UNIDAD I - Bioquímica y Bioquímica Médica PDF

UNIDAD I INTRODUCCIÓN  1.1 Concepto y objetivo de la Bioquímica y Bioquímica Médica. La bioquímica puede definirse como la ciencia de la base química de la vida (del griego bios, “vida”). La bioquímica es una rama de la ciencia que estudia la composición química de los seres vivos, espec...

UNIDAD I INTRODUCCIÓN  1.1 Concepto y objetivo de la Bioquímica y Bioquímica Médica. La bioquímica puede definirse como la ciencia de la base química de la vida (del griego bios, “vida”). La bioquímica es una rama de la ciencia que estudia la composición química de los seres vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos, además de otras pequeñas moléculas presentes en las células y las reacciones químicas que sufren estos compuestos (metabolismo) que les permiten obtener energía (catabolismo) y generar biomoléculas propias (anabolismo). La bioquímica se basa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono y en general las moléculas biológicas están compuestas principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre.  BIOQUÍMICA MEDICA Una definición aproximada es "El estudio de las sustancias presentes en los organismos vivos y de las reacciones químicas en las que se basan los procesos vitales. Esta ciencia es una rama de la Química y de la Biología. Su objetivo principal es el conocimiento de la estructura y comportamiento de las moléculas biológicas, que son compuestos de carbono que forman las diversas partes de la célula y llevan a cabo las reacciones químicas que le permiten crecer, alimentarse, reproducirse y usar y almacenar energía.  Comprende dos grandes áreas: Bioquímica estática o descriptiva: Estudia los componentes de los seres vivos, su identificación, separación, purificación, determinación de estructura y propiedades. Bioquímica dinámica: Estudia las transformaciones que acontecen en los sistemas biológicos, cuyo estudio se engloba bajo el nombre de metabolismo. 1.2 HISTORIA DE LA BIOQUÍMICA La bioquímica procede de la química orgánica. Entre los nombre que destacan en la historia de la bioquímica están Pasteur, Kekulé, Berzelius, E. Buchner, Berthelot, Emil Fisher, Justus von Liebig, Linus Pauling y Friedrich Whöler.  LOUIS PASTEUR Fue un químico y bacteriólogo francés, cuyos descubrimientos tuvieron enorme importancia en diversos campos de las ciencias naturales, sobre todo en la química y microbio Entre sus contribuciones destacan: ISOMERÍA ÓPTICA: En 1848 Pasteur resolvió el misterio del ácido tartárico (C4H6O6). Esta sustancia parecía existir en dos formas de idéntica composición química pero con propiedades diferentes, dependiendo de su origen: el ácido tartárico proveniente de seres vivos (por ejemplo, el que existe en el vino) era capaz de polarizar la luz, mientras que el producido sintéticamente no lo hacía a pesar de contar con la misma fórmula química. PASTEURIZACIÓN Algunos de sus contemporáneos, incluido el eminente químico alemán Justus von Liebig, insistían en que la fermentación era un proceso químico y que no requería la intervención de ningún organismo. Con la ayuda de un microscopio, Pasteur descubrió que, en realidad, intervenían dos organismos (dos variedades de levaduras) que eran la clave del proceso. Uno producía alcohol y el otro, ácido láctico, que agriaba el vino.  Utilizó un nuevo método para eliminar los microorganismos que pueden degradar al vino, la cerveza o la leche, después de encerrar el líquido en cubas bien selladas y elevando su temperatura hasta los 44 grados centígrados durante un tiempo corto. A pesar del rechazo inicial de la industria ante la idea de calentar vino, un experimento controlado con lotes de vino calentado y sin calentar demostró la efectividad del procedimiento. Había nacido así la pasteurización, el proceso que actualmente garantiza la seguridad de numerosos productos alimenticios del mundo. DESARROLLO DE VACUNAS En 1880, Pasteur se encontraba realizando experimentos con pollos para determinar los mecanismos de transmisión de la bacteria responsable del cólera aviar que acababa con muchos de ellos. Junto con su ayudante, Charles Chamberland, inoculaban la bacteria (Pasteurella multocida) a pollos y evaluaban el proceso de la enfermedad. MICROSCOPIO El microscopio fue inventado por Zacharias Janssen en 1590. En 1665 Robert Hooke observó con un microscopio un delgado corte de corcho y notó que el material era poroso; contenía cavidades poco profundas a modo de celditas a las que llamó células, queriendo significar con este término pequeños cuartos. Se trataba de la primera observación de células muertas. Casi 150 años después de la observación de Hooke, Matthias Schleiden propuso que la estructura de todos los tejidos de las plantas se basaba en una organización constituida por células. Poco después, Theodor Schwann amplió la idea, señalando que todos los tejidos animales también estaban orgnizados por células, y propuso que la unidad fundamental de la vida era la célula.  Anton van Leeuwenhoek Conocido como el ”padre de la microbiología”, fue un comerciante neerlandés que, además, sobresalió por ser el primero en realizar observaciones y descubrimientos con microscopios cuya fabricación él mismo perfeccionó. La historia de la biología lo considera precursor de la biología experimental, de la biología celular y de la microbiología  Anton van Leeuwenhoek Mientras desarrollaba su trabajo como comerciante de telas y tras aprender por su cuenta soplado y pulido de vidrio, construyó para la observación de la calidad de las telas lupas de mejor calidad que las que se podían conseguir en ese momento. Desarrolló tanto fijaciones para pequeñas lentes biconvexas montadas sobre platinas de latón (que se sostenían muy cerca del ojo, al modo de los anteojos actuales), como estructuras tipo microscopio en la que se podían fijar tanto la lente como el objeto a observar. A través de ellos podía observar objetos, que montaba sobre la cabeza de un alfiler, ampliándolos hasta doscientas veces. El descubrimiento de los protozoarios Fue probablemente la primera persona en observar bacterias y otros microorganismos. En una carta fechada el 7 de septiembre de 1674, evoca por primera vez las minúsculas formas de vida que observó en las aguas de un lago cerca de Delft. Los menciona de nuevo en otras dos cartas, una del 20 de diciembre de 1675 y otra del 22 de enero de 1676. En una extensa carta de diecisiete hojas, fechada el 9 de octubre de 1676, describe lo que actualmente denominamos protozoarios, especialmente los ciliados los que se alimentan de las algas (Euglena y Volvox).  El descubrimiento de los espermatozoides En 1677, mencionó por primera vez los espermatozoides, en una carta enviada a la Royal Society, en la que habla de animálculos, muy numerosos en el esperma. Leeuwenhoek fue consciente de que sus observaciones, que mostraban que en la semilla contenida en los testículos estaba el principio de la reproducción de los mamíferos, iba a chocar con el paradigma de su época, porque contradecían las tesis desarrolladas por grandes sabios de la época, como William Harvey o Regnier de Graaf.  Unos años más tarde, Marcello Malpighi, anatomista y biólogo italiano, observó células vivas. Fue el primero en estudiar tejidos vivos al microscopio. 1.3 La investigación bioquímica y sus repercusiones en la práctica médica. La investigación bioquímica, es la ciencia que contribuye al cuidado de la salud humana y complementa a la Medicina por medio de la toma de muestras e interpretación de resultados para brindar un diagnóstico en el campo clínico, microbiológico, farmacéutico y alimenticio. En ese sentido, los profesionales de este ámbito se centran en los procesos de atención farmacéutica, gestión de los medicamentos, desarrollo y producción de fármacos, tecnología médica, así como en la gestión y administración de laboratorios clínicos de apoyo para el diagnóstico de enfermedades. 1.4 Técnicas para la toma de muestras, especímenes y pruebas de laboratorio. 1.5 Generalidades del metabolismo. Todos los seres vivos reciben materia y energía hacia ese medio. La materia es recibida en forma de moléculas (o iones) útiles para generar los contribuyentes celulares, por medio del proceso de nutrición. En 24 hrs, un ser humano adulto en reposo integra al medio una cantidad de materia igual a la que recibe. La materia que reintegra al medio es la que no incorpora a sus propias moléculas, o bien la que no le proporciona energía para llevar a cabo sus funciones celulares. CICLOS DE CARBONO Y DEL OXÍGENO Del 100% de átomos presentes en los seres vivos, 48% corresponde a hidrógeno, 24% a carbono y 23% a oxígeno. Así, el 72% de los átomos que intercambia un ser vivo con su ambiente son de carbono e hidrógeno; si se incluye el intercambio de oxígeno, se alcanza hasta el 95%. 1.6 Termodinámica y equilibrio químico. Se denomina mapa metabólico a la representación de los cientos de cambios químicos que ocurren en las moléculas presentes en las células. El complejo mapa metabólico se organiza en segmentos denominados vías metabólicas. La unidad básica de esta red metabólica es la reacción química, de la cual se estudia un conjunto de características generales, algunas de tipo termodinámico y otras de tipo por ejemplo, la forma en que se modifica la velocidad de la reacción al cambiar la temperatura, o la rapidez característica con que ocurre cada reacción La termodinámica es la parte de la física que estudia los cambios de energía en la naturaleza el sistema es la parte del universo que es objeto de estudio Los sistemas se clasifican con base en las fronteras o límites que los separan de los alrededores El sistema y los alrededores Sistema abierto Es aquel cuyas fronteras permiten el intercambio de calor y de masa. Un ejemplo de este tipo de sistema es el ser humano, ya que, a través de sus epitelios (piel, pulmón, intestino), hay un flujo constante de calor y de moléculas de agua, glucosa, dióxido de carbono Sistema cerrado Permite el flujo de calor, pero no de masa; una lata de conservas es un buen ejemplo: se puede calentar o enfriar, pero no admite el intercambio de masa, a menos que se rompa el recipiente Sistema aislado No hay flujo de calor ni flujo de materia. Un ejemplo que ilustra lo anterior es el caso del termo, que se usa para guardar líquidos calientes o fríos que mantienen su temperatura por tiempo prolongado Componentes de una reacción química En una reacción química, los componentes a la izquierda de las flechas se denominan reactantes, o sustratos cuando la reacción está catalizada por una enzima, y los componentes a la derecha de las flechas se denominan productos Calor de reacción o entalpía En función de los cambios de calor pueden definirse dos tipos de reacciones. Exotérmicas se libera calor a Endotérmicas, en las cuales los alrededores y el cambio de el sistema absorbe calor de entalpía tiene signo negativo. los alrededores y el cambio En este caso, la entalpía de los de entalpía es positivo reactantes es mayor que la de los productos y esta diferencia es la que se libera en forma de calor cuando la reacción se lleva a cabo El cambio de entalpía (∆H) representa la cantidad de calor que se libera o se absorbe en una reacción a presión constante. Si la reacción se realiza en condiciones estándar, se obtiene el cambio de entalpía estándar (∆H°). El cambio de entalpía está dado por la siguiente ecuación: En donde ΣHprod es la suma de las entropías de los productos, y ΣHreact la suma de las entropías de los reactantes Espontaneidad de las reacciones Las reacciones que liberan calor (exotérmicas) son espontáneas mientras que las que necesitan tomar calor de los alrededores (endotérmicas) no se llevan a cabo Entropía La entropía es una propiedad relacionada con el orden del sistema. El significado de ésta puede comprenderse de una manera intuitiva si se consideran dos sistemas, uno de ellos en estado cristalino y el otro en estado gaseoso. Las moléculas que forman parte del cristal están más ordenadas que las de un gas Existe una relación inversa entre el orden del sistema y su entropía: a mayor orden, el contenido de entropía es menor y viceversa. Para una reacción química, el cambio de entropía (∆S) está dado por la siguiente ecuación: En donde ΣSprod es la suma de las entropías de los productos, y ΣSreact la suma de las entropías de los reactantes Energía libre de Gibbs La energía libre de Gibbs (o sólo energía libre), que sólo toma en cuenta los cambios de entalpía y entropía del sistema, y que representa un criterio medible de la espontaneidad de las reacciones. El cambio de energía libre de cualquier reacción está dado por las siguientes ecuaciones: Constante de equilibrio Existe un gran número de reacciones en que, al mismo tiempo que se lleva a cabo la reacción en un sentido (A + B → C + D), con una velocidad que depende de la concentración de A y B, se produce la reacción en el otro sentido (C + D → A + B), con una velocidad que está determinada por la concentración de C y D. En estos casos, el sistema, después de cierto tiempo, llega a una situación en la cual las concentraciones de A, B, C y D se mantienen constantes con respecto al tiempo. El ATP como la moneda energética de la célula Función del ATP en el metabolismo Es fundamental, debido a su tendencia a ceder el grupo fosfato y al hecho de que la mayoría de las enzimas que participan en reacciones que requieren energía utilizan esta molécula como sustrato El ATP se sintetiza en la glucólisis mediante un proceso conocido como fosforilación a nivel de sustrato. Sin embargo, es en la mitocondria donde se realiza la mayor síntesis de ATP por medio de la fosforilación oxidativa. A su vez, el ATP se utiliza para realizar trabajo biosintético, osmótico y mecánico Estructura del ATP De manera estructural está formado por una adenina, una D-ribosa y tres grupos fosfato. El nitrógeno 9 de la adenina se une al carbono 1 de la D- ribosa por medio de un enlace N- glucosídico, y el grupo fosfato se une al carbono 5 de la D-ribosa a través de un enlace éster la carga neta del ATP es de -3. Sin embargo, el citosol de las células también contiene concentraciones altas de magnesio (1 a 5 mM) que favorecen la formación del complejo MgATP con carga de -2