INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA Mg. Carlos A. Esqueche Angeles [email protected] 2021 FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMATICA
ORGANIZACIÓN DE LOS SERES VIVOS
A. NIVELES ABIÓTICOS Nivel Atómico Nivel Molecular Nivel Macromolecular Nivel Supramolecular Nivel Organelos ORGANIZACIÓN DE LOS SERES VIVOS B. NIVELES BIÓTICOS Nivel celular Nivel individuo Nivel población Nivel comunidad Nivel Ecosistema
Las propiedades de un elemento dependen de la estructura de sus átomos Modelo simplificado de un átomo de helio (He ). El núcleo se compone de 2 neutron es (marrón) y 2 proton es (rosa). Los electron es (amarillo) se mueven rápidamente alrededor del núcleo Biología. Campbell N. y Reece J. (2016). Editorial Panamericana.
ATOMOS Biología. Campbell N. y Reece J. (2016). Editorial Panamericana. Protones Neutrones Electrones Núcleo Atómico Orbita Identidad del elemento: Ejm C= 6 p+ , O = 8 p+ Uniones Químicas Electronegatividad: Capacidad relativa de un elemento para atraer e¯ en una unión. La diferencia de electronegatividad va a dar el tipo de unión química 1. Iónica : Gran diferencia de electronegatividad 2. Metálica: Baja electronegatividad 3. Covalente : Alta electronegatividad
Enlace iónico Cuando un elemento muy electropositivo se une a un elemento muy electronegativo se produce una unión mediante enlace iónico . El metal pierde uno o varios electrones, convirtiéndose en un catión . El no metal captura uno o varios electrones y se convierte en un anión .
ENLACES INTER E INTRAMOLECULARES Enlaces entre moléculas o partes de una molécula, que le dan mayor estabilidad Puentes disulfuro : -S-S- ( a partir de grupos tiol ) muy resistentes Enlace hidrógeno : ( N-H, O-H, C=O ) fuerzas eléctricas entre átomos con exceso de carga + y otros con exceso de carga -, entre elementos de diferente electronegatividad. Uniones hidrofóbicas : por diferencia de solubilidad respecto al agua Fuerzas de Van der Waals : pequeñas fluctuaciones en la carga de átomos Enlace iónico : en moléculas que contienen: -COOH y NH 2 ionizados CLASES
Nivel Atómico (Bioelementos) Está formado por átomos y estos a su vez presentan una estructura compleja. Los átomos están formados por partículas sub-atómicas como los neutrones, los protones y los electrones Los átomos e iones atómicos forman los bioelementos presentes en la materia viva Los más abundantes son los bioelementos primarios ( 99% de la materia viva): Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno. Los secundarios constituyen el 0,8% y son: Fosforo, Magnesio, Calcio, Cloro, Sodio, Azufre, Potasio. Los Oligoelementos están presentes en cantidades muy pequeñas ( 0,2%). Son igualmente imprescindibles para El funcionamiento del organismo: Mn, Zn, Cu, I, F, Mo, Se. Bodega G, Fernández B. Biología celular. Editorial Síntesis. Madrid. 2005.
Los elementos biogenésicos son todos aquello elementos químicos que se designa para formar parte de la materia viviente. También son conocidos como bioelementos. Elementos Biogenésicos: Átomos de la Vida 14 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MATERIA VIVA Bio = Vida Génesis = Origen FREEMAN S., “Biología”. 3ª ed. Editorial Pearson Educación S.A. 2009 ATOMO MOLECULA CELULA
¿Todos son Bioelementos? Los elementos marcados en color naranja ( bioelementos secundarios ) forman alrededor del 0.8% de la materia viva.Se caracterizan por formar sales para el funcionamiento correcto del orgnismo Los elementos marcados en color verde , llamados Oligoelementos , representan algo menos del 0.2% de la materia viva. Los elementos marcados en color rojo , llamados ( bioelementos primarios ) , constituyen algo mas del 99% de la materia viva. Son indispensables para formar moléculas orgánicas (BIOMOLECULAS)
Primarios Secundarios Oligoelementos Azufre (S) Fósforo (P) Magnesio (Mg) Calcio (Ca) Sodio (Na) Potasio (K) Cloro (Cl) Carbono (C) Hidrógeno (H) Oxígeno (O) Nitrógeno (N) Hierro (Fe) Manganeso (Mn) Cobre (Cu) Zinc (Zn) Flúor (F) Yodo (I) Boro (B) Silicio (Si) Vanadio (V) Cromo (Cr) Cobalto (Cu) Selenio (Se) Molibdeno (Mb) Estaño (Sn) BIOELEMENTOS De acuerdo con su abundancia en los seres vivos, clasificamos los bioelementos en tres categorías: Bioelementos principales [ 95% ] Bioelementos secundarios [aprox. 2,5 %] Oligoelementos [0,5 %]
Bioelementos principales [ 95% ] C H O N P S Carbono Hidrógeno Oxígeno Nitrógeno Fósforo Azufre Forman parte de todas las biomoléculas orgánicas Constituyen el 95 % de la materia viva Aminoácidos (=> y proteínas) Ácidos nucleicos (ADN y ARN) Nucleótidos (como el ATP) Clorofila Hemoglobina Muchos glúcidos y lípidos etc. Forma parte de Cisteína y metionina (dos aminoácidos presentes en casi todas las proteínas). Otras moléculas orgánicas (p.ej. Vitaminas B, CoenzimaA,…) Nucleótidos Coenzimas Fosfolípidos etc. Moléculas inorgánicas como fosfatos y sales minerales Forma parte de Forma parte de (Y también de moléculas inorgánicas como el H 2 O, etc.)
FREEMAN S. “Biología”. 3ª ed. Editorial Pearson Educación S.A. 2009
SON LAS MOLÉCULAS QUE FORMAN A LOS ORGANISMOS O PARTICIPAN DE SU METABOLISMO. Orgánicas (polímeros) Inorgánicas (pequeñas) 20 Agua Sales Minerales Glucidos Lipidos Proteinas Acidos Nucleicos
BIOQUÍMICA Ver video en YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=uRjnMPDv9d4
El t érmino bioquímica fue acuñado por el fisiólogo y químico alemán Felix von Hoppe- Seyler (1825- q uie n e n 1 8 6 6 1895), o r ien t ó e n l a Univ e rs i d a d de T ü b ingen cátedra l a p r i me r a de f i s i o l o g í a química organizada en la comunidad científica. BIOQUÍMICA
La bioquímica es la ciencia que explica la vida utilizando el lenguaje de la química, estudia los proceso biológicos a nivel molecular empleando técnicas químicas, física y biológicas. El objetivo fundamental de la bioquímica consiste entonces, en estudiar la estructura, organización y las funciones de los seres vivos desde el punto de vista molecular. El objeto de estudio de la Bioquímica
Durante el trabajo de laboratorio en bioquímica, se hace necesario poner adecuadamente en practica las normas de seguridad. El objeto de estudio de la Bioquímica
La bioquímica puede dividirse en tres grandes campos de estudio: Estructural: estudia la composición, conformación, configuración, y estructura de las moléculas de las células, relacionándolas con su función bioquímica. Metabólica: estudia las transformaciones, funciones y reacciones químicas que sufren o llevan a cabo las moléculas en los organismos vivos. Molecular: estudia la química de los procesos y moléculas implicados en la transmisión y almacenamiento de información biológica. El objeto de estudio de la Bioquímica
D is c i p li n a s ci e n t í f ic a s relacionadas con la bioquímica: Genética Fisiología Inmunología Farmacología y Farmacia Toxicología Patología Microbiología Medicina Enfermería Nutrición Ciencias de la salud Bioquímica: un lenguaje común
La o r ga n iz a c i ó n Mundial de la Salud (OMS) define la salud como el estado de «bienestar físico, mental y social completo, y no solamente la ausencia de enfermedad » Sin embargo desde un punto de vista bioquímico, la en f er me d a d p u e d e ser entendida como una alteración en los procesos que se realizan dentro de los organismos vivos y que pueden conducir a la muerte de éste. Procesos bioquímicos alterados y enfermedad
Los bioelementos biogénicos son los elementos químicos que constituyen los seres vivos. De acuerdo a su abundancia se clasifican en: Primarios : H, C, O , N (representan el 99.3%) Secundarios : Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe ( 0,7%) Oligoelementos : Mn, I, Cu. Co, Zn, F, Mo, Se (trazas) Bi o e l e m e n t o s
Así mismo, los bioelementos pueden ser clasificados de acuerdo a la función que desempeñan en el organismo: Estructural : mantenimiento en la estructura del organismo (H, O, C, N, P, S) Esquelética: confieren rigidez (Ca, Mg, P, Si) Energética: forman parte de moléculas energéticas (C, O, H, P) Catalítica: catalizan reacciones y procesos bioquímicos (Fe, Co, Cu, I) Osmótica y Electrolítica: m antienen y regulan fenómenos osmóticos y potencial electroquímico (Na, K, Cl) Bioelementos
Las moléculas constituyentes de los seres vivos se denominan biomoléculas . A su vez, atendiendo a su naturaleza, éstas se pueden clasificar en: Inorgánicas: agua, gases (oxígeno, dióxido de carbono), sales inorgánicas ( bicarbonato ) Orgánicas: glúcidos (glucosa), lípidos (colesterol), proteínas ( h em o g l o b i n a) , á c i d o s nucleicos (ADN y ARN). Biomoléculas
Las biomoléculas pueden ser también clasificadas de acuerdo con su grado de complejidad así: Precursores: agua, dióxido de carbono (M 50 Da) Intermedios metabólicos: p.ej., piruvato y citrato (M 50- 200 Da) U n i d ade s e s t r uctu r a l e s : m o n os a c á r i d os , á c i d o s g r a sos, aminoácidos, nucleótidos (M= 100- 300 Da) Macromoléculas: polisacáridos, grasas, proteínas y ácidos nucleicos. S u p r ama c r omo l écu l a s : p . e j ., cromatina (ADN y proteína) o membranas (lípidos y proteínas) Los cromosomas son estructuras d i s cr e t a s , i n d e p e n d i e n t e s y organizadas de ADN, visibles durante el proceso de división celular. Biomoléculas
W a l ter Br a d f o rd C a n n o n un fisiologo estadounidense, en 1932 d e f in i ó e l c once p t o de homeostasis como la tendencia general de todo organismo a restablecer su equilibrio interno cada vez que este es perturbado H o m e o s t a s i s Walter Bradford Cannon (1871- 1945) expandió el concepto de homeóstasis formulado inicialmente por el fisiólogo francés Claude Bernard (1913- 1878)
T a l d ef i n i c i ón se ha a m p l i a d o , y h oy se p u e d e e n t e n d e r la homeostasis como el conjunto de meca n i s mos r e g u l ado r e s q ue ambiente interno de un sistema p e r m i ten q u e el se mantenga constante y estable . organismo los siguientes hu m a n o son sistemas de E n el importantes regulación: H o m e o s t a s i s ▣ Regulación de gases respiratorios. ▣ Osmoregulación: agua y electrolitos. ▣ Termorregulación. ▣ Rutas Metabólicas. Leonardo da Vinci (1487). El hombre de Vitrubio o Canon de las proporciones humanas.
La homeostasis de un organismo involucra una compleja dinámica entre factores internos , p.ej., el metabolismo y factores externos , p.ej., condiciones d e tempera t ur a y disponibilidad de gases. H o m e o s t a s i s
REVISIÓN DE ALGUNOS CONCEPTOS FUNDAMENTALES
E s t r u c t u r a Celular La célula es la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo. Existen dos tipos principales de células, las procariotas y las eucariotas , éstas últimas siendo sistemas más evolucionados que las primeras. Este sistema general de clasificación responde a la existencia o no de un núcleo delimitado por membranas. células que los constituyen, E n f u n ci ó n d e l n ú m e r o de los organismos vivos pueden clasificarse en unicelulares si están constituidos por una única célula, o pluricelulares si los conforman más p o s e e r u n t am a ñ o q u e d e u n a c é l u l a . La s c é l u las s u e l e n oscila alrededor de los 10 µm y poseen una masa promedio de 1 ng. Modelo de célula eucariota .
E s t r u c t u r a Celular Ver video en YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=hBTImxRZrDM Los postulados de la teoría celular afirman que: L a c é l u la e s l a u n i da d morfológica de todo ser vivo. Toda célula deriva de una célula procedente. Las funciones vitales (nutrición, crecimiento y multiplicación, diferenciación, evolución), ocurren y son controladas en el interior de las células. Cada célula contiene la información hereditaria n e c e s a r ia p a r a el c o n t r o l d e su p r o p i o cicl o , a s í c o m o p a r a la transmisión de esa información a la siguiente generación celular.
Tabla P e r i ó d i c a La or g a n i za t a b l a los p er i ó d i ca e l e m e n t os químicos de acuerdo al valor de su número a g r u p a r l os atóm i c o , y en permite fu n c i ó n de propiedades q u í m i c a s y f í s i c a s semejantes. Es una herramienta que relaciona las propiedades de los elementos en forma sistemática y ayuda a hacer predicciones con respecto al comportamiento químico.
R e a cc i ó n Química Los cambios químicos , a diferencia de los cambios fí si c o s i m p l i c a n el rompimiento y formación de nuevos enlaces, lo que conlleva la transformación de las sustancias. En este sentido, se puede entender por reacción química , como aquel proceso en el que una o más sustancias cambia/n para formar una o más sustancias nuevas. En el interior del organismo ocurren gran cantidad de reacciones químicas. Cuando nos alimentamos, el cuerpo metaboliza los nutrientes y obtiene la energía necesaria para realizar todos los procesos vitales.
Reacciones de combinación Son reacciones en las que una o más sustancias se combinan para formar un solo producto de reacción. A + B → C TIPOS DE REACCIONES QUIMICAS
Reacciones de descomposición Las reacciones de descomposición pueden entenderse como el proceso inverso a las reacciones de combinación. De esta forma, son reacciones en las que a partir de una única sustancia reaccionante, se obtienen dos o más sustancias como producto. C → A + B TIPOS DE REACCIONES QUIMICAS
Reacciones de desplazamiento o sustitución Este tipo de reacciones tiene lugar cuando un ion o átomo de un compuesto s reemplazada por un ion o átomo de otro elemento. AB + C → AC + B TIPOS DE REACCIONES QUIMICAS
Tipos de reacciones química Reacciones de intercambio Est e tipo reacciones cuando de ocurre d o s sustancias diferentes intercambian entre sí un átomo, grupo de átomos o ion, formando así dos nuevas sustancias. AB + CD → AC + BD
Tipos de reacciones química Reacciones de oxidación-reducción Son aquellas en las que ocurre un cambio en los d e las estados de oxidación sustancias reaccionantes. El estado de oxidación es la carga aparente con la que un elemento trabaja en un compuesto o especie química.
Tipos de reacciones química Reacciones de oxidación-reducción Una sustancia que oxida a otra se conoce como agente oxid a n t e , m i e n tr a s q u e u n a denomina agente reductor . q u e r ed u c e a otr a se En t o d a r e a cc i ó n de o x i d ac i ó n - r ed u c c i ó n h a y u n a s u s t a n c i a q u e s e o x i d a y otra que se reduce: nunca se tiene un proceso sin el otro. OXIDACIÓN REDUCCIÓN Ganancia de oxígeno Pérdida de oxígeno Pérdida de hidrógeno Pérdida de hidrógeno Pérdida de electrones (aumento del número de oxidación) Ganancia de electrones (disminución del número de reducción)
Reacciones de oxidación-reducción H OH Metanol A D H H O A D H H O H Metanal OH Ácido metanóico ADH: Alcohol Deshidrogenasa La oxidación del metanol produce formaldehído y ácido fórmico, los cuales son más tóxicos que el metanol. Una ingesta inapropiada de metanol puede originar ceguera y hasta la muerte. TIPOS DE REACCIONES QUIMICAS
Reacciones exotérmicas y endotérmicas Son reacciones exotérmicas aquellas que liberan energía , mientras absorben de n o m i n a n a q u e ll a s q u e energía se como end o t é r m i c a s . D e b e ha c e r s e n o t a r s i n e mb a r g o , q u e todas las reacciones q u í m i cas r e q u i e r e n u n a fuente inicial de energía que se d e n o m i n a e n e r g ía de activación . En las bolsas de frío instantáneo se mezclan agua y nitrato de amonio, proceso éste que es endotérmico lo que conlleva a una rápida disminución de la temperatura. TIPOS DE REACCIONES QUIMICAS
Reacciones reversibles e irreversibles En una reacción reversible se alcanza un equilibrio dinámico mientras entre que los reactantes de otra parte, y los productos, en una reacción irreversible las sustancias de partida se transforman en los productos no pudiendo de nuevo obtener las sustancias iniciales. TIPOS DE REACCIONES QUIMICAS
F u n c i o n e s Químicas Se llama f u nció n q u í m i ca al conjunto de propiedades comunes q u e c a r a c t e r i z a n a un de sustancias que c o n j un t o perm i ten caracterizarlas y diferenciarlas. Este tipo de sustancias tienen un comportamiento propio y específico e n l o s p r o ce s o s sustancias que pertenecen q u í m i c o s . L as a una f unció n q u í m i ca d ete rminada poseen en sus moléculas un átomo o grupo de átomos de constitución análoga que las caracterizan, que se denomina/n grupo funcional . El vinagre consiste en una mezcla de ácido acético – un ácido orgánico- y agua. Se emplea comúnmente como aderezo o como preservante de alimentos.
F u n c i o n e s Químicas Funciones químicas inorgánicas
F u n c i o n e s Químicas Funciones químicas orgánicas
F u n c i o n e s Químicas Funciones químicas orgánicas
Enlace Q u í m i c o L a f u e r za q u e átomos unidos m a n t i e n e l o s en un compuesto se denomina enlace químico y es producto del solapamiento de orbitales atómicos . Existen tres tipos generales de enlace: covalente, iónico y metálico. Los enlaces pueden ser sencillos o múltiples (dobles y triples). Un enlace sencillo consta de un enlace tipo (sigma); un enlace doble de un y uno (pi), y un enlace triple de un y dos . Representación de la estructura atómica indicando las partículas elementales que la constituyen.
Enlace Q u í m i c o Enlace Covalente Una de las formas en las que los átomos puedan formar enlaces es compartiendo electrones. Estos enlaces son llamados enlaces covalentes y ala colección de átomos resultantes se denomina molécula. Si los átomos que comparten pares de electrones tienen un valor igual o cercano de sus electronegatividades, el enlace covalente formado se denomina apolar . Por el contrario, si los átomos poseen valores diferentes en sus electronegatividades la compartición de electrones será desigual y el enlace covalente resultante se denomina polar
Enlace Q u í m i c o Un segundo tipo de enlace químico resulta de la atracción entre iones. Un ion es un átomo o grupo de átomos que tiene una carga neta positiva (cationes) o negativa (aniones). Dado que los aniones y los cationes tienen cargas opuestas, estos se atraen mutuamente. Esta fuerza de atracción electrostática es llamada enlace iónico . Valga señalar que en el enlace iónico no se presenta compartición de electrones, dada la elevada diferencia de electronegatividad entre los átomos que participan en el enlace Representación estructural de la sal cloruro de litio, un ejemplo de un compuesto iónico. Nótese la organizada red cristalina que se forma. En l a c e I ó ni c o
F ó r m u l a s Químicas La fórmula química indica el tipo de elementos que forman una sustancia y la proporción en que se encuentran. Además puede brindar información acerca de cómo se unen los átomos en una molécula y su distribución espacial. Fórmula condensada: indica el tipo de átomos presentes en un compuesto y el número de átomos de cada clase. Fórmula semidesarrollada: indica los enlaces entre los diferentes grupos de átomos para resaltar, sobre todo, los grupos funcionales que aparecen en la molécula. Fórmula desarrollada: indica todos los enlaces de una sustancia representados sobre en el plano. Fórmula estructural: señala la geometría espacial de la molécula mediante la indicación de distancias y ángulos de enlace. H 2 O 2 OH - OH
F ó r m u l a s Químicas Composición: número de cada átomo presente en una sustancia (Ej. En el agua hay dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno). Constitución: señala la secuencia y características de los enlaces (Ej. En el agua hay dos enlaces covalentes O-H, de carácter polar, con ángulos de enlace de 104,5° y 0,96 A de longitud ). Configuración : alude a la relación geométrica (distribución y organización) de un grupo dado de átomos en una molécula. La interconversión de alternativas configuracionales requiere la ruptura y reorganización de enlaces. Conformación : disposición espacial relativa de los átomos en una molécula. Los confórmeros están en equilibrio y la interconversión ocurre sin rotura de enlaces.
E c u a c i ó n Química Las transformaciones que suceden en una reacción química, pueden ser representadas simbólicamente a través de una ecuación química . Una ecuación química debe satisfacer algunas condiciones entre las que se encuentran: estar balanceadas, mostrar los reactantes y productos por medio de fórmulas químicas, indicar las fases de agregación de cada sustancia reaccionante y señalar las condiciones de reacción.
Modelos M o l e c u l a r e s Modelo de esqueleto Modelo de esferas y bastones Modelo de bastones Modelo espacial sólido
So n fuerzas de naturalez a eléctrica responsables de la atracción- repulsión de moléculas o átomos constituyentes de un sistema. Se conocen como fuerzas pueden entenderse d e Va n de r Wa a ls y en de funció n d e l a l e y Coulomb. Variación de la Fuerza Coulombica en función de la distancia. FUERZAS DE INTERACCION INTERMOLECULAR
Fuerzas dipolo-dipolo Las fuerzas dipolo- dipolo (fuerzas de Keeson) resultan de la atracción-repulsión de mo l écula s q u e p o s een momentos dipolares. FUERZAS DE INTERACCION INTERMOLECULAR
P u e n t e d e H id r ó g e no E s u n t i p o espe c ial de f u e r za d i p o l o - d i p o l o en e l q u e i n t e r act ú a un áto m o h i d r ó g e n o de de un enlace polar y un átomo electronegativo de otra molécula. FUERZAS DE INTERACCION INTERMOLECULAR
Fuerzas ión-dipolo Resultan de la interacción entre un ión (catión o anión) con una molécula polar. FUERZAS DE INTERACCION INTERMOLECULAR
Fuerzas dipolo inducido- dipolo Son conocidas como fuerzas de Debye son fuerzas de atracción que se generan por dipolos temporales inducidos por iones o moléculas polares próximas. FUERZAS DE INTERACCION INTERMOLECULAR
Fuerzas de dispersión Conocidas también como fuerzas de London, s on fuerzas de atracción que se presentan en moléculas no polares , generadas por distribuciones probabilísticas momentáneas de la densidad electrónica. FUERZAS DE INTERACCION INTERMOLECULAR
Fases de A g r e g a c i ó n Las f u n c ió n s u st a n c i a s en de las condiciones de presión y temperatura se agregan en tres tipos de fases: sólida, líquida y gaseosa . Las fuerzas d e i n t e r a c c i ón intermolecular son mayores en la fase sólida que en la líquida, y a su vez en ésta son mayores que en la fase gaseosa. Cambios de fase de las sustancias.
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