PRINCIPIOS DE NEUROCIENCIA

UNIDAD 2.2.

FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA

Conceptos esenciales

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Contenido de la Unidad

  • Texto explicativo

  • Imágenes

  • Videos explicativos

  • Actividades de aprendizaje

LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE​

  • Identificar los átomos que forman parte de la materia biológica y sus características;

  • Reconocer las características que determinan el orden de los elementos químicos en la tabla periódica; 

  • Saber establecer los enlaces entre átomos que forman moléculas.

  • Diferenciar las moléculas polares y apolares así como su capacidad de inyteraccionar en un medio acuoso; 

  • Identificar los grupos funcionales que portan las moléculas biológicas y su reactividad.

  • Conocer el papel del pH en la reactividad de los grupos ácido y base; 

  • Nombrar los tipos de enlaces de condensación que se establecen entre las biomoléculas y sus niveles de oxidación-reducción.

INTRODUCCIÓN.

Esta unidad reúne aquellas nociones básicas necesarias para entender una materia como la bioquímica. Posiblemente usted haya estudiado con anterioridad estos conceptos, sin embargo para una disciplina como las neurociencias es de suma importancia tenerlos muy presentes para una correcta interpretación sistémica y en consecuencia su aplicación en el estudio del sistema nervioso.

En esta unidad se tratarán en mayor profundidad con los puntos citados en los objetivos de aprendizaje a modo que, usted pueda volver a los mismo para su consulta o repaso.

El objetivo de la bioquímica es explicar en términos químicos las estructuras y las funciones de los seres vivos. Comprender la química de las biomoléculas es un paso previo para saber qué estructura tienen, cómo interaccionan, y por lo tanto, cual es su función biológica.

esta unidad se limita a describir los conceptos fundamentales de la química orgánica para poder comprender las características de los compuestos bioquímicos y su reactividad. Habitualmente se considera la química orgánica como la química del carbono y de sus compuestos, aunque también se tratan algunos compuestos inorgánicos sencillos como los óxidos, los carburos y los carbonatos.

Es importante tener en cuenta que la química del carbono constituye la base de la química de los seres vivos. Hay que conocer bien los elementos químicos que componen los seres vivos, comprender todos los parámetros necesarios para que se desarrollen la vida, la necesidad de la presencia del agua y del oxígeno, y las características termodinámicas que definen un sistema biológico.

FUNDAMENTOS QUÍMICOS

La materia está constituida por átomos

La unidad fundamental de la materia cómo se analizó en la unidad que antecede es el átomo, una partícula de tamaño muy reducido, a su vez constituida por subpartículas: protón neutrón y electrón, cuyos valores de carga y masa se muestran en la siguiente tabla.

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En condiciones normales, los átomos no presentan carga neta: su número de protones y electrones es el mismo, sin embargo, existen átomos cargados, denominados iones con una diferencia de carga. Si pierden electrones, los átomos presentarán mayor número de protones que de electrones y su carga será positiva y formarán cationes, y, si los ganan, tendrán mayor número de cargas negativas y constituirán aniones.

Los protones y neutrones se localizan en el núcleo del átomo, en el que se concentra casi toda la masa. Los electrones se encuentran alrededor de este en los orbitales atómicos que se describen más adelante.

Cada elemento químico está formado por un tipo de átomo qué se diferencia en el número de protones presentes en el núcleo; este número atómico (Z) define a cada elemento (Figura 1), sin embargo, un mismo elemento puede variar en su número de neutrones, lo que determina la existencia de los isótopos, que son distintas formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su masa.

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Figura 1. Ejemplo de representación de dos elementos químicos de la tabla periódica.

Los orbitales atómicos quedan definidos por los números cuánticos

Los electrones se localizan en orbitales atómicos, qué son las zonas que rodean al núcleo donde existe la máxima probabilidad de encontrar estos electrones. para cada átomo concreto existe un número definido de orbitales que se caracterizan por poseer una determinada energía potencial. Sin profundizar en los cálculos matemáticos que los determinan, podemos afirmar que cada orbital queda definido por un conjunto de tres números, denominados números cuánticos:

1.- el primero, conocido como número cuántico principal (representado por la letra n) describe el tamaño y la energía del orbital. A Medida que aumenta su tamaño, lo hace su energía y su distancia al núcleo. Así, existen orbitales 1, 2, 3…

2.- el segundo (representado con la letra l) se conoce como número cuántico azimutal. Representa un subnivel de energía y definen la forma geométrica del orbital (esférico, lobulado, etc) Se representan con las letras s, p, d y f.

3.- Un tercer número, denominado número cuántico magnético (m1), define la orientación en el espacio si se fijan unos ejes de referencia arbitrarios (x, y, z). Por ejemplo, el orbital tipo p, puede ser px, py y pz.

Por tanto, estos tres números definen perfectamente los orbitales atómicos respecto a su energía, tamaño, forma y orientación espacial.

Los electrones se distribuyen en esos orbitales siguiendo varios principios.

En primer lugar, los electrones ocupan inicialmente los niveles de energía más bajos. Además hay que tener en cuenta que cada orbital alberga un máximo de dos electrones. Por último, cuando existen varias posibilidades de localización en sus niveles de la misma energía, los electrones ocupan subniveles separados, según el principio de máxima multiplicidad, Por ejemplo, en el caso de los orbitales p, si hubiera tres electrones se dispondría uno en cada subnivel: p1x, p1Y, p1z.

Teniendo en cuenta esta distribución, es necesario un cuarto número que permite identificar los dos electrones de un mismo orbital: el número de spín, que refleja el movimiento de los electrones respecto a un eje imaginario en un campo magnético.

Debido a la dificultad de dibujar los orbitales atómicos, se utiliza una aproximación simplificada de representar la configuración electrónica a modo de cajas que se irían rellenando de menor a mayor nivel energético según el número de electrones que tenga el elemento (figura 2).

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Figura 2. Configuración electrónica de los átomos de nitrógeno y oxígeno. Se muestra la forma de los orbitales y la representación a modo de cajas, así como los niveles que ocupan los electrones.

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Figura 4.  Características que determinan el orden de los elementos de un periodo y de un grupo dentro de la tabla periódica. A lo largo del periodo, de izquierda a derecha, aumenta el número de electrones en la última capa hasta completar un nivel de energía. Al descender en un grupo, se aumenta un nivel de energía, pero todos los elementos que pertenecen a un grupo tienen el mismo número de electrones en la última capa.

Aun los organismos más simples contienen gran número de moléculas distintas, sin embargo, representa sólo una porción infinitesimal de todas las moléculas químicamente posibles. Por otro lado, sólo un pequeño subgrupo de los elementos conocidos se encuentra en los sistemas vivos.

En la siguiente figura (figura 3) se muestra una tabla periódica en la que se señalan solamente los elementos químicos presentes en los seres vivos. La posición de cada elemento en la tabla periódica en la tabla revela sus características.

Cada celda de la tabla periódica contiene un elemento identificado con un símbolo, el número másico y el número atómico. El orden de los elementos de la tabla viene determinado por dos ejes: uno. horizontal (periodos); y otro, vertical (grupos) (figura 4). Los elementos se ordenan en un periodo, de izquierda a derecha, según aumenta su número de protones y por lo tanto, de electrones si el átomo es neutro. Al terminar el periodo, se habrá completado la última capa o nivel de nergía de ese periodo, y se comienza a colocar en el siguiente. El último elemento de cada periodo tiene completo su último nivel de energía y se denomina gas noble.

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Los más abundantes de éstos son C, N, O e H, seguidos por Ca, P, K, S, Cl Na y Mg. Ciertos oligoelementos (elementos traza) también están presentes en muy pequeñas cantidades.
 
Todas las moléculas de un organismo contienen carbono, por lo cual la bioquímica puede considerarse una rama de la química orgánica. Además, las moléculas biológicas se forman a partir de H, N, O, P y S. La mayoría de estas moléculas pertenece a alguna de las clases estructurales, que se describen a continuación. De modo similar, la reactividad química de las biomoléculas es limitada respecto a la reactividad de todos los compuestos químicos. Algunos de los grupos funcionales y enlaces intramoleculares que son comunes en la bioquímica se numeran en la siguiente tabla: (será de utilidad repasarlos, porque se hará referencia a ellos en múltiples ocasiones)