capacidad de formar enlaces por puentes de hidrógeno le confiere al agua líquida unas propiedades inusuales: alto calor de vaporización, una fuerte tensión superficial, un calor específico alto y su elevada capacidad disolvente.  Recuerda los enlaces por puente de hidrógeno Es un tipo específico de interacción polar que se establece entre un átomo significativamente electronegativos (generalmente O o N), y un átomo de H, unido covalentemente a uno de los dos átomos electronegativos. En un enlace por puente de hidrógeno tenemos que distinguir entre el átomo DADOR del hidrógeno (aquel al que está unido covalentemente el hidrógeno) y el ACEPTOR, que es al átomo de O o N al cual se va a enlazar el hidrógeno. Los puentes de H son uniones relativamente débiles en comparación con un enlace covalente, pero pero más fuertes que las interacciones dipolo-dipolo normales. La imagen muestra algunos puentes de hidrógeno comunes en los sistemas biológicos.  Enlace por puente de hidrógeno en biomoléculas En macromoléculas tales como proteínas o ácidos nucleicos, se forman gran cantidad de puentes de H y ello es la base de su estabilidad estructural.  Enlace por puente de hidrógeno entre las moléculas de agua En el agua, la atracción electrostática resultante entre átomo de oxígeno de una molécula de agua y el H de otra molécula de agua, constituye un puente de H.  Estados del agua El agua puede presentarse en la naturaleza en tres estados diferentes: 1. En estado sólido, cada molécula está unida a otras cuatro mediante puentes de hidrógeno, extendidos hacia cuatro direcciones del espacio separadas por ángulos de 105º. Esta disposición determina la forma de un tetraedro, tal es la estructura cristalina del hielo. 2. El cambio al estado líquido implica la ruptura de muchos puentes, que se hacen más transitorios, es decir que se rompen y vuelven a formarse entre otras moléculas con mucha rapidez. Al no existir tantos puentes, las moléculas de agua pueden compactarse (mayor densidad). 3. En estado gaseoso, la mayor parte de los puentes desaparece, pero aún se conservan algunos de ellos.  Propiedades del agua https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/chemistry-of-life/structure-of-water-and-hydrogen-bonding/v/hydrogen-bonding-in-water  Propiedades del agua https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/chemistry-of-life/structure-of-water-and-hydrogen-bonding/v/hydrogen-bonding-in-water Se necesita mucho calor para incrementar la temperatura del agua líquida debido a que parte del calor se debe usar para romper los puentes de hidrógeno entre las moléculas. Debido a su alta capacidad calorífica, el agua puede minimizar los cambios en la temperatura. Los animales de sangre caliente también usan el agua para distribuir calor por su cuerpo  Propiedades del agua https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/chemistry-of-life/structure-of-water-and-hydrogen-bonding/v/hydrogen-bonding-in-water Se necesita una gran cantidad de calor para evaporar una cierta cantidad de agua, ya que los puentes de hidrógeno deben romperse para liberar las moléculas en forma de gas Se necesita mucho calor para incrementar la temperatura del agua líquida debido a que parte del calor se debe usar para romper los puentes de hidrógeno entre las moléculas. Debido a su alta capacidad calorífica, el agua puede minimizar los cambios en la temperatura. Los animales de sangre caliente también usan el agua para distribuir calor por su cuerpo  Propiedades del agua https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/chemistry-of-life/structure-of-water-and-hydrogen-bonding/v/hydrogen-bonding-in-water Se necesita una gran cantidad de calor para evaporar una cierta cantidad de agua, ya que los puentes de hidrógeno deben romperse para liberar las moléculas en forma de gas Se necesita mucho calor para incrementar la temperatura del agua líquida debido a que parte del calor se debe usar para romper los puentes de hidrógeno entre las moléculas. Debido a su alta capacidad calorífica, el agua puede minimizar los cambios en la temperatura. Los animales de sangre caliente también usan el agua para distribuir calor por su cuerpo  Propiedades del agua https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/chemistry-of-life/structure-of-water-and-hydrogen-bonding/v/hydrogen-bonding-in-water Se necesita una gran cantidad de calor para evaporar una cierta cantidad de agua, ya que los puentes de hidrógeno deben romperse para liberar las moléculas en forma de gas Se necesita mucho calor para incrementar la temperatura del agua líquida debido a que parte del calor se debe usar para romper los puentes de hidrógeno entre las moléculas. Debido a su alta capacidad calorífica, el agua puede minimizar los cambios en la temperatura. Los animales de sangre caliente también usan el agua para distribuir calor por su cuerpo Flotabilidad del hielo  Propiedades del agua https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/chemistry-of-life/structure-of-water-and-hydrogen-bonding/v/hydrogen-bonding-in-water ELEVADA TENSIÓN Se necesita una gran SUPERFICIAL Y cantidad de calor para CAPILARIDAD evaporar una cierta cantidad de agua, ya que los puentes de hidrógeno deben romperse para liberar las moléculas en forma de gas Se necesita mucho calor para incrementar la temperatura del agua líquida debido a que parte del calor se debe usar para romper los puentes de hidrógeno entre las moléculas. Debido a su alta capacidad calorífica, el agua puede minimizar los cambios en la temperatura. Los animales de sangre caliente también usan el agua para distribuir calor por su cuerpo El agua tiene una elevada tensión superficial Debido a la atracción relativamente alta de las moléculas de agua entre sí a través de una red de enlaces de hidrógenos, el agua tiene una tensión superficial más alta que la mayoría de los otros líquidos. La tensión superficial es una propiedad de la superficie de un líquido (en la interfaz de un líquido y un gas, como el aire) que permite soportar una fuerza externa.  Recuerda la tensión superficial Es el fenómeno físico que se produce en la superficie de los líquidos debido a las fuerzas moleculares del líquido, y que hace que la superficie se haga lo más pequeña posible (la superficie se comporta como una piel tensa, aparentemente elástica).  Capilaridad del agua La tensión superficial, además de las fuerzas de cohesión y de adhesión origina el fenómeno de capilaridad que consiste en el ascenso o descenso de un líquido dentro de un tubo de diámetro pequeño llamado capilar. La capilaridad del agua ocurre cuando se pone en contacto la superficie del agua con las paredes internas de un tubo capilar en un ángulo determinado. La fuerza que ejerce la tensión superficial en las paredes del tubo capilar causa que el agua se eleve dentro del tubo.  Propiedades del agua https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/chemistry-of-life/structure-of-water-and-hydrogen-bonding/v/hydrogen-bonding-in-water DISOLVENTE (casi) UNIVERSAL ELEVADA TENSIÓN Se necesita una gran SUPERFICIAL Y cantidad de calor para CAPILARIDAD evaporar una cierta cantidad de agua, ya que los puentes de hidrógeno deben romperse para liberar las moléculas en forma de gas Se necesita mucho calor para incrementar la temperatura del agua líquida debido a que parte del calor se debe usar para romper los puentes de hidrógeno entre las moléculas. Debido a su alta capacidad calorífica, el agua puede minimizar los cambios en la temperatura. Los animales de sangre caliente también usan el agua para distribuir calor por su cuerpo  El agua como disolvente Entre las excepcionales propiedades físicas del agua destaca por su importancia biológica la extraordinaria capacidad que presenta para disolver una amplia gama de sustancias: El agua, debido a sus propiedades fisico-químicas, es el mejor disolvente para todas aquellas moléculas polares. Sin embargo, moléculas apolares no se disuelven en el agua. Dado que la gran mayoría de las biomoléculas se encuentran en las células en disolución acuosa, las propiedades disolventes del agua son de importancia capital para todas las formas de vida. Al igual que las demás propiedades físicas, la capacidad disolvente del agua está basada en su naturaleza dipolar, que le permite establecer interacciones electrostáticas con determinados tipos de solutos.  El agua como disolvente Según su solubilidad en agua, las sustancias se dividen en: 1. Hidrofílicas o polares 2. Hidrofóbicas o apolares 3. Anfipáticas: presentan en su molécula una parte polar y otra no polar.  El agua como disolvente Sustancias hidrofílicas: son netamente solubles en agua. Entre ellas podemos diferenciar: Sustancias polares no cargadas: ej. los azúcares. Se disuelven fácilmente en agua debido al efecto estabilizador de los puentes de H que se forman entre los grupos hidroxilo o el oxígeno carbonílico del azúcar y las moléculas polares del agua. Sustancias polares iónicas: poseen carga eléctrica neta (ej. sales minerales y biomoléculas orgánicas como los aminoácidos). El agua disuelve muchas sales cristalinas mediante la hidratación de los iones que componen la sal. https://www.youtube.com/watch?v=betbKEJf7jQ  El agua como disolvente Sustancias anfipáticas: Recuerda: son sustancias que presentan en su molécula una parte polar (o cargada) y otra no polar. Algunas biomoléculas importantes son sustancias anfipáticas. Ej. ácidos grasos, las proteínas globulares y los lípidos que forman parte las membranas celulares (ej. fosfolípidos o el colesterol). Fosfolípido  El agua como disolvente En soluciones acuosas, las moléculas anfipáticas se asocian para constituir estructuras estables en las que las zonas polares se disponen hacia el exterior, en contacto con el agua, mientras que las zonas no polares lo hacen hacia el interior, aisladas del contacto con el agua y unidas entre sí por unas atracciones débiles (interacciones hidrofóbicas). Tipos de estructuras: 1. Micelas: una capa de lípidos MONOCAPA BICAPA 2. Liposoma: dos capas de lípidos (bicapa lipídica). Las bicapas lipídicas cerradas sobre sí mismas constituyen la base estructural de las membranas celulares. LIPOSOMA ÁCIDOS Y BASES  Ácidos y bases según la teoría BRONSTED-LOWRY De acuerdo con el concepto de Brönsted-Lowry: un ácido es una sustancia capaz de donar protones (H+) a otra sustancia química. una base es una sustancia capaz de aceptar protones. Algunas sustancias pueden comportarse como ácidos o como bases (dependiendo del medio en que se encuentren o con quien reaccionen): sustancias anfóteras. Ej. el agua. Por tanto, la acidez de una solución depende de su concentración de iones hidrógeno o hidrogeniones [H+]. En el plasma normal la concentración de H+ es de 40 nmol/L. Sin embargo, la forma habitual de expresar la acidez de una solución es el pH.  Concepto de pH El pH es el logaritmo negativo de la concentración de H+ expresada en mol/L. El pH del plasma normal es -log 0,00000004 = 7,3979 (aprox. 7,40). El pH plasmático se refiere habitualmente a la relación entre las concentraciones de bicarbonato/ácido carbónico. La escala de pH  Amortiguadores o tampones Las soluciones tampón (amortiguadoras o buffer) son una mezcla acuosa diseñada para mantener un pH relativamente constante, incluso cuando se añaden ácidos o bases adicionales. Es decir, resiste cambios en el pH en un rango determinado. En humanos, los valores extremos compatibles con la vida y con el mantenimiento de funciones vitales oscilan entre 6,8 y 7,8 (una acidosis o una alcalosis sea respiratoria o metabólica puede poner en riesgo la vida); siendo el estrecho margen de 7,35 a 7,45 el de normalidad. La manera en que podemos regular el pH dentro de los límites compatibles con la vida son: 1. los tampones fisiológicos (tampón fosfato, el tampón bicarbonato y el tampón hemoglobina) y 2. la eliminación de ácidos y bases por compensación respiratoria y renal. Tema 1 METABOLISMO CELULAR: ANABOLISMO/CATABOLISMO ¿Para qué ingerimos alimentos los seres humanos? 40 ¿Para qué ingerimos alimentos los seres humanos? Para obtener: 1. Materia (nutrientes o sustratos). 2. Energía química (en forma de ATP o de poder reductor). que contienen los alimentos. Cualquier célula para crecer, para fabricar sus componentes celulares, requiere de MATERIA o SUSTRATOS (fuente de carbono), de una fuente de ENERGÍA y de una fuente de ELECTRONES. ¿Para qué vamos a utilizar esa materia y energía que obtenemos de los alimentos? Para obtener: Materia, con la que construiremos nuestras propias estructuras. Energía, con la que realizaremos nuestras actividades.  Autótrofo vs. heterótrofo Las células/organismos heterótrofos obtienen energía mediante el catabolismo de nutrientes (que son compuestos orgánicos) y la consumen en múltiples procesos celulares (por ej. síntesis de macromoléculas, transporte a través de membranas, contracción muscular).  TIPOS TRÓFICOS: CLASIFICACIÓN NUTRICIONAL DE LOS ORGANISMOS Fuente de energía: Fuente de poder reductor Fuente de Carbono Tipo de organism: (donante de electrones): Compuesto orgánico: Compuesto orgánico: Organótrofo Heterótrofo Fotoorganoheterótrofo (-organo-) (-heterótrofo) CO2: Fotoorganoautótrofo Luz: Autótrofos Fotótrofo (-autótrofo) (Foto-) Compuesto inorgánico: Compuesto orgánico: Fotolitoheterótrofo Litótrofo Heterótrofos (-lito-) (-heterótrofo) CO2: Fotolitoautótrofo (-autótrofo) Compuesto orgánico: Compuesto orgánico: Quimioorganoheterótrofo Organótrofo Heterótrofos (-organo-) (-heterótrofo) Reacciones RedOx de CO2: Quimioorganoautótrofo compuestos químicos (-autótrofo) orgánicos o inorgánicos: Compuesto inorgánico: Compuesto orgánico: Quimiolitoheterótrofo Quimiótrofo Litótrofo Heterótrofos (Quimio-) (-lito-) (-heterótrofo) CO2: Quimiolitoautótrofo Autótrofos (-autótrofo)  Metabolismo Metabolismo es el conjunto de transformaciones (reacciones) químicas que se producen en una célula u organismo y que mantienen la vida, permitiendo a las células/organismos crecer, reproducirse, mantener sus estructuras y responder a los estímulos del medio. El metabolismo está formado por: 1. Catabolismo: procesos por los que biomoléculas (carbohidratos, proteínas, lípidos) provenientes del medio ambiente o de los depósitos celulares pueden ser degradados a moléculas sencillas como ácido láctico o dióxido de carbono. 2. Anabolismo: procesos mediante los cuales se llevan a cabo las reacciones de síntesis (parten de moléculas sencillas para la obtención de otras más complejas).  Energía y metabolismo En el catabolismo de macromoléculas se libera energía. En conjunto, son reacciones EXERGÓNICAS que PRODUCEN ATP. En los procesos anabólicos es necesario aportar energía para convertir los reactivos en productos. En conjunto, son reacciones ENDERGÓNICAS que REQUIEREN ATP. El anabolismo y el catabolismo están íntimamente relacionados: Para lograr la conjunción entre obtención de energía y consumo de energía, es necesaria la existencia de un mecanismo intermediario que a manera de correa de transmisión, permita el trasvase y utilización de dicha energía. Energía química: 1. ATP: molécula que contiene enlaces de alta energía 2. Poder reductor: capacidad de una molécula de donar electrones (coenzimas RedOx).  REPASEMOS: Enzimas Una sustancia que acelera una reacción química, y que no es un reactivo, se llama catalizador. Los catalizadores de las reacciones bioquímicas que suceden en los organismos vivos se conocen como enzimas. Los enzimas son generalmente son proteínas. Para catalizar una reacción, una enzima se pega (une) a una o más moléculas de reactivo. Estas moléculas son los sustratos de la enzima. En algunas reacciones, un sustrato se rompe en varios productos. En otras, dos sustratos se unen para crear una molécula más grande o para intercambiar partes.  REPASEMOS: Coenzimas Un coenzima es una molécula orgánica no proteica que se une a una molécula proteica (apoenzima) para formar una enzima activa (holoenzima). Un coenzima es una sustancia orgánica no proteica que es necesaria para que ocurra una determinada reacción enzimática. El ATP, NADH, NADPH y FADH2 son coenzimas.  ATP (Adenosin-5´-trifosfato) Es un nucleótido multifuncional usado en las células como coenzima. Es considerado como la unidad básica de transferencia de energía intracelular. Contiene un tipo de enlaces denominados enlaces de alta energía que, al romperse, liberan mucha energía. El ATP es una molécula que puede tener función structural ya que se encuentra en los ácidos nucleicos. Hidrólisis del ATP:  El ATP, unidad de transferencia de energía La hidrólisis del ATP en la células libera gran cantidad de energía. En las células, el ATP se forma y consume continuamente, no constituye ningún sistema de almacenamiento o depósito. Una molécula de ATP es consumida al minuto de haberse formado, por lo cual el recambio es extraordinariamente rápido. En un ser humano, a lo largo de un día, prácticamente se consume una cantidad de ATP igual a su peso. Las células vivas mantienen una proporción de 1010 ATP / ADP respecto de la situación de equilibrio. Existen otras moléculas que también funcionan como el ATP pero en reacciones no tan generalizadas, sino más específicas: GTP, fosfocreatina y el acetil-CoA.  Coenzimas RedOx — En las rutas biosintéticas, los compuestos finales están más reducidos que los sustratos iniciales y para poder llevar a cabo esta modificación se necesita, además de ATP, poder reductor, que no es más que otra forma de energía. — En el metabolismo son imprescindibles los coenzimas RedOx, que se acoplan a las reacciones de oxidación de los sustratos orgánicos. — La función principal de los coenzimas RedOx es el intercambio de electrones e hidrogeniones. — En su forma reducida, los coenzimas se usan como fuente de poder reductor. — Estos coenzimas no son específicos de sustrato y son compuestos derivados de los nucleótidos. +  Reacción RedOx Una reacción de oxidación-reducción (redox) es una reacción de transferencia de electrones. La especie que pierde electrones se denomina REDUCTOR y al proceso de pérdida de electrones se le denomina OXIDACIÓN. La especie que gana electrones se denomina OXIDANTE y al proceso de ganancia de electrones se le denomina REDUCCIÓN. NADH NADPH Molécula FADH2 orgánica  Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+/NADH) — La Nicotinamida adenina dinucleótido es una coenzima compuesta por un dinucleótido (la nicotinamida y la adenina) unidos a través de sus grupos fosfatos.  Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+/NADH) NAD+ (molécula con menor energía) acepta dos electrones y un hidrógeno para alcanzar el estado de alta energía NADH. NAD+ es la forma oxidada: acepta electrones de otras moléculas. NADH es la forma reducida: dona electrones a otras moléculas. Es una fuente de PODER REDUCTOR. ¡Recuerda! Cuando una molécula se oxida, pierde electrones. Cuando una molécula se reduce, gana electrons. Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP+/NADPH) Forma Forma oxidada reducida  Flavin adenina dinucleótido (FADH2) Flavin adenina dinucleótido está formado por dos nucleótidos, uno con flavina y otro con adenina. Al igual que NADH y NADPH, es un coenzima que interviene en las reacciones metabólicas de oxidación-reducción. Molécula de FAD: Forma Forma Forma Flavina o oxidada radical reducida