Tema 1: Introduccion a la Bioquímica (PDF)

BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. UNIDAD 1 SISTEMA ESTOMATOGNATICO, COMPOSICION QUIMICA TEMA 1 INTRODUCCION A LA BIOQUIMICA OBJE...

BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. UNIDAD 1 SISTEMA ESTOMATOGNATICO, COMPOSICION QUIMICA TEMA 1 INTRODUCCION A LA BIOQUIMICA OBJETIVOS DE LA BIOQUÍMICA Y FINALIDAD.- 1. Saber que el cuerpo humano tiene diversos elementosy diferentes clases de moléculas, asumiendo que la célulá; constituye la principal unidad estructural y funcional, lugar donde se realiza la mayor parte de las reacciones químicas. * 2. Describir y explicar en términos moleculares todos los procesos químicos de las células vivas. 3. Connotar que la bioquímica es una ciencia experimental, donde se utilizan métodos con suficiente ejercicio o entrenamiento para el aprendizaje. 4. Uncuarto objetivo, nos permite percibir lo poco que conocemos de ciertas áreas como elcáncer, sida, y otras patologías. La Bioquímica tiene por finalidad, conocer las reacciones o transformaciones que sufren los elementos y compuestos químicos como consecuencia del desarrollo, el funcionamiento y las modificaciones, por tanto los seres vivos sufren continuas transformaciones gracias a las reacciones químicas que se realizan en el interior de las células. HISTORIA DE LA BIOQUÍMICA.- La bioquímica, anteriormente llamada química biológica o fisiológica, surgió a partir de las investigaciones sobre compuestos y reacciones químicas en seres humanos y plantas en el siglo XVIII. El inicio de la bioquímica se remonta al año 1828 donde Friedrich Wóhler prepara y obtiene sintéticamente la urea, a partir de compuestos inorgánicos. Trató el cianato de plomo Pb (CNO):, con amoníaco con el fin de obtener cianato amónico, NH4CNO; pero al hervir la disolución para cristalizar esta sustancia, el cianato amónico se transformó en urea NH¿CNO --> CO(NH»), demostró que la urea sintética poseía las mismas caracteristicas y propiedades que la urea proveniente de los seres vivos, a partir de ese Scanned with ACE Scanner  Dra. Carmen Encinas Barrientos. BIOQUÍMICA los componentes orgánicos que momento( se Hegarron a obtencr, llega. aislar y sintetizar todos forman parte del ser vivo..ecubrió la prprimera enzima, la diastasa, B aunque i se desconocía Anselme Payen, en 1833 descubrió el análisis orgánico y su funcionalidad y ¢ | mecanismo subyacente. Licbig mejoró descubrió que las plantas sc alimentan gracias al nitrógeno y al dióxido de carbono del del nire (con la contribución de microbios que realizan las conversiones a compuestos nitrógeno) y de los minerales del suclo. Inventó el fertilizante a base de nitrógeno La Place y Pasteur refutan la teoría vitalista, sobresaliendo los trabajos presentados por Pasteur como la Fermentación, Pasteurización, Generación espontánea, Teoría microbiana: esterilización, Invención de la vacuna. En cl año 1860 Antonio Lavoisicr considerado el padre de la química moderna, refuta la teoría vitalista y exponc una nueva experiencia sobre el proceso de la vida, que logró el cambio de actitud de biólogos, físicos y químicos demostrando “Que el calor corporal es el resultado de la combustión orgánica producida en el interior de las células”. En basc a estos sucesos sc produjo el avance de ciencias entre cllas como la biología molecular y biotecnología. En la actualidad la bioquímica es una ciencia que estudia las diversas moléculas y las reacciones químicas, que ocurren en las células y organismos vivos. Para una mejor comprensión sobre la vida, en todas sus manifestaciones, demanda el conocimiento de la bioquímica. Así los estudiantes del área de salud como odontología que adquieren una base sólida de la bioquímica estarán en posición de enfrentarse, en la práctica y la investigación, a los dos intereses centrales de las ciencias de la salud: (1) comprensión y conservación de la salud y (2) apreciación y tratamiento eficaz de la enfermedad. DEFINICIÓN.- Bioquímica deriva de la palabra griega bios que significa vida, por lo tanto es la ciencia que se ocupa de la base química de la vida, sin embargo consideramos que una definición más formal scria la siguiente: “La ciencia que estudia las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos”. El estudio de los seres vivos comprende el análisis de su composición y de los mecanismos que permiten mantener dicha composición relativamente constante, así como las modificaciones que ocurren en ellos, por razones naturales, debidas a sus funciones o desarrollo, o modificaciones del medio ambiente. Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. El término bioquimica fue propuesto por el químico y médico aleman Carl Neuberg (1877-1956) en 1903 La célula es la unidad estructural de los sistemas vivientes. La consideración de este concepto conduce a una definición funcional de la bioquímica como la ciencia que estudia a los constituyentes químicos de las células vivas y de las reacciones y procesos que experimentan. Con esta definición, la bioquímica abarca extensas áreas de la biología celular, la biologia molecular y la genética molecular. Los procesos bioquímicos normales son la base de la salud. La Organización Mundial de la Salud (OMS) define a la salud como un estado de “bienestar fisico, mental y social completo y no únicamente la ausencia de enfermedad o dolencia. La salud depende del equilibrio de las reacciones bioquímicas en el cuerpo y la enfermedad refleja anormalidades en biomoléculas, reacciones bioquímicas o procesos biológicos. En resumen, la bioquímica es la ciencia que se ocupa del estudio de las diversas moléculas que componen las células y organismos vivos así como de sus reacciones químicas. Debido a que la vida depende de estas reacciones, la bioquímica se ha convertido en el lenguaje básico de todas las ciencias biológicas. RELACIÓN CON OTRAS CIENCIAS.- La bioquímica y la medicina disfrutan de una relación de cooperación mutua. Los estudios bioquímicos han aclarado muchos aspectos de la salud y la enfermedad, y ha abierto nuevas áreas de la bioquímica. La bioquímica la hace contribuciones importantes a los campos de la biología celular, la fisiología, a los campos de la inmunología, microbiologia, farmacología y toxicología, así como hincapié en inflamación, la lesión celular y el cáncer. Estas relaciones estrechas hacen que la vida, tal como se conoce, depende de reacciones y procesos bioquímicos. DIVISIÓN DE LA BIOQUÍMICA.- La bioquímica se ha dividido en dos grandes partes: ación Bioquímica Estructural o Estática, estudia la composición, conformación, configur y estructura de las moléculas. Bioquímica Dinámica, estudia las reacciones metabélicas, las transformaciones y funciones que sufren las moléculas. Por ejemplo: la digestión de los alimentos implica el paso de estos a lo largo del tubo digestivo, proceso en el cual se lleva a cabo la trituración e ó Scanned with ACE Scanner  Dra. Carmen Encinas Barrientos, BIOQUÍMICA contacto con Alos jugos digestivos y la de unaul papilla, que se pone en l y la a formación 10 a r , al, en cuyos N jugos están contenidos diversas enzimas, que convierten - a los MUucosa a intestinal, CS se limentos en alimentos sustancias fáciles de ser absorbidas; en el caso de los almidones estos en sustancia co! nvierten en glucosa,Sa, en tanto que las proteínas de la carne, huevo y leche sc transforman en aminoácidos. según la época y el lugar Sin embargo se han propuesto muchas ofras clasificaciones objeto de estudio y organismo analizado como ser: la Bioquímica humana, la Bioquímica de los virus, Bioquímica microbiológica, Bioquímica vegetal, Bioquímica animal, Bioquímica médica o patológica molecular. COMPOSICION QUÍMICA DEL CUERPO HUMANO.- BIOELEMENTOS: Son elementos químicos que constituyen los seres vivos, también se los denomina biogenéticos y por su abundancia se los clasifica en tres grandes grupos. Bioelementos Primarios: H, O, C, N. Son los más abundantes, representan un 93 por 100 del cuerpo humano. Los que más abundan son el hidrógeno y el oxígeno, ambos forman parte de la biomolécula que más abunda en el organismo, el agua. A este grupo de elementos se los denomina elementos órgano genéticos o formadores de órganos. Bioelementos Secundarios: Ca; P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe; constituyen el 0.7 por 100 del cuerpo humano. Son utilizados en la práctica médica en pacientes con desequilibrios electrolíticos, el caso del hierro Fe en las anemias por deficiencia del mismo. Oligoelementos: Mn, 1, Cu, Co, Zn, F, Mo, Se y otros. Sólo aparecen en trazas, sin embargo su presencia es esencial en el funcionamiento del organismo. Su ausencia produce una serie de enfermedades, como alteraciones en la tiroides por déficit o carencia del yodo I. Por la función que desempeñan en el organismo los bioelementos se clasifican en diferentes grupos: a) Plástica o Estructural: H, O, C, N, P, S. Colaboran en el mantenimiento del organismo, b) Esquelética: Ca, Mg, P, F, Si. Confieren rigidez. ©) Energética: C,O, H, P. Forman parte de moléculas energéticas. Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. d) Catalítica: Fe, Co, Cu, 1. Catalizan reacciones y procesos bioquímicos. €) Osmótica y electrolítica: Principalmente Na, K y Cr. Mantienen y regulan fenómenos osmóticos, potencial químico y electrónico. Azufre Se Encuer ntra en dos i aaminoácid áci os, istei: la cisteina ioni y metionina, presentes en todas las proteínas y algunas sustancias como la Coenzima-A, que veremos en el ciclo del ácido cítrico. Magnesio Forma parte de las moléculas de clorofila y en forma iónica actúa como catalizador, junto con las enzimas, en muchas reacciones química s del organismo. Activa al ATP Sodio Catión extracelular más abundante; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular. Necesario para la absorción de glucosa. Potasio Catión intracelular más abundante; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular Cloro Anión más frecuente; necesario para mantener el balance de agua en la sangre y el fluido intersticial. Hierro Fundamental para la síntesis de clorofila, catalizador en reacciones químicas, forma parte de los citocromos que intervienen en la respiración celular, y en la hemoglobina, proteína que interviene en el transporte de oxígeno en la sangre. Asociado a anemias. Manganeso | Interviene en la fotolisis del agua, durante el proceso de fotosíntesis en las plantas Si consideramos la abundancia relativa de los átomos que actualmente constituyen las biomoléculas, en el ser humano nos encontramos con que solo cuatro elementos (H, O, C, N) representan más del 99 por 100 de todos los átomos. ¿Por qué han sido precisamente estos cuatro elementos los que han conformado las biomoléculas? Se puede deducir: por la finalidad de formar enlaces covalentes entre entre ellos compartiendo electrones, formar esqueletos carbonados tridimensional (carbono (etraédrico) y en la conformación de una variedad de grupos funcionales. Scanned with ACE Scanner  Dra. Carmen Encinas Barrientos. BIOQUÍMICA BIOMOLÉCULAS: seres vivos. Atendiendo a su Las biomoléculas son las moléculas constituyentes de los naturaleza química se las clasifica en dos grandes grupos: an Biomoléculas Inorgánicas: La biomolécula más abundante es el agua. Se consider como asimismo los gases (oxígeno, dióxido de carbono). Sales inorgánicas (aniones, fosfato y bicarbonato, y cationes, como amonio). Biomoléculas Orgánicas: Se consideran los glúcidos (glucosa, glucógeno). Lipidos (triglicéridos, colesterol). Proteínas (enzimas, hemoglobina). Ácidos nucleicos (ADN, ARN). Metabolitos (ácido pirúvico, ácido láctico). BIOMOLÉCULA | UNIDADES FUNCIONES PRINCIPALES ESTRUCTURALES DNA. Desoxinucleótido. Material genético. RNA. Ribonucleótido. Molde para la síntesis de proteinas. Proteínas. Aminoácidos Realizan el trabajo celular (enzimas, elementos contráctiles, etc.). Polisacáridos. Glucosa Almacenan energía por tiempo (monosacárido). limitado. Almacén de energía, estructural, reguladora. Lípidos Ácidos Grasos Este cuadro indica las 5 biomoléculas encontradas en todos los seres vivos, sus sillares de construcción o bases estructurales y sus funciones principales Como ya se ha mencionado anteriormente, la molécula que más abunda en el organismo es el agua, seguida de las proteínas. Sin embargo las biomoléculas de los seres vivos se caracterizan por gozar de funciones diversas: estructural, transporte, defensa, señalizadora, de almacenado energético, etc. Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. En grado creciente de complejidad, las moléculas se pueden clasificar en: a. Precursores, como el H:O, el CO; o el NH;. b. Intermedios Metabólicos, como el piruvato, el oxalacetato o el citrato. e. Unidades Estructurales, Son unidades constitutivas de las macromoléculas, entre las que se destacan los monosacáridos (en glucógeno, celulosa, almidón), aminoácidos (en proteinas), nucleótidos (en ácidos nucleicos), glicerol y ácidos grasos (en grasas). d. Macromoléculas, como los referidos glucógenos, proteínas, ácidos nucleicos, grasas, etc. LA CELULA COMO UNIDAD DEL DISEÑO BIOQUÍMICO El organismo humano está formado por una cantidad considerable de células, que corresponden a una variedad de tipos celulares, diferenciados cada uno de ellos de tal manera de poder cumplir con una función específica con la máxima eficiencia. Las células de uno o varios tipos, junto con sus productos, forman los tejidos, que integrados según modelos específicos, forman los órganos. La etapa final es el propio organismo humano, al que se puede considerar como un gran conglomerado de innumerables células que viven juntas, realizan sus funciones y actúan reciprocamente entre sí sin alteraciones manifiestas, en tanto el organismo se mantenga en estado de salud. Los organelos que se encuentran en la célula son: Núcleo, tiene como funciones principales la ubicación de los cromosomas, es el lugar donde se desarrolla la síntesis del RNA dirigida por el DNA (transcripción). Ribosoma, organelo en el cual se lleva a cabo la síntesis de proteinas. Citoesqueleto, contiene los microfilamentos, microtúbulos y filamentos intrermedios. Citosol, contiene las enzimas de la glucólisis, síntesis de ácidos grasos. Mitocondrias, es el organelo donde se llevan a cabo las reacciones del ciclo de Krebs y la cadena respiratoria con producción de adenosina trifosfato (ATP). Retículo endoplásmico, los ribosomas unidos a la membrana del retículo endoplásmico son muy importantes en la síntesis proteínica y de varios lípidos, además de la oxidación de varios xenobióticos (citocromo P-450). Liposoma, sitio de almacenaje de varias enzimas como las hidrogenasas. Scanned with ACE Scanner  BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. de ciertos ácidos grasos, aminoácidos, producción y Peroxisoma, degradación degradación de H,0;. Membrana plasmática, transporte selectivo de moléculas dentro y fuera de la célula, además tiene a su cargo la adherencia y comunicación intercelular. Aparato de Golgi, tienc a su cargo la distribución intracelular de proteinas, reacciones de glucosilación y reacciones de sulfatación. Al considerar a la célula como la unidad cstructural de toda la materia viviente sc establece que todas las especies vivas con células únicas o conglomerados de células organizadas, por tal razón se puede considerar a la organización biológica como una jerarquía de niveles de jerarquía, siendo la célula el nivel más simple en la que se encuentra la característica más importantc de la materia viviente que es la capacidad de auto reproducción explicándose la organización general de la célula por esta tendencia. Para reproducirse, la célula, debe replicar su genoma y transcribir y traducir la información codificada en él, para generar las biomoléculas y macrobiomoléculas necesarias para todas las estructuras de su duplicado. Estas operaciones necesitan el suministro continuo de energía metabólica y un medio cuidadosamente controlado. Los órganos celulares o componentes subcelulares, llevan a cabo cada una de — estas operaciones y satisfacen sus requerimientos. MEMBRANA CELULAR.- La membrana plasmática, membrana celular, membrana citoplasmática o plasmalema, es una bicapa lipídica que delimita toda célula. Es una estructura formada por dos láminas de fosfolipidos, glucolípidos y proteinas que rodean, limitan la forma y contribuyen a mantener el equilibrio entre el interior (medio intracelular) y el exterior (medio Extracelular) de las células Regula la entrada y salida de muchas substancias entre el citoplasma y el medio extracelular. Composición química: Del análisis de membranas aisladas sc ha comprobado que están formadas por lípidos, proteinas y en menor proporción por glúcidos. LIPIDOS. Las membranas plasmáticas de todas las células eucarióticas están formadas por tres tipos de lípidos: fosfolipidos, glucolípidosy esteroles (como el colesterol). Todos tienen naturaleza anfipática y, por tanto en un medio acuoso se orientan espacialmente formando miscelas esféricas o bicapas lipidicas. Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. PROTEÍNAS Las proteínas (Prt) les confieren a la membrana sus funciones específicas y son características de cada especie. Pueden tener un movimiento de difusión lateral, contribuyendo a su fluidez. La mayoría de ellas tienen estructura globular y se pueden clasificar según el lugar que ocupen en la membrana: PROTEINAS TRANSMEMBRANAS O INTRINSECAS y PROTEÍNAS PERIFÉRICAS O EXTRÍNSECAS. Las proteínas intrínsecas o integrales representan entre el 50-70% de todas las Prt de membrana. Se encuentran incrustadas en la bicapas lipídicas pueden atravesar la membrana y se pueden observar a ambos lados de la membrana. Las Proteína extrínsecas o periféricas no atraviesan la biacapa y se sitúan tanto en el exterior como en el interior de la membrana. Se unen a los lípidos de la bicapa mediante enlaces covalentes; se han descrito uniones de estas proteínas a las Prt intrínsecas mediante enlaces por puente de hidrógeno. Composición de la membrana celular Glucoipido Protaina peritérica Glucoproteina RE FUNCIONES.- Las membranas celulares no sólo presentan una función de barrera estática, sino que desempeñan funciones específicas: * Proteccion de la célula frente posibles agresiones externas. * Mantenimiento de la presión osmótica. e - Intercambio de determinadas moléculas hacia el interior y/o el exterior celular. Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos. * Mantenimiento de proteínas capaces de realizar funciones específicas como puede ser el transporte selectivo de moléculas, o determinadas reacciones enzimáticas, entre otras. e Transduccién de señales mediante fijación selectiva a delerminadas entidades químicas a través de receptores. * Reconocimiento celular y posible fusión con otras células. * Motilidad de determinadas células u orgánulos. La membrana permite a la célula mantener un estrecho contacto entre el medio externo y el medio interno. Por ejemplo, si se detecta una elevada concentración de un determinado nutriente en el medio externo, la célula iniciará un proceso de expresión de transportadores específicos para este nutriente, con el fin de acumularlo en su interior y consumirlo. Paradéjicamente, la membrana celular es una barrera prácticamente impermeable que hace posible el mantenimiento y separación de dos medios diferentes, como son el medio intracelular y el extracelular (Alberts et al., 2002). MECANISMO DE TRANSPORTE CELULAR La membrana posee mecanismos para transportar fisicamente moléculas, permitiendo que las células dejen pasar metabolitos necesarios para la síntesis de macromoléculas y libere los productos derivados del catabolismo y sustancias de secreción. Por lo tanto, se podría decir que se comporta como una barrera semipermeable, permitiendo el paso, mediante diversos mecanismos, de sustancias en contra o a favor de un gradiente de concentración osmótico o elétrico. TRANSPORTE PASIV.- Se hacen a favor de un gradiente; por lo tanto, este transporte no gasta energía. Difusión simple: Por este mecanismo entran en la célula sustancias solubles como 02, CO2; etanol, urea, etc., deslizándose por los fosfolípidos. Las moléculas que pueden pasar no tienen carga. Las denominadas proteínas de canal forman canales acuosos a través de la bicapa lipidica que permite el paso de sustancias cargadas eléctricamente a favor de un gradiente de concentración. Difusión facilitada: Se transportan moléculas polares como glúcidos, nucleótidos, aminoácidos, etc., siempre se produce a favor de un gradiente electroquímico y es 10 Scanned with ACE Scanner BIOQUÍMICA Dra. Carmen Encinas Barrientos, efectuada por unas proteinas que se denominan proteínas transportadoras o carri rriers, Cuando se unen a la molécula que tienen que transportar, sufren un cambio de conformación que ayuda a las moléculas en su paso por el canal TRANSPORTE ACTIVO Se realiza en contra de un gradiente de concen tración, de presión osmótica o bien eléctrica; siempre se realiza con un consumo de energía. Solo lo pueden hacer cierto de tipo de proteínas, Un ejempl o clásico es la bomba de sodio potasio que realizan las neuronas en el Sistema Nervioso. Mecanismo de Transporte de la membrana Transporte pasivo Transporte activo Importancia de la Bioquímica en Odontología.- El conocimiento de la bioquímica es esencial en todas las ciencias de la vida. Los fundamentos de la genética humana y odontología se apoyan en la bioquímica de los ácidos nucleicos. La fisiología, estudio de la función corporal, la inmunología emplea numerosas técnicas bioquímicas. La farmacología y la farmacia se apoyan en un conocimiento sólido de bioquímica y fisiologia, la mayoría de los fármacos son metabolizados por reacciones catalizadas por enzimas. Los adelantos importantes en el conocimiento de la conducta de los componentes macromoleculares en el esmalte y la saliva, y la forma en que estas y otras macromoléculas interactúan con cristales de fosfatos de calcio han permitido realizar la revisiones completas de los componentes organicos del esmalte, de la saliva y calcificación. 11 Scanned with ACE Scanner