Introducción a la bioquímica

INTRODUCCIÓN A LA
BIOQUÍMICA
SALUD, ENFERMEDAD Y TERAPÉUTICA

Lic. Roy W. Morales Pérez
rwmorales@fucsalud.edu.co

BIOQUÍMICA

Ver video en YouTube:
http://www.youtube.com/watch?v=itWLaLat8LU
Introducción a la bioquímica: salud, enfermedad y terapéutica.

BIOQUÍMICA
El término
bioquímica fue acuñado
por el fisiólogo y químico
alemán Felix von Hoppe-
Seyler (1825- 1895),
quien en 1866 orientó
en la Universidad de
Tübingen la primera
cátedra de fisiología
química organizada en la
comunidad científica.


El objeto de estudio
de la 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.


de la Bioquímica

Durante el trabajo de laboratorio en bioquímica, se hace
necesario poner adecuadamente en practica las normas
de seguridad.


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.


Bioquímica: un
lenguaje común
Disciplinas científicas
relacionadas con la bioquímica:
• Genética
• Fisiología
• Inmunología
• Farmacología y Farmacia
• Toxicología
• Patología
• Microbiología
• Medicina
• Enfermería
• Nutrición
• Ciencias de la salud


Procesos bioquímicos
alterados y enfermedad

La organización
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
enfermedad puede 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.

Bioelementos
Los bioelementos o
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)


Bioelementos
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: mantienen
y regulan fenómenos osmóticos y
potencial electroquímico (Na, K, Cl)


Biomoléculas
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
(hemoglobina), ácidos 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)
• Unidades estructurales:
monosacáridos, ácidos grasos,
aminoácidos, nucleótidos (M= 100- 300
Da)
• Macromoléculas: polisacáridos,
grasas, proteínas y ácidos nucleicos. Los cromosomas son estructuras
discretas, independientes y
• Supramacromoléculas: p.ej., organizadas de ADN, visibles durante
cromatina (ADN y proteína) o el proceso de división celular.
membranas (lípidos y proteínas)


Homeostasis

Walter Bradford
Cannon un fisiólogo
estadounidense, en 1932
definió el concepto de
homeostasis como la
tendencia general de
todo organismo a
restablecer su equilibrio
interno cada vez que éste
Walter Bradford Cannon (1871- 1945) expandió
es perturbado. el concepto de homeóstasis formulado
inicialmente por el fisiólogo francés Claude
Bernard (1913- 1878)


Homeostasis
Tal definición se ha ampliado, y
hoy se puede entender la homeostasis
como el conjunto de mecanismos
reguladores que permiten que el
ambiente interno de un sistema se
mantenga constante y estable.
En el organismo humano son
importantes los siguientes sistemas de
regulación:

 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.


Homeostasis

La homeostasis de un
organismo involucra una
compleja dinámica entre
factores internos, p.ej., el
metabolismo y factores
externos, p.ej., condiciones
de temperatura y
disponibilidad de gases.


REVISIÓN DE ALGUNOS
CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Estructura
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.
En función del número de
células que los constituyen, los
organismos vivos pueden clasificarse
en unicelulares si están constituidos
por una única célula, o
pluricelulares si los conforman más
de una célula. Las células suelen
poseer un tamaño que oscila Modelo de célula eucariota .
alrededor de los 10 µm y poseen una
masa promedio de 1 ng.

Estructura
Celular
Los postulados de la teoría
celular afirman que:
• La célula es la unidad
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
necesaria para el control de su
propio ciclo, así como para la Ver video en YouTube:
transmisión de esa información a http://www.youtube.com/watch?v=hBTImxRZrDM
la siguiente generación celular.


Tabla
Periódica
La tabla periódica
organiza los elementos
químicos de acuerdo al valor
de su número atómico, y
permite agruparlos en
función de propiedades
químicas y físicas
semejantes.
Es una herramienta que
relaciona las propiedades
de los elementos en forma
sistemática y ayuda a hacer
predicciones con respecto al
comportamiento químico.


Enlace
Químico
La fuerza que mantiene los
átomos unidos 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 Representación de la estructura
atómica indicando las partículas
doble de un  y uno  (pi), y un elementales que la constituyen.
enlace triple de un  y dos .

Estructuras de
Lewis
El modelo de enlace químico de G.N.
Lewis, se fundamenta en dos
presupuestos básicos. El primero
que se conoce como regla del
octeto, señala que los átomos se
enlazan entre sí buscando alcanzar
una configuración electrónica
estable con ocho electrones en la
capa de valencia. El segundo supone
que en la formación de un enlace
químico se implican pares de Se muestran las estructuras de puntos
electrones , sean estos donados por de Lewis y de líneas de Kekulé. Se
evidencia el cumplimiento de la regla
ambos átomos enlazantes o del octeto y de compartición de pares de
solamente por uno de ellos. electrones propuestas en el modelo de
enlace de G.N. Lewis.


Enlace
Químico
Enlace Covalente
Una de las formas en las que los
átomos pueden formar enlaces es
compartiendo electrones. Esos enlaces
son llamados enlaces covalente y la
colección de átomos resultante de
denomina molécula. Si los átomos que
comparten pares de electrones tienen
un valor igual o cercano en 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
Químico
Enlace Iónico
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
Representación estructural de la sal
de electronegatividad entre los átomos cloruro de litio, un ejemplo de un
que participan en el enlace. compuesto iónico. Nótese la organizada
red cristalina que se forma.


Fórmulas
Químicas
La fórmula química indica el tipo de elementos que
forman una sustancia y la proporción en que se
encuentran. Además puede brindar información H2 O2
acerca de cómo se unen los átomos en una molécula
y su distribución espacial.

Fórmula condensada: indica el tipo de átomos
OH - OH
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.


Fórmulas
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.


Modelos
Moleculares

Modelo de esqueleto

Modelo de bastones

Modelo espacial sólido
Modelo de esferas y bastones


Reacción
Química
Los cambios químicos,
a diferencia de los cambios
físicos implican 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 En el interior del organismo ocurren gran cantidad
cambia/n para formar una de reacciones químicas. Cuando nos alimentamos,
el cuerpo metaboliza los nutrientes y obtiene la
o más sustancias nuevas. energía necesaria para realizar todos los procesos
vitales.


Ecuación
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.


Tipos de reacciones
química
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
química
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
química
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
química
Reacciones de intercambio
Este tipo de
reacciones ocurre
cuando dos
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
estados de oxidación
de las 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
OXIDACIÓN REDUCCIÓN
Ganancia de oxígeno Pérdida de oxígeno
Pérdida de hidrógeno Ganancia de hidrógeno
Pérdida de electrones Ganancia de electrones
(aumento del número de (disminución del número de
oxidación) reducción)

Una sustancia que oxida a otra se conoce como agente
oxidante, mientras que una que reduce a otra se
denomina agente reductor. En toda reacción de
oxidación-reducción hay una sustancia que se oxida y
otra que se reduce: nunca se tiene un proceso sin el otro.


Tipos de reacciones
química
O O
H ADH H ADH H
OH H OH
Metanol Metanal 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
química
Reacciones exotérmicas y endotérmicas
Son reacciones exotérmicas
aquellas que liberan energía,
mientras aquellas que
absorben energía se
denominan como
endotérmicas. Debe hacerse
notar sin embargo, que
todas las reacciones
químicas requieren una
fuente inicial de energía que En las bolsas de frío instantáneo se
mezclan agua y nitrato de amonio,
se denomina energía de proceso éste que es endotérmico lo que
conlleva a una rápida disminución de la
activación. temperatura.


Tipos de reacciones
química
Reacciones reversibles e irreversibles
En una reacción reversible se alcanza un equilibrio
dinámico entre los reactantes y los productos,
mientras que de otra parte, en una reacción
irreversible las sustancias de partida se transforman
en los productos no pudiendo de nuevo obtener las
sustancias iniciales.


Funciones
Químicas
Se llama función química al
conjunto de propiedades comunes
que caracterizan a un conjunto
de sustancias que permiten
caracterizarlas y diferenciarlas. Este
tipo de sustancias tienen un
comportamiento propio y específico
en los procesos químicos. Las
sustancias que pertenecen a una
función química determinada
El vinagre consiste en una mezcla de
poseen en sus moléculas un átomo o ácido acético –un ácido orgánico- y
grupo de átomos de constitución agua. Se emplea comúnmente como
análoga que las caracterizan, que se aderezo o como preservante de
alimentos.
denomina/n grupo funcional.


Funciones
Químicas
Funciones químicas inorgánicas


Funciones
Químicas
Funciones químicas orgánicas


Funciones
Químicas
Reactividad de biomoléculas
Centros nucleofílicos: son grupos
con alta densidad electrónica
neutros o con carga neta
negativa, producto de su
polaridad o por tener pares de
electrones no compartidos.
Centros electrofílicos: son grupos
con una baja densidad
electrónica que tienen afinidad
por los nucleófilos debido a su
carencia de electrones en la
capa de valencia.

Fuerzas de Interacción
Intermolecular

Son fuerzas de
naturaleza eléctrica
responsables de la
atracción- repulsión de
moléculas o átomos
constituyentes de un
sistema.
Se conocen como fuerzas
de Van der Waals y
pueden entenderse en
función de la ley de
Coulomb. Variación de la Fuerza Coulombica
en función de la distancia.


Intermolecular

Fuerzas dipolo-dipolo
Las fuerzas dipolo- dipolo
(fuerzas de Keeson) resultan de
la atracción-repulsión de
moléculas que poseen
momentos dipolares.


Intermolecular

Puente de Hidrógeno
Es un tipo especial de
fuerza dipolo- dipolo
en el que interactúa
un átomo de
hidrógeno de un
enlace polar y un
átomo electronegativo
de otra molécula.


Intermolecular

Fuerzas ión-dipolo
Resultan de la interacción entre
un ión (catión o anión) con una
molécula polar.


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.


Intermolecular

Fuerzas de dispersión
Conocidas también como
fuerzas de London, son fuerzas
de atracción que se presentan
en moléculas no polares,
generadas por distribuciones
probabilísticas momentáneas
de la densidad electrónica.


Intermolecular


Fases de
Agregación
Las sustancias en
función de las
condiciones de presión
y temperatura se
agregan en tres tipos de
fases: sólida, líquida y
gaseosa. Las fuerzas
de interacción
intermolecular son
mayores en la fase
sólida que en la líquida,
y a su vez en ésta son
mayores que en la fase
Cambios de fase de las sustancias.
gaseosa.


Isomería
Se denominan isómeros a los compuestos que tienen la misma
fórmula molecular, pero que difieren en su fórmula estructural.

Isomería
Estructural
Cadena Posición
H3C CH3 CH3
H3C CH3
CH3
H3C CH3
CH3
butane CH3
2-methylpropane CH3
2-methylpentane 3-methylpentane

Función
O
H2C
H3C
OH
H
acetaldehyde ethenol

Isomería
Estereoisomería Conformacional
Cadena abierta

H
CH3 H CH3CH3
H
H
H H Cadena cerrada
H H H
H
H H H
H CH3 HH
H
H HH
Butano

Isomería
Estereoisomería Configuracional

Geométrica
Cl H Cl Cl Óptica

H Cl H H

Trans 1,2-dicloroeteno Cis 1,2-dicloroeteno

Reactividad y función de
las moléculas biológicas

 La presencia de grupos
funcionales en las
biomoléculas, proporciona
sitios reactivos en los que
éstas se van a unir con
otros moléculas o a
reaccionar y
transformarse.
 Estos grupos también
permiten interacciones
entre porciones de la
molécula, y entre ésta y
otras moléculas.


Reactividad y función de
las moléculas biológicas

 Las reacciones de condensación son las responsables de generar
macromoléculas (p.ej., proteínas) y complejos macromoleculares (p.ej.,
ribosomas).
 El poder energético de las sustancias orgánicas será mayor cuanto
más reducida esté la sustancia, por lo que durante el proceso de
oxidación se transferirá gran cantidad de energía. El metabolismo
celular se encargará de transformar y almacenar ésta energía para
realizar trabajo celular.

Bibliografía
Feduchi, E. et al. (2011). Bioquímica.Conceptos Básicos. Madrid: Editorial Médica
Panamericana.

Holum, J. (2000). Fundamentos de Química General, Orgánica y Bioquímica para Ciencias de
la Salud. México D.F.: Limusa Wiley.

Raymond, C. (2002). Química. 7ª edición. México D.F.: Mc Graw Hill.

Sadava, D. (2009). Vida: la ciencia de la biología. Buenos Aires: Editorial Médica
Panamericana.

Zumdhal, S. (2005). Chemical principles. 5th edition. Boston: Houghton Mifflin Company.

Lectura Complementaria
Municio, A.M. (2004). Perspectiva histórica de la bioquímica. Arbor. 179 (706), pp. 341- 364.
Disponible en: http://arbor.revistas.csic.es/index.php/arbor/article/view/522/522

Willett, W., Stampfer, M. (2003). Nueva pirámide de la alimentación. Investigación y ciencia.
318, pp. 54- 61.


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