Todos los organismos están formados por los mismos tipos de sustancias, más o menos en idénticas proporciones, que realizan los mismos tipos de funciones generales




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UNIDAD 1. CAMPO DE ESTUDIO DE LA BIOQUÍMICA. LA BIOQUÍMICA SE ENCARGA DEL ESTUDIO DE LA VIDA A NIVEL MOLECULAR.

Propósito: Conocer el campo de estudio de la bioquímica.
Bohinski, Robert C. Bioquímica

(Versión en español de Ramón Elizondo Mata, UNAM)

Addison-Wesley Iberoamericana, 1991,739 pp.
CAMPO DE ESTUDIO DE LA BIOQUÍMICA
La química- es decir, la ciencia que estudia las propiedades de la materia y los cambios que ésta sufre- se divide en varias áreas o campos que se traslapan unos con otros: química orgánica, química inorgánica, fisicoquímica, química analítica y otras. Como su nombre implica, la bioquímica estudia la química de la vida en todas sus manifestaciones- animales, plantas, bacterias, etc.- e incluso los virus que infectan a los seres vivos. La razón por la que se hizo hincapié en las divisiones clásicas de la química es resaltar la extensa base de la bioquímica, que es parte orgánica (en su mayoría), en parte inorgánica, en parte física y en parte analítica.

Hoy en día, la bioquímica se reconoce como una de las principales áreas de la química y es a la biología lo que las matemáticas a la física.

El avance de la bioquímica ha sido tan amplio y expansivo que en la actualidad ya se aceptan diversas áreas de especialización: bioenergética, biología molecular, bioquímica de las membranas, bioquímica de las proteínas, bioquímica de las plantas, neurobioquímica, química analítica y otras más, así como subespecialidades de cada campo.

Repaso de la teoría molecular

Todos los organismos vivientes están formados por sustancias químicas de dos tipos: inorgánicas y orgánicas. Así, el primer enunciado de la unidad bioquímica en el cual se hará hincapié es:

Todos los organismos están formados por los mismos tipos de sustancias, más o menos en idénticas proporciones, que realizan los mismos tipos de funciones generales.

De hecho, en todos los organismos hay un compuesto inorgánico específico que constituye la sustancia más importante para la vida: el agua.

Las principales clases de sustancias orgánicas_ proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos y lípidos_ se conocen en general como biomoléculas.

Casi todas las moléculas están formadas por sólo seis elementos, todos de naturaleza no metálica: oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre.

El estudio de estas biomoléculas orgánicas esenciales es el meollo de la bioquímica.

¿Cómo se sintetizan en la célula viva?

¿Cómo las degrada la célula?

¿De qué manera se relaciona su degradación con la producción de energía química útil dentro de la célula?

¿Cómo se produce esta energía?

¿Cuáles son los mecanismos de interconversión de estas sustancias?

¿En que forma entran y salen de la célula?

¿Cómo se aíslan en el laboratorio?

¿De qué modo se sintetizan en el laboratorio?

¿Cuál es su estructura molecular?

¿Qué funciones específicas realizan?

¿Cuál es la explicación de su funcionamiento en términos de su estructura molecular?

¿De que manera se controlan los genes cromosómicos para que regulen la individualidad bioquímica de un organismo?

¿Cómo es posible modificar la información genética de un organismo a través de manipulaciones en el laboratorio?

¿En que forma se comunican químicamente las células entre sí?

¿Cuáles son las explicaciones del estado anormal, es decir, de las condiciones patológicas, incluso de las enfermedades mentales?

¿Cómo funcionan los antibióticos, los agentes antivirales, las sustancias psicotrópicas, los agentes inmunosupresores y otros medicamentos?

¿Qué diferencias bioquímicas existen entre las células normales y las cancerosas?

¿Qué procesos bioquímicos permiten explicar la transformación de una célula normal en una cancerosa?

¿De que manera puede mejorar el diagnóstico médico con el uso de criterios bioquímicos precisos?

¿En que forma regulan las hormonas las actividades de un organismo y de que otros mecanismos disponen las células para autorregularse?
Regresando a la composición química de las células vivas, conviene consultar ahora la tabla 1.1 aunque los datos corresponden a la composición estimada de la bacteria unicelular Escherichia coli, los valores no difieren mucho de los otros organismos, incluso del ser humano. Sin embargo, en el nivel celular la composición de una célula de E.coli es muy diferente a la de un hepatocito, la cual es distinta a su vez de la de un adipocito, y así sucesivamente.

Con base en los datos de la tabla 1.1 se pueden establecer otras generalizaciones interesantes.

Las células contiene una mayor variedad de proteínas que de cualquier otra sustancia.

Alrededor del 50 % de la materia sólida de una célula está formada por proteínas (15 % del peso húmedo)

Las células contienen mucho más moléculas de proteínas que de DNA.

La mayor biomolécula de la célula es el DNA.

E.coli y otras bacterias similares sólo poseen un cromosoma, es decir, una sola molécula de DNA. (La relación 1:1 entre los cromosomas y las moléculas de DNA significa que cada célula diploide del ser humano contiene en su núcleo 46 moléculas diferentes de DNA.)

Alrededor del 99 % de las moléculas de la célula son de H2O.

Según el punto seis de la lista, cabe decir que la ciencia de la bioquímica sólo se relaciona con el 1 % de las moléculas específicas que conforman ese 1 % y la totalidad de los fenómenos químicos en los cuales intervienen son particulares en cada célula.


tabla 1.1 Composición Química aproximada de una célula de E.coli en división rápida




Porcentaje en peso húmedo totala

Peso molecular promedio

(g/mol)

Número aproximado de moléculas por célulab

Tipos de moléculas por célulab

Agua

70

18

4X1010

1

Proteínas

15

10 000-100 000

2-3 X106

2000-3000

RNA total 7 % y DNA*

1

2.5 X 109c

2 ó 4

1

RNAd

6










RNA 5S ribosomal




40 000c

30 000

1

RNA 16 S ribosomal




500 000c

30 000

1

RNA 23 S ribosomal




1X106c

30 000

1

RNA de transferencia




25 000

400 000

40

RNA mensajero




105-106

100 000

1000

Carbohidratos y metabolitos

3

150(excluyendo polímeros)

2X108

200

Lípidos y metabolitos

2

750

2.5X107

50

Iones inorgánicos

(minerales)

1

40

2.5X108

20

Aminoácidos y metabolitos

0.8

120

3X107

100

Nucleótidos y metabolitos

0.8

300

1.2X107

200

Otros

0.4

150

1.5X107

200


Los valores aproximados son aplicables a la mayor parte de los organismos vivos que existen en un estado normal.

Los números de algunos materiales varían en forma considerable de las células bacterianas a las células de los organismos superiores.

Las sustancias correspondientes tienen mayores dimensiones en las células de los organismos superiores.

En las células de las plantas y los animales existen otras clases de RNA.
Aunque en el estudio de la bioquímica se hace hincapié en las sustancias orgánicas, también son importantes los elementos y compuestos inorgánicos (los llamados minerales). De hecho, algunos de esos minerales son nutrientes esenciales para todos los organismos y deben estar presentes en los alimentos o en el medio circundante. Los elementos inorgánicos se encuentran en sus formas iónicas (Tabla I.2), de modo que existen como iones libres o están unidos a una sustancia orgánica, pero por ahora no se enumerarán los muchos y variados procesos en los cuales intervienen: simplemente se hará un enunciado cuya explicación vendrá más adelante.

Las funciones vitales de ciertos iones inorgánicos están relacionadas con su efecto sobre la actividad de las proteínas.

Todos los minerales que se presentan en la tabla I.2 son nutrientes esenciales para los seres humanos y, con excepción del yodo, también para los demás seres vivos. En diversos organismos se han detectado cantidades diminutas de casi una docena de otros elementos. No obstante, la importancia de varios de ellos aún no queda clara, de modo que la investigación en el campo de la nutrición es muy intensa. Por ejemplo, hace poco los científicos descubrieron que el níquel (Ni), el silicio (Si) y el selenio (Se) son elementos esenciales, aunque en cantidades diminutas, para varios organismos entre los que está el ser humano.
TABLA I.2 Lista parcial de las sustancias inorgánicas con importancia biológica


ELEMENTO (FORMA IÓNICA)

ELEMENTO (FORMA IÓNICA)

Calcio (Ca+2)

Fósforo (H2PO4-1, HPO4-2)

Cloro (Cl-1)

Potasio (K+1)

Cobalto (Co+2)

Sodio (Na+1)

Cobre (Cu+1, Cu+2)

Azufre (SO4-2, S-2)

Yodo (I-1) sólo en vertebrados

Zinc (Zn+2)

Hierro (Fe+2, Fe+3)




Magnesio (Mg+2)




Manganeso (Mn+2)




Molibdeno (Mo+6)





La bioquímica es un campo muy extenso. De hecho, resulta apabullante hasta para quienes ostentan el título de bioquímicos profesionales.

La historia moderna de la humanidad está repleta de hechos notables y admirables (y algunos no tan admirables) en las áreas de la ciencia, la ingeniería, la medicina, la agricultura, las comunicaciones, la exploración espacial, el avance social, la economía y las artes, y en el futuro se acumularán muchos más. Sin embargo, de todo el progreso previsible, el mayor impacto puede provenir del anhelo de aprender cómo funcionan los organismos vivos en términos de las moléculas que los integran, de la ulterior manipulación de esas moléculas y, por consiguiente, de la manipulación de esas moléculas y, por consiguiente, de la manipulación del organismo en sí. Quizá esta aseveración suene exagerada, pero este tipo de logros ya es una posibilidad real en el futuro. La médula de esa búsqueda es el conocimiento bioquímico.

En este curso nos centraremos en los siguientes puntos que estudia la bioquímica:

Las moléculas formadoras de las estructuras de las células.

La manera en que los seres vivos obtienen sus nutrientes y los transforman en moléculas capaces de formar parte de sus propias estructuras.

Los mecanismos a través de los cuales los seres visos obtienen energía para realizar sus procesos vitales.

Los procesos a través de los cuales se comunican las células.

Los mecanismos involucrados en el almacenamiento y la transmisión de la información genética en los seres vivos.

UNIDAD 2. LOS AMINOÁCIDOS

Propósito: Conocer que las proteínas están formadas por unidades que son los aminoácidos.
2.1) Los aminoácidos están constituidos por un grupo amino, un grupo carboxilo, un grupo R variable y un átomo de H.

Figura 2.1 Estructura química de los aminoácidos esenciales
En las proteínas se encuentran habitualmente 20 tipos de cadenas laterales que varían en tamaño, forma carga, capacidad de formar puentes de hidrógeno, carácter hidrofóbico y reactividad química. De hecho, todas las proteínas de todas las especies –bacterias, árqueas y eucariotas- se construyen con los mismos 20 aminoácidos con unas pocas excepciones. Este alfabeto fundamental de las proteínas tiene varios miles de millones de años de antigüedad. La extraordinaria variedad de funciones realizadas por las proteínas es el resultado de la diversidad y versatilidad de estos veinte sillares de construcción. Conocer como es utiliza este alfabeto para crear las intricadas estructuras tridimensionales que permiten a las proteínas llevar a cabo tantos procesos biológicos.

La molécula de un aminoácido contiene un grupo carboxilo (-COOH) y un grupo amino (NH2-) libres. Pueden expresarse en general por NH2-CHR-COOH, siendo R un radical característico para cada ácido (Figura 2.2).




Q
Figura 2.2) Estructura general de un aminoácido
uímicamente son muy variados. Los hay que forman proteínas (proteicos), mientras otros nunca se encuentran en ellas. Todos los aminoácidos que componen proteínas presentan un carbono asimétrico denominado alfa. Como existen cuatro grupos diferentes conectados al átomo de carbono α, los α-aminoácidos son quirales; las dos formas especulares se llaman isómero L e isómero D.

S
Figura 2.3) Estructura general de un aminoácido
olamente los L-aminoácidos constituyen las proteínas. Para casi todos los aminoácidos, el isómero L (Figura 2.3) tiene configuración absoluta S (y no R). aunque se ha empleado un enorme esfuerzo para entender por qué los aminoácidos en las proteínas tienen esta configuración absoluta, todavía no se ha llegado a una explicación satisfactoria. Parece probable que la selección L sobre d fuese arbitraria, pero una vez realizada, se fijó temprano en la historia evolutiva.
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