La bioquímica es la ciencia que estudia composición química de los seres vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos,

Presentación del tema: "La bioquímica es la ciencia que estudia composición química de los seres vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos,"— Transcripción de la presentación:

1 La bioquímica es la ciencia que estudia 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 que les permiten obtener energía y generar biomoléculas propias. 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. Es la ciencia que estudia la base química de la vida: las moléculas que componen las células y los tejidos, que catalizan las reacciones químicas del metabolismo celular como la digestión, la fotosíntesis y la inmunidad, entre otras.

2 En 1828 Friedrich Wöhler publicó un artículo acerca de la síntesis de urea, probando que los compuestos orgánicos pueden ser creados artificialmente, en contraste con la creencia, comúnmente aceptada durante mucho tiempo, que la generación de estos compuestos era posible sólo en el interior de los seres vivos. Desde entonces, la bioquímica ha avanzado, especialmente desde la mitad del siglo XX con el desarrollo de nuevas técnicas como la cromatografía, la difracción de rayos X, marcaje por isótopos y el microscopio electrónico. Estas técnicas abrieron el camino para el análisis detallado y el descubrimiento de muchas moléculas y rutas metabólicas de las células, como la glucólisis y el Ciclo de Krebs(denominado así en honor al bioquímico Hans Adolf Krebs). Hoy, los avances de la bioquímica son usados en cientos de áreas, desde la genética hasta la biología molecular, de la agricultura a la medicina. Probablemente una de las primeras aplicaciones de la bioquímica fue la producción de pan usando levaduras, hace años.

3 El pilar fundamental de la investigación bioquímica se centra en las propiedades de las proteínas, muchas de las cuales son enzimas. Por razones históricas la bioquímica del metabolismo de la célula ha sido intensamente investigado, en importantes líneas de investigación actuales (como el Proyecto Genoma, cuya función es la de identificar y registrar todo el código genético humano), se dirigen hacia la investigación del ADN, el ARN, la síntesis de proteínas, la dinámica de la membrana celular y los ciclos energéticos. Representación esquemática de la molécula de ADN, la molécula portadora de la información genética.

4 Biología celular: Es una área de la Biología que se dedica al estudio de la célula, su comportamiento, la comunicación entre orgánulos al interior de la célula y la comunicación entre células. Genética: Es un área de la biología dónde se estudia principalmente el ADN y ARN, para entender la función de cada una de sus partes y los procesos asociados a su conservación. Inmunología: Área de la biología, la cual se interesa por la reacción del organismo frente a organismos como las bacterias y virus. Todo esto tomando en cuenta la reacción y funcionamiento del sistema inmune de los seres vivos. Farmacología: Área de la química que estudia cómo afectan ciertas sustancias al funcionamiento celular en el organismo.

5 La Bioquímica es la ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones que experimentan los componentes químicos de los seres vivos, y especialmente las proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y glúcidos. Además, la Bioquímica también describe las reacciones químicas que se dan dentro del metabolismo celular. La Bioquímica se basa en la Química orgánica, es decir, en el hecho de que todo ser vivo contiene carbono y, en general, las moléculas biológicas están compuestas principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Es decir, la Bioquímica es la ciencia que estudia la mismísima base de la vida: las moléculas que componen células y tejidos, y que catalizan las reacciones químicas de la digestión, fotosíntesis y respiración, entre otras.

6 Actualmente, la Bioquímica se encuentra ante continuos descubrimientos y hechos científicos:
La definición del genoma humano, la clonación de genes para la regulación de enfermedades terminales tales como el cáncer, el entendimiento del funcionamiento del virus del SIDA para poder combatirlo, la preparación de nuevas drogas para erradicar infecciones bacteriales como el Antrax, el desarrollo de armas biológicas para la defensa nacional, la revolucionaria industria de perfumes y cosméticos, el desarrollo de alimentos resistentes a hongos e insectos, y muchos otros temas que se reportan constantemente en las noticias, periódicos y revistas del mundo entero, son algunos de los temas en los que actualmente se encuentra involucrada esta ciencia.

7 La bioquímica tiene como objetivo: explicar las estructuras y funciones biológicas en términos químicos. Uno de los enfoques que se han mostrado más productivos para la comprensión de los fenómenos biológicos parte de la purificación a partir de organismos vivos de componentes químicos individuales, como pueden ser las proteínas, para caracterizar su estructura química o su actividad catalítica. Al comenzar el estudio de las biomoléculas y sus interacciones, algunas cuestiones básicas requieren nuestra atención: ¿Qué elementos químicos pueden encontrarse en la células? ¿Qué tipos de moléculas conforman la materia viva? ¿En que proporciones se hallan? ¿Cómo llegaron a formar parte de ella? ¿De que manera las moléculas presentes en las células vivas son especialmente adecuadas para cumplir su cometido?.

8 A principios del siglo diecinueve resultaba claro para los químicos que la composición de la materia viva era sorprendentemente diferente de la del mundo inanimado. Antoine Lavoisier ( ) observó la relativa simplicidad del mundo mineral y la contrasto con la complejidad de los mundos vegetal y animal; estos últimos estaban formados por compuestos ricos en los elementos carbono, oxigeno, nitrógeno y fósforo. Una sola célula bacteriana contiene alrededor de 5000 clases distintas de moléculas y una célula vegetal o animal tiene aproximadamente el doble. Estas miles de moléculas, sin embargo, están compuestas de relativamente pocos elementos (CHNOPS).

9 El agua constituye entre el 50 y el 95% de un sistema vivo, y los iones pequeños tales como K, Na y Ca dan cuenta de no más del 1%. Casi todo el resto, hablando en términos químicos, está compuesto de moléculas orgánicas. En los organismos se encuentran cuatro tipos diferentes de moléculas orgánicas en gran cantidad: carbohidratos, lípidos, proteínas y nucleótidos. Todas estas moléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Además, las proteínas contienen nitrógeno y azufre, y los nucleótidos, así como algunos lípidos, contienen nitrógeno y fósforo. Se ha dicho que es suficiente reconocer cerca de 30 moléculas para tener un conocimiento que permita trabajar con la bioquímica de las células. Dos de esas moléculas son los azúcares glucosa y ribosa; otra, un lípido; otras veinte, los aminoácidos biológicamente importantes; y cinco las bases nitrogenadas, moléculas que contienen nitrógeno y son constituyentes claves de los nucleótidos.

10 QUÍMICA ORGÁNICA La química orgánica es el estudio de los compuestos del carbono, sus estructuras propiedades y reacciones. Es una de las áreas más interesantes de la química debido a la importancia de los compuestos que contienen carbono. Los compuestos orgánicos son los componentes principales de los seres vivos y la vida como la conocemos no podría existir sin ellos. Los humanos dependemos de los compuestos orgánicos para muchas de las cosas que hacemos. El alimento que ingerimos esta constituido por compuestos orgánicos. Los combustibles que utilizamos para mover los automóviles y calentar las casas son principalmente compuestos orgánicos. Una gran proporción de nuestras posesiones son total o parcialmente compuestos orgánicos. Por ejemplo, los plásticos que corresponden a un diverso grupo de compuestos orgánicos forman parte de la mayoría de los artículos que compramos.

11 QUÍMICA ORGÁNICA Se sabe que existen millones de compuestos orgánicos y se sintetizan miles de ellos cada año. Encontraste, existen menos de compuestos inorgánicos conocidos (en su mayor parte, todos son compuestos que no contienen carbono). La mayor parte de los compuestos orgánicos tienen menores densidades, puntos de fusión y puntos de ebullición que la mayoría de los compuestos inorgánicos. Muchas de las sustancias orgánicas son inflamables, propiedad poco común en el mundo de la química orgánica. Finalmente, la mayor parte de las sustancias orgánicas tienden a ser menos solubles en agua y más solubles en solventes no polares, que la mayoría de los compuestos inorgánicos.

12 ESTRUCTURAS MOLECULARES DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS.
Cadenas lineales El termino de cadena lineal se utiliza para referirse a las cadenas hidrocarbonada no ramificadas. Las cadenas carbonadas no son verdaderamente lineales debido a la geometría tetraédrica alrededor del átomo de carbono. El metano es el compuesto orgánico más sencillo, en este el átomo de carbono central tienen 4 átomos de hidrogeno enlazados en forma covalente, esta es una formula estructural que representa cada átomo y los átomos a los que estos se encuentran entrelazados. Cadenas carbonadas ramificadas Una cadena ramificada de átomos de carbonos consta de una cadena carbonada y de por lo menos un átomo de carbono adicional enlazado a uno de los átomos de carbono anteriores. El alcano ramificado más sencillo es el isobutano.

13 La estructura cíclica más sencilla es el ciclopropano.
ESTRUCTURAS MOLECULARES DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS. Estructuras ciclicas Además de las dos anteriores existen estructuras cíclicas (estructuras de anillo). Una estructura cíclica de átomos de carbono puede considerarse como resultado de retirar un hidrogeno de cada átomo de carbono terminal de una cadena no ramificada y luego juntar los extremos. La estructura cíclica más sencilla es el ciclopropano. Ciertos compuestos tiene la misma fórmula química pero sus átomos se disponen de manera diferente. Estos compuestos se denominan isomeros. Existen distintos tipos de isómeros, entre ellos, los isómeros estructurales y los isómeros ópticos o enantiómeros.

14 Grupos funcionales. Las propiedades químicas específicas de una molécula orgánica derivan principalmente de los grupos de átomos conocidos como grupos funcionales. Estos grupos están unidos al esqueleto de carbono, reemplazando a uno o más de los hidrógenos que estarían presentes en un hidrocarburo.

15 Importancia biológica
Algunos grupos funcionales biológicamente importantes Grupo Nombre Importancia biológica – OH Hidroxilo Polar, y por esta razón soluble en agua; forma puentes de hidrógeno – C=O     I    OH Carboxilo Ácido débil (dador de hidrógeno); cuando pierde un ion hidrógeno adquiere carga negativa: – C=O     I    O- + H+ – N – H     I    H Amino Base débil (aceptor de hidrógeno); cuando acepta un ion hidrógeno adquiere carga positiva:    H     I – N+ – H     I    H    H     I – C=O Aldehído Polar, y por esta razón soluble en agua; caracteriza a algunos azúcares – C=O     I Cetona (o carbonilo) Polar, y por esta razón soluble en agua; caracteriza a otros azúcares    H     I – C – H     I    H Metilo Hidrofóbico (insoluble en agua)   O    II – P – OH    I   OH Fosfato Ácido (dador de hidrógeno); en solución presenta habitualmente carga negativa:   O    II – P – O- + 2H+    I   O-

16 ALCOHOLES Su estructura es similar a la de los hidrocarburos, en los que se sustituyó uno o más átomos de hidrógeno por grupos "hidroxilo", -OH. Se nombran como los hidrocarburos de los que proceden, pero con la terminación "-ol", e indicando con un número localizador, el más bajo posible, la posición del grupo alcohólico.  Según la posición del carbono que sustenta el grupo -OH, los alcoholes se denominan primarios, secundarios o terciarios. Si en la molécula hay más de un grupo -OH se utiliza la terminación "-diol", "-triol", etc., indicando con números las posiciones donde se encuentran esos grupos. Hay importantes polialcoholes como la glicerina "propanotriol", la glucosa y otros hidratos de carbono. Cuando el alcohol no es la función principal, se nombra como "hidroxi-", indicando su número localizador correspondiente.

17 AMINAS   Son compuestos derivados del amoníaco (NH3) al sustituir uno, dos o tres de sus hidrógenos por radicales alquílicos o aromáticos. Según el número de hidrógenos que se sustituyan se denominan aminas primarias, secundarias o terciarias. Se nombran añadiendo al nombre del radical hidrocarbonado el sufijo "-amina". Aunque las aminas primarias frecuentemente se nombran como sustituyentes de la cadena carbonada con su correspondiente número localizador y el prefijo "amino-".   En las aminas secundarias y terciarias, si un radical se repite se utilizan los prefijos "di-" o "tri-", aunque, frecuentemente, y para evitar confusiones, se escoge el radical mayor y los demás se nombran anteponiendo una N para indicar que están unidos al átomo de nitrógeno.

18 Agua. El agua, el líquido más común de la superficie terrestre, el componente principal en peso de todos los seres vivos, tiene un número de propiedades destacables. Estas propiedades son consecuencia de su estructura molecular y son responsables de la "aptitud" del agua para desempeñar su papel en los sistemas vivos. La estructura de la molécula de agua está dada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno que se mantienen unidos por enlaces covalentes. Es una molécula polar y, en consecuencia, forma enlaces -llamados puentes de hidrógeno- con otras moléculas. Aunque los enlaces individuales son débiles -se rompen y se vuelven a formar continuamente- la fuerza total de los enlaces que mantienen a las moléculas juntas es muy grande. La molécula de agua (H2O) puede ser representada de varias maneras distintas. Una de ellas es el modelo compacto y otra el modelo de esferas.

19 ¿Porqué Reaccionan las Sustancias?
Las reacciones químicas (y por tanto las bioquímicas, también) sólo ocurren si son energéticamente favorables. En general, una reacción ocurrirá si los productos son energéticamente más estables que los reactivos. Las cenizas son más estables que la madera, por lo tanto una vez que se sobrepase el umbral de la energía de activación (es decir, un fósforo), la madera arderá. Aunque existen muchas excepciones, se puede decir como regla general que si los productos de una reacción representan un estado más estable que los reactivos, entonces la reacción ocurrira en sentido directo. Existen dos factores que determinan si una reacción que modifica los reactivos en productos es considerada favorable o no: se denominan simplemente entalpía y entropía.

20 Entalpía En palabras sencillas la entalpía es el contenido de calor de una sustancia (H). La mayoría de las personas tienen una comprensión intuitiva de lo que es el calor. Cuando somos niños aprendemos que no tenemos que tocar las hornillas de la cocina cuando están encendidas. Sin embargo la entalpía no representa el mismo tipo de calor. La entalpía es la suma de la energía interna de la sustancia y el producto de su presión multiplicado por su volumen. Por tanto la entalpía se define con la siguiente ecuación. donde (todas las unidades son dadas en SI) H es la entalpía U es la energía interna, (joules) P es la pressure del sistema, (pascales) y V es el volumen, (metros cúbicos)

21 reactantes/productos
Entalpía Si la entalpía de los reactivos al ser convertidos en productos disminuye (ΔH < 0), significa que los productos se enfrían y parte de la energía es liberada al entorno. Este tipo de reacción se denomina exotérmica, y es favorecida por la reglas del Universo (tal como los humanos las comprendemos). Lo que la entalpía significa para una persona común es que: si deja un recipiente con agua tibia sobre una cocina apagada es más probable que se enfríe a la temperatura del ambiente a que se caliente hasta hervir. Si esta parece una conclusión obvia, entonces debe ser cierta. La ecuación de la entalpía no es necesaria para analizar aquellas cosas que ya conocemos como funcionan... es necesaria para aquellas otras situaciones menos familiares y no tan intuitivas. ΔH reactantes/productos entorno favorable < 0 enfrían calienta si > 0 calientan enfría no

22 Entropía Entropía (símbolo S) es la medida de desorden de alguna cosa. Representa el estado más probable de todas las posibilidades estadísticas del sistema, por lo tanto el concepto tiene múltiples aplicaciones. En todas las ramas de la química, la entropía generalmente se considera importante para determinar si un una reacción tendrá lugar o no, basándose en el principio de que un sistema menos ordenado es más probable estadísticamente que un sistema más ordenado ¿Qué es lo que realmente significa el concepto de entropía? Bueno, podemos considerar un ejemplo, si el Monte Vesubio hace erupción al lado de una ciudad mediterránea del Imperio Romano, ¿Es más probable que el volcán destruya la ciudad o qué construya un rascacielo en ese lugar? Sin duda es obvio lo que ocurrirá (o más bien ocurrió) debido a que es lógico que los fenómenos naturales favorezcan el desorden (destrucción) sobre el orden (construcción). La entropía no es otra cosa que una manera matemática de expresar estas diferencias esenciales.

23 Estados Intramoleculares (Grados de libertad)
Entropía En química hay tres grandes conceptos basados en la idea de la entropía: Estados Intramoleculares (Grados de libertad) Cuanto más grados de libertad tenga una molécula (cuanto más la molécula se pueda mover en el espacio, mayor sera el grado de desorden y, consecuentemente, mayor la entropía) Existen tres maneras por las que una molécula se puede mover en el espacio y cada una tiene su nombre: rotación = movimiento alrededor un eje, vibración = movimiento intramolecular de dos átomos unidos en relación uno del otro y traslación = movimiento de una molécula de un lugar a otro. Estructuras Intermoleculares A menudo se crean estructuras nuevas cuando las moléculas interaccionan una con otra mediante la formación de enlaces no covalentes Esto tiende a reducir el grado de desorden (y por tanto de entropía) del sistema ya que cualquier tipo de asociación entre las moléculas estabiliza el movimiento de ambas y disminuye las posibilidades de distribución azarosa

24 Número de posibilidades
Entropía Número de posibilidades Cuanta más moléculas estén presentes hay un mayor número de posibilidades diferentes para distribuir las moléculas en el espacio, lo que significa un mayor grado de desorden de acuerdo a la estadística. De igual manera, si hay una mayor cantidad de espacio disponible para distribuir la moléculas, la cantidad de desorden se incrementa por la misma razón. materia sólida (menos entropía) << líquidos << gases (mayor entropía) Los cambios en entropía se simbolizan con ΔS. Debido a las razones mencionadas anteriormente (en el ejemplo del volcán), el incremento en entropía (ΔS > 0) es considerado favorable debido a que el Universo tiende en dicho sentido. Una disminución en la entropía es generalmente considerada no favorable a menos que exista un componente energético en el sistema de reacción que de cuenta de la disminución de la entropía (ver energía libre más abajo) ΔS entropía favorable > 0 incrementa si < 0 disminuye no

25 Vías Metabólicas Los nutrientes que consumimos son procesados para formar parte de nuestras células, ADN, proteínas, etc. Si las reacciones bioquímicas involucradas en este proceso fueran reversibles, si dejamos de comer aunque sea por un período de tiempo relativamente corto, podríamos convertir nuestro ADN nuevamente en las moléculas de comida. Para evitar que esto ocurra nuestro metabolismo está organizado en vías metabólicas. Estas vías son una serie de reacciones bioquímicas que en su conjunto son irreversibles. Las reacciones de una vía metabólica ocurren en orden donde los productos de la primera reacción son los reactivos de la siguiente reacción en la vía y así sucesivamente: A ⇌ B ⇌ C ⇌ D ⇌ E Al menos una de estas reacciones tiene que ser irreversible, osea: A ⇀ B ⇌ C ⇌ D ⇀ E El control del paso irreversible (es decir A → B) le permite a la célula controlar la vía metabólica entera y, de esta manera, la cantidad de reactivos consumidos y productos formados. Algunas vías metabólicas tienen una vía de regreso, que no es la misma vía en sentido inverso. Aunque utiliza los pasos reversibles de la vía existente, al menos una de las reacciones irreversibles es sobrepasada por otra reacción, también irreversible, en el sentido de E a A: E ⇀ X ⇌ C ⇌ B ⇀ A Esta reacción es, a su vez, controlada permitiendo a la célula elegir la dirección en que la vía metabólica está funcionando.

26 Energía libre y equilibrio
Las condiciones estándar de ΔG, la energía libre de la reacción, están definidas como: concentración de reactivos y productos a 1M temperatura a 25°C acidez a pH 7,0 Bajo esas condiciones estándar, se define ΔG0' como la energía libre de cambio estándar. Para una reacción A + B ⇌ C + D la relación entre los productos y los reactivos viene dada por keq' (=keq a pH 7,0): La relación entre ΔG0' y keq' es ΔG0' = - R T ln keq' = - R T log10 keq' donde R = [J mol-1 K-1] (la constante molar de los gases) T = temperatura [K] Con esta información, en teoría, podríamos ahora decidir si una reacción es favorable (ΔG0' < 0). Sin embargo, la reacción puede necesitar un catalizador para que ocurra en un plazo de tiempo razonable. En bioquímica, tales catalizadores son llamados habitualmente enzimas.

27 Enzimas Enzima (del griego, fermento) son moléculas de proteínas particulares cuya función es facilitar o acelerar la mayoría de las reacciones químicas de la célula. Dentro de la células biológicas ocurren muchas reacciones químicas que, sin la presencia de las enzimas, ocurririan a una tasa demasiado lenta para ser biológicamente relevantes. Las enzimas pueden acoplar dos o más reacciones para que ocurran al mismo tiempo, de esta forma una reacción termodinámicamente favorable puede ser utilizada para "dirigir" una reacción desfavorable. Uno de los ejemplos más comunes son las enzimas que utilizan la desfosforilación del ATP para dirigir reacciones no relacionadas. Para que las reacciones químicas ocurran es necesario que exista una cierta cantidad de energia de activación. Las enzimas pueden incrementar la velocidad de la reacción favoreciendo o habilitando una vía diferente de reacción con una energía de activación menor (Fig.1), haciendo mucho más fácil que la reacción ocurra. La enzimas son grandes proteínas globulares que catalizan (aceleran) reacciones químicas y son esenciales para las funciones celulares.

28 Enzimas Las enzimas son muy específicas para las reacciones que catalizan y los químicos (sustratos) que utilizan. Los sustratos se acomodan en su enzima de manera análoga a la que una llave calza en un cerradura (Fig.2). Muchas enzimas están compuestas de varias proteínas que actuan juntas como una unidad. La mayor mayor parte de una enzima tiene funciones regulatorias o estructurales. La reacción catalizada tiene lugar en una pequeña parte de la enzima llamada sitio activo, el cual es formado por aproximadamante aminoácidos.

29 Figura 1: Diagrama de una reacción catalítica, mostrando la energía necesaria (E) en función del tiempo (t).

30 Figura 2: Una enzima (E) cataliza la reacción de dos sustratos (S1 y S2) para formar un producto (P).