PRINCIPIOS DE NEUROCIENCIA
UNIDAD 2.2.
FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA
Conceptos esenciales
Contenido de la Unidad
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Texto explicativo
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Imágenes
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Videos explicativos
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Actividades de aprendizaje
LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA
OBJETIVOS DE APRENDIZAJE
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Identificar los átomos que forman parte de la materia biológica y sus características;
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Reconocer las características que determinan el orden de los elementos químicos en la tabla periódica;
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Saber establecer los enlaces entre átomos que forman moléculas.
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Diferenciar las moléculas polares y apolares así como su capacidad de inyteraccionar en un medio acuoso;
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Identificar los grupos funcionales que portan las moléculas biológicas y su reactividad.
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Conocer el papel del pH en la reactividad de los grupos ácido y base;
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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.
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.
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).
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.
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.
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)
Las células contienen cuatro tipos principales de biomoléculas
La mayoría de las moléculas pequeñas de las células pueden clasificarse en cuatro grupos. Aunque cada grupo tiene muchos miembros, éstos se definen bajo una misma estructural o función. Identificar el grupo al que pertenece una molécula específica puede ayudar a predecir sus propiedades químicas y posiblemente su función en la célula.
1. Aminoácidos
Los compuestos más simples son los aminoácidos, se nombran así porque contienen un grupo amino (-NH2) y un grupo ácido carboxílico (-COOH). En condiciones fisiológicas, estos grupos en realidad están ionizados como -NH3+y -COO-. El aminoácido común alanina -como otras moléculas pequeñas- puede representarse de diferentes maneras, por ejemplo, con una fórmula estructural, un modelo de barras y esferas o un modelo de espacio lleno (figura 5).
Figura 5. La fórmula estructural (a) indica todos los átomos así como los enlaces principales. Algunos enlaces, como C-O y N-H, están implícitos. Dado que el átomo de carbono central tiene geometría tetraédrica, sus cuatro enlaces no yacen planos en la superficie: los enlaces horizontales se extienden un poco arriba del mismo plano, y los enlaces verticales se extienden un poco atrás de él. Esta disposición tetraédrica se representa de manera más precisa con un modelo de barras y esferas (b).
Aquí, los átomos se muestran en sus colores convencionales: C es gris, N es azul, O es rojo y H es blanco. Esta representación de barras y esferas revela las identidades de los átomos y sus posiciones en el espacio pero no indica su tamaño relativo o carga eléctrica. En un modelo de espacio lleno (c), cada átomo se presenta como una esfera cuyo radio corresponde a la distancia de mayor aproximación a otro átomo. Este modelo representa de la manera más precisa el tamaño real de la molécula, pero oculta algunos de sus átomos y enlaces.
Otros aminoácidos se parecen a la alanina en su estructura básica, pero en lugar de un grupo metilo (-CH3) tienen otro grupo -llamado cadena lateral o grupo R- que también puede contener N, O o S; por ejemplo,
2. Carbohidratos
Los carbohidratos (también llamados monosacáridos o simplemente azúcares) tienen la fórmula (CH2O)n, donde n ≥ 3. La glucosa, un monosacárido con seis átomos de carbono, tiene la fórmula C6H12O6. A veces es conveniente representarla como una cadena en forma de escalera (izquierda); sin embargo, la glucosa adquiere una estructura cíclica en solución (derecha):
En la representación de la estructura cíclica, los enlaces de trazo más grueso se proyectan hacia el frente y los de trazo más delgado se proyectan hacia atrás. En muchos polisacáridos, uno o más grupos hidroxilo son sustituidos por otros grupos, pero la estructura anular y los múltiples grupos -OH de estas moléculas permiten reconocerlas con facilidad como carbohidratos.
3. Nucleótidos
Un azúcar de cinco carbonos, un anillo nitrogenado y uno o más grupos fosfato son los componentes de los nucleótidos. Por ejemplo, el trifosfato de adenosina (ATP) contiene el grupo nitrogenado adenina unido al monosacárido ribosa, que a su vez está unido a un grupo trifosfato:
Los nucleótidos más comunes son monofosfatos, difosfatos y trifosfatos que contienen los anillos nitrogenados (“bases”) adenina, citosina, guanina, timina o uracilo (que se abrevian A, C, G, T y U, en ese orden).
4. Lípidos
El cuarto grupo principal de biomoléculas consiste en los lípidos. Estos compuestos no pueden representarse con una sola fórmula estructural, dado que constituyen un conjunto diverso de moléculas. Sin embargo, todas tienen en común que son poco solubles en agua debido a que la mayor parte de su estructura es del tipo de los hidrocarburos. Por ejemplo, el ácido palmítico consta de una cadena altamente insoluble de 15 carbonos unidos a un grupo ácido carboxílico, que en condiciones fisiológicas se encuentra ionizado. Así, el lípido aniónico se llama palmitato.
Aunque difiere mucho en estructura del palmitato, el colesterol también es poco soluble en agua debido a su composición parecida a la de los carbohidratos.
Las células contienen además otras cuantas moléculas pequeñas que no son fáciles de clasificar en los grupos anteriores o que se forman a partir de moléculas que pertenecen a más de un grupo.
Existen tres tipos principales de polímeros biológicos
Además de moléculas pequeñas que constan relativamente de pocos átomos, los organismos contienen macromoléculas que pueden consistir en miles de átomos. Estas moléculas gigantes no se sintetizan en una pieza, sino que se construyen a partir de unidades más pequeñas.
BIOQUÍMICA CUANTITATIVA
La elección que el bioquímico hace de términos para cuantificar objetos a escala molecular se basa en convenios internacionales. Por ejemplo, la masa de una molécula puede expresarse en unidades de masa atómica; sin embargo, las masas de moléculas biológicas -en especial las muy grandes- suelen darse sin unidades. En este caso se sobreentiende que la masa se expresa en doceavos de la masa del isótopo de carbono común 12C (12.011 unidades de masa atómica). En ocasiones se usan dáltons (D; 1 dalton = 1 unidad de masa atómica), a menudo con el prefijo kilo, k (kD). Esto es útil para macromoléculas como las proteínas, muchas de las cuales tienen masas en el intervalo de 20 000 (20 kD) a más de 1 000 000 (1 000 kD). Los prefijos métricos estándar también son necesarios para expresar las concentraciones diminutas de biomoléculas en las células vivas. Las concentraciones suelen darse en moles por litro (mol · L-1 o M), con el prefijo apropiado como m, μ o n:
mega (M) 10 6 nano (n) 10 -9
kilo (k) 10 3 pico (p) 10 -12
mili (m) 10 -3 femto (f) 10 -15
micro ( μ) 10 -6
Por ejemplo, la concentración de glucosa en la sangre humana es de alrededor de 5 mM (que se lee “milimolar”), pero muchas moléculas intracelulares se encuentran en concentraciones de μM o menos. Se acostumbra expresar las distancias en ángstroms, Å (1 Å = 10-10 m), o en nanómetros, nm (1 nm = 10-9 m). Por ejemplo, la distancia entre los centros de los átomos de carbono en un enlace C-C es de alrededor de 1.5 Å, y el diámetro de una molécula de DNA es de unos 20 Å.
Ésta es una característica universal de la naturaleza: Pocas clases de bloques de construcción pueden combinarse de diferentes maneras para producir una amplia variedad de estructuras mayores. Esto es ventajoso para la célula, que puede funcionar con un conjunto limitado de materias primas. Además, el simple acto de enlazar químicamente unidades individuales (monómeros) en enlaces más grandes (polímeros) es una manera de codificar información (la secuencia de las unidades monomérica) en una forma estable. Los bioquímicos utilizan determinadas unidades de medición para describir tanto las moléculas grandes como las pequeñas (recuadro anterior).
Aminoácidos, monosacáridos y nucleótidos forman estructuras poliméricas con propiedades muy distintas entre sí. En la mayoría de los casos, los monómeros individuales se unen de manera covalente cabeza a cola:
El enlace entre monómeros es característico de cada tipo de polímero. Los monómeros se llaman residuos una vez que se han incorporado al polímero. En términos estrictos, los lípidos no forman polímeros, aunque suelen agregarse para formar estructuras más grandes.
1. Proteínas
Los polímeros de aminoácidos se llaman polipéptidos o proteínas. Veinte aminoácidos distintos sirven como bloques de construcción para las proteínas, que pueden contener cientos de residuos. Los aminoácidos que constituyen estos residuos están unidos entre sí por enlaces amida específicos llamados enlaces peptídicos. Un enlace peptídico (flecha) une los dos residuos en un dipéptido (las cadenas laterales de los aminoácidos se representan por R1 y R2).
Dado que las cadenas laterales de los 20 aminoácidos tienen diferentes tamaños, formas y propiedades químicas, la conformación (forma tridimensional) exacta de la cadena polipeptídica depende de su composición de aminoácidos. Por ejemplo, el pequeño polipéptido endotelina, con 21 residuos, asume una forma compacta en la cual el polímero se dobla y pliega para contener los grupos funcionales de sus aminoácidos:
Estructura de la endotelina humana. Los 21 residuos de este polipéptido, en tonos graduados de azul a rojo, forman una estructura compacta. En (a), cada residuo se representa con una esfera. El modelo de barras y esferas (b) muestra todos los átomos excepto los de hidrógeno. (Estructura [pdb 1EDN] determinada por de B.A. Wallace y R.W Jones.
Los 20 aminoácidos diferentes pueden combinarse casi en cualquier orden y proporción para producir multitud de polipéptidos, y tienen forma tridimensional única. Esta propiedad hace a las proteínas la clase de biopolímeros más variables en estructura y por tanto los más versátiles en sentido funcional. En consecuencia, las proteínas realizan una amplia variedad de tareas en la célula, como mediar reacciones químicas y dar soporte estructural.
2. Ácidos nucleicos
Los polímeros de nucleótidos se denominan polinucleótidos o ácidos nucleicos, mejor conocidos como DNA y RNA. A diferencia de los polipéptidos, con 20 diferentes aminoácidos disponibles para polimerización, cada ácido nucleico está formado por sólo cuatro nucleótidos distintos. Por ejemplo, los residuos en el RNA contienen las bases adenina, citosina, guanina y uracilo, mientras que en el DNA los residuos contienen adenina, citosina, guanina y timina. En la polimerización participan los grupos fosfato y azúcar de los nucleótidos, que se unen mediante enlaces fosfodiéster.
Debido en parte a que los nucleótidos son menos variables en estructura y comportamiento químico que los aminoácidos, los ácidos nucleicos tienden a presentar estructuras más regulares que las proteínas. Esto concuerda con su función principal de portadores de información genética, la cual está contenida en su secuencia de residuos nucleótidos más que en su forma tridimensional (figura 6). Con todo, algunos ácidos nucleicos se doblan y pliegan en formas globulares compactas, al igual que las proteínas.
Figura 6. Estructura de un ácido nucleico. (a) Secuencia de nucleótidos, usando abreviaturas de una letra. (b) Modelo de barras y esferas del polinucleótido, que muestra todos los átomos excepto los de hidrógeno (esta estructura es un segmento de RNA de seis residuos). (Estructura [pdb ARF0108] determinada por R. Biswas, S.N. Mitra y M. Sundaralingam.)
3. Polisacáridos
Los polisacáridos suelen tener sólo uno o unos pocos tipos distintos de monosacáridos; así, aunque una célula puede sintetizar docenas de tipos diferentes de monosacáridos, la mayoría de sus polisacáridos son polímeros homogéneos. Esto limita su potencial de contener información genética en la secuencia de sus residuos (como lo hacen los ácidos nucleicos) o de adoptar gran variedad de formas y funciones metabólicas (como lo hacen las proteínas). Por otra parte, los polisacáridos realizan funciones celulares esenciales al actuar como moléculas de almacenamiento de combustible y dar soporte estructural. Por ejemplo, las plantas unen el monosacárido glucosa, que es un combustible virtualmente para todas las células, en el polisacárido almidón para almacenamiento a largo plazo. Los residuos glucosa se unen entre sí mediante enlaces glucosídicos (el enlace se muestra en rojo en este disacárido):
Los monómeros de glucosa también son los bloques de construcción para la celulosa, el polímero extendido que ayuda a dar rigidez a las paredes celulares vegetales (figura 1-6). Los polímeros almidón y celulosa difieren en la disposición de los enlaces glucosídicos entre residuos glucosa.
Glucosa y sus polímeros. Tanto el almidón como la celulosa son polisacáridos que contienen residuos glucosa. Difieren en el tipo de enlace químico entre las unidades monosacárido. Las moléculas de almidón tienen conformación helicoidal laxa, mientras que las moléculas de celulosa son extendidas y relativamente rígidas.
Las descripciones mencionadas de los polímeros biológicos son generalizaciones, concebidas para permitir apreciar las posibles estructuras y funciones de estas macromoléculas. Abundan las excepciones a las generalizaciones; por ejemplo, algunos polisacáridos pequeños codifican información que permite a las células que portan esas moléculas en sus superficies reconocerse entre sí. De modo similar, algunos ácidos nucleicos tienen funciones estructurales, como servir de soporte para los ribosomas, los pequeños organelos en que se sintetizan las proteínas. En ciertas condiciones, se recurre a proteínas como moléculas de almacenamiento de energía. En el cuadro 1-2 se resumen las funciones principales y secundarias de proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos.
Repasemos que es la bioquímica
RESUMEN
EL CONTEXTO CELULAR
Los niveles de organización molecular de la célula permiten observar que en el primer nivel o nivel molecular, los componentes celulares son los monómeros o similares con los que se va a constituir la célula. Estos monómeros se asocian en polímeros mediante reacciones de condensación, para dar el segundo nivel o mivel macrocelular. La asociación entre diferentes macromoléculas formarán las estructuras o complejos supramoleculares del tercer nivel, sobre todo mediante interacciones débiles. Y el último nivel de la jerarquía será el nivel celular o los orgánulos celulares que delimitan los espacios donde van a tener lugar las diferentes reacciones.
La asociación entre diferentes macromoléculas formará las estructuras o complejos supramoleculares del tercer nivel, sobre todo mediante interacciones débiles. Y el último nivel de la jerarquía será el nivel celular o los orgánulos celulares que delimitan los espacios donde van a tener lugar las diferentes reacciones.
La célula será, por lo tanto, el continente. En una célula eucariota los compartimentos celulares están claramente diferenciados y sus funciones bien especializadas, por lo que no todas las reacciones químicas van a transcurrir en cualquier lugar de la célula. Esta especialización en órganulos se puede llevar a cabo de forma muy eficiente porque cada órganulo está delimitado por una membrana celular cuyas características químicas permiten una disposición en forma de bicapa lipídica, lo que separa dos medios hidrofílicos.
Un organismo multicelular necesita una observación a un nivel superior al celular, y este nivel proporciona una visión órganica sobre como transcurren las reacciones bioquímicas en el organismo completo. Aunque los procesos bioquímicos que tienen lugar en la célula son, en muchos casos, idénticos en células de diferentes especies, pues la especialización orgánica es un punto fundamental para comprender el funcionamiento metabólico del organismo. Por ejemplo, los procesos de síntesis de gran cantidad de esas biomoléculas. Aunque la especialización de los diferentes órganos trasciende el contenido de esta unidad, se remarcarán aquellos procesos metabólicos que se produzcan en un determinado lugar de la célula.
Niveles de organización celular. En este ejemplo el primer nivel está compuesto oor los monómeros (aminoácidos y nucleótidos), que mediante enlaces de condensación forman proteínas y ácidos nucleícos, que interaccionan para formar el ribosoma, tercer nivel de organización.
ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE:
PRIMER ACTIVIDAD:
REPASO DE CONCEPTOS.- Responda las siguientes preguntas en formato word, letra arial número 11 y envíe su trabajo mediante correo electrónico a más tardar el día 20 de abril.
1.- ¿Cuáles son los seis elementos más abundantes en las moléculas biológicas?
2.- Nombre los grupos funcionales y enlaces comunes que fueron ilustrados con anterioridad.
3.- Defina las estructurales o funciones de aminoácidos, monosacáridos, nucleótidos y lípidos.
4.- ¿Por qué es indispensable que las macromoléculas sean polímeros?
5.- ¿Cuál es la relación entre un monómero y un residuo?
6.- Indique las definiciones estructurales y las funciones principales de proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos.
7.- Como se identifica si una molécula es polar o apolar?
8.- Como se constituyen las macromoléculas biológicas?
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