INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA

La Química es la ciencia que estudia la materia y sus transformaciones. Tiene que ver con varios campos como son los de la Química Orgánica, inorgánica, fisicoquímica, química Analítica, bioquímica, la medicina, la biología y muchas otras disciplinas que tienen como centro de estudio los seres vivos. La bioquímica es la ciencia que estudia la química de la vida. Ciencia que estudia los procesos químicos en los seres vivos, o más específicamente de los procesos químicos celulares. Tiene una extensa base de la química y la biología. Tiene una parte orgánica en su mayoría y una parte inorgánica. La bioquímica tuvo sus comienzos hace aproximadamente 100 años, cuando algunos científicos se dieron cuenta que los procesos de la vida incluían fenómenos que podían ser explicados en términos de las ciencias exactas como la química y la física. En un principio fueron descubrimientos generales, como el descubrimiento o separación de sustancias orgánicas de los seres vivos, como la urea, la hemoglobina, la clorofila, etc. Luego se desarrollo procesos en los cuales se explicaban sus funciones, hasta que en los últimos 50 años creció hasta ser reconocida por químicos y biólogos. Actualmente se ayuda de muchas otras ciencias como la química orgánica, la cual analiza y separa los compuestos del carbono, que es la base de los seres vivos; la química analítica, que nos dice qué clase de compuestos contiene un organismo y las proporciones. La biología que estudia los seres vivos integralmente, en sus sistemas orgánicos y sus relaciones entre ellos. La física, la cual nos proporciona los instrumentos necesarios para realizar el estudio ( microscopio electrónico, centrífuga, etc). La química analítica cualitativa y cuantitativa que nos dicen qué compuestos y en qué proporción están en los seres vivos. Hay una gran parte de la bioquímica que es estática, es decir estructural, que nos habla del tipo de compuesto que tiene un organismo. Se apoya en la q. Analítica cualitativa, la física, la biología, la química orgánica y otras. La bioquímica dinámica, que estudia las transformaciones de estos compuestos al interior de los organismos vivos. O sea, aquellas reacciones químicas que se realizan al interior de la célula, es decir se trata de la bioquímica metabólica. Se apoya en áreas como la bioenergética, la física, la q. General, la biología y la medicina. Además de las dos anteriores, existe la química de los procesos y las sustancias que almacenan y transmiten la información biológica. Este tercer campo es también área de la genética molecular, que pretende conocer la herencia y la expresión de la información genética en términos moleculares. El avance de la bioquímica ha sido tan amplio y expansivo que en la actualidad ya se aceptan varias áreas de especialización: Bioenergética, biología molecular, bioquímica de las membranas, bioquímica de las proteínas, bioquímica de las plantas, neurobioquímica, bioquímica analítica y otras más, así como subespecialidades de cada campo. Existen decenas de miles de publicaciones de artículos, en distintas revistas cada año, de revisiones anuales y de monografías especializadas es el reflejo del crecimiento y del alcance de la bioquímica moderna. LA LOGICA MOLECULAR DE LA VIDA. La mayor parte de los componentes químicos de los organismos son compuestos orgánicos de carbono en los que el elemento se halla relativamente reducido o hidrogenado. Muchas biomoléculas orgánicas contienen también nitrógeno. Los compuestos orgánicos presentes en la materia viva muestran enorme variedad, y aún la mayor parte de ellos son extraordinariamente complejos. Las bacterias, que son células muy sencillas, contienen gran número de distintas moléculas orgánicas. Por ejemplo la Escherichia coli contiene alrededor de 5000 compuestos orgánicos diferentes y 3000 clases diferentes de proteínas. La Célula humana posee 100000 clases de proteínas. Se ha calculado que en la naturaleza existen 1010 – 1012 tipos diferentes de moléculas proteicas en los seres vivos.

Las biomoléculas sencillas - Proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, carbohidratos- son idénticas en todas las especies conocidas. Por ello se llega a la conclusión que todos los seres vivos proceden de un antepasado común. Esta identidad está preservada en un conjunto distintivo de ácidos nucleicos y proteínas. Las células vivas contienen las moléculas más sencillas posibles en el mínimo número de tipos diferentes, que les sean indispensables para la vida. Esto es lo que se conoce como el Principio de economía molecular: La segunda Ley de la termodinámica establece que toda actividad física o química tiende a aumentar el desorden del universo, es decir la entropía (∆S). Además la energía disponible por los seres vivos no es creada sino simplemente transformada (Primera ley de la termodinámica, La conservación de la energía y la materia). Los organismos vivos no constituyen excepciones de las leyes de la termodinámica. Su extremado orden molecular no puede surgir espontáneamente del desorden. Las células de su entorno absorben una forma de energía (Energía Libre: energía capaz de realizar trabajo a Tº y P. Constantes) que les es útil, a temperatura y presión en que viven y devuelven otra energía que les es menos útil (calor), los que aumenta la entropía o desorden del entorno. Según los anteriores argumentos, se pueden establecer algunos Principios de las células vivas como los siguientes:

- En la organización molecular de la vida existe una simplicidad fundamental. - La identidad de cada una de las especies vivas, está preservada gracias a la presencia de un conjunto de

ácidos nucleicos y proteínas. - Los organismos vivos crean y mantienen su ordenación esencial a expensas de su entorno, al que

transforman haciéndolo cada vez más desordenado y caótico.

- Las células vivas son un sistema abierto porque intercambian materia y energía con el entorno. Al hacerlo lo transforman. Las células son un sistema abierto en estado estacionario, el cual se caracteriza en que la velocidad de transferencia de materia y energía desde el entorno al sistema, se halla compensada por esa misma velocidad desde el interior al exterior del sistema.

- La célula es un sistema abierto que no está en equilibrio. Es una máquina de extraer energía libre del

medio y que contribuye al desorden del medio o aumento de la entropía. Las células vivas son muy eficaces en la manipulación de la energía y de la materia. Esta forma de manipulación de la materia y la energía es muy superior a cualquier máquina inventada por el hombre.

- Las células están construidas con moléculas relativamente frágiles e inestables, incapaces de resistir

cambios bruscos de temperatura, presión, corriente eléctrica, etc. Tienen tremenda eficacia, todas sus actividades las realizan a concentraciones bajas de ácidos y de álcalis, a Tº y P. del medio (bajas) con presiones iguales en todas sus partes. Las células es una máquina química isotérmica.

- La Energía Libre que absorben se recupera en forma de energía química por medio de la biosíntesis, en

trabajo osmótico (e. Mecánica), locomoción y siempre a temperatura constante.

- Las células pueden actuar como máquinas químicas porque poseen enzimas, que son proteínas que catalizan reacciones químicas específicas y con un rendimiento de 100%, donde no hay subproductos. Actualmente se conocen unas 2000 enzimas.

El grado de especificificidad de las enzimas es consecuencia de que existe complementariedad estructural de las células interactivas. Estas reacciones pueden ir en secuencias de 2 hasta de 20 etapas, formando secuencias biológicas importantes. Estas reacciones se hacen posible la transferencia de energía química. Son posibles porque hay un intermediario común entre las reacciones. A B B C

Donde B es el intermediario. Las células heterotróficas utilizan moléculas orgánicas para absorber energía de ellas, lo mismo que las fotosintéticas la extraen de la energía de la luz solar. Las dos la recuperan en forma de ATP, que es el transportador de energía más importante de las células. El ATP transfiere su energía a otras moléculas, perdiendo su grupo fosfato terminal y se transforma en ADP. Este a su vez puede aceptar energía y recuperar su grupo PO4= para transformarse en ATP.

- Las células tienen la capacidad de realizar muchísimas reacciones químicas catalizadas por enzimas, a una gran velocidad y simultáneamente y también tienen la capacidad de regularlas. La acumulación de un producto final del metabolismo, tal como un aminoácido, puede inhibir la etapa determinante de la velocidad en la secuencia de reacciones, mediante las cuales se formó. Esto es conocido como inhibición de retroalimentación o “feet-back”. Regulan además la síntesis de sus catalizadores. Otra forma es por pre-alimentación, es decir que un producto intermedio anterior puede regular una etapa posterior de la cadena metabólica. Conclusión: las células son capaces de regular sus reacciones metabólicas y las biosíntesis de sus enzimas para obtener el máximo de eficiencia y economía.

- La auto-réplica es una propiedad de las células vivas de reproducirse con fidelidad casi perfecta, muchas

veces. Toda la información se halla presente en los cromosomas, codificada en forma de secuencia específica de lo nucleótidos constituyentes de una pequeña cantidad de ADN. Los símbolos en los que se halla codificada la información genética en el ADN, son de dimensiones submoleculares. Esta información es muy estable en el ADN. Se ha conservado por millones de años en algunas bacterias.

- La capacidad de las células de preservar su información genética es resultado de la Complementariedad

Estructural. El ADN es un patrón para la réplica enzimática de otra hebra de ADN. Este patrón unidimensional, sirve para producir moléculas o macromoléculas tridimensionales como las proteínas y otras. Las proteínas no son estables en forma unidimensional, sino que se enrosca y se pliega en una estructura tridimensional para estabilizar así su estructura y de esa forma realizar su actividad biológica.

Conclusión: La célula es un sistema isotérmico abierto de moléculas orgánicas que se ensambla, ajusta y perpetúa por sí mismo y opera según el principio de máxima economía de partes y procesos; promueve muchas reacciones orgánicas ligadas consecutivamente, destinadas a la transferencia de energía y a la síntesis de sus propios componentes por medio de catalizadores orgánicos que ella misma produce. La estructura de la célula Las dimensiones celulares En el caso de organismos procariotes (bacterias y arqueobacterias), el tamaño celular oscila entre 0.1 y 10 µm; por su parte, los organismos eucariotes (protistas, hongos, plantas y animales) pueden tener tamaños que van desde 5 hasta 100 µm. Diversidad celular. Correlación estructura-función Tanto las células procariotes como eucariotes se encuentran delimitadas por una bicapa lipídica denominada membrana plasmática que mantiene aislado el contenido de la célula del medio ambiente externo. A diferencia de los organismos eucariotes, los procariotes carecen de organelos subcelulares, pero poseen invaginaciones de la membrana plasmática llamadas mesosomas, donde se llevan a cabo diversas funciones celulares como la duplicación del DNA o la fotosíntesis (en el caso de bacterias fotosintéticas). Además de la membrana plasmática, muchas bacterias poseen una pared celular rígida que las protege de daño mecánico y de la presión osmótica. La pared celular está compuesta principalmente por peptidoglicanos (polímeros formados por oligosacáridos y proteínas). Las bacterias Gram-positivas tienen una pared celular gruesa (25 nm), mientras que

las Gram-negativas tienen una pared interna delgada (3 nm) y una segunda bicapa lipídica externa; el espacio periplásmico separa a la pared de la membrana externa. Por su parte los organismos eucariotes poseen una serie de cuerpos subcelulares delimitados por membranas lipídicas; estos organelos poseen funciones altamente específicas, por lo que cada uno cuenta con proteínas específicas relacionadas con su función particular en el metabolismo celular. Cabe mencionar que algunos eucariotes poseen estructuras particulares de las cuáles otros carecen; por ejemplo, además de los organelos característicos de las células animales, las células vegetales presentan cloroplastos y vacuolas, mientras que existen algunos protistas que no tienen mitocondrias. A continuación se detallan las funciones de las estructuras y organelos celulares. La membrana celular Como ya se mencionó, la membrana celular rodea a la célula y aísla el contenido citoplasmático del exterior, contribuyendo así a la regulación de la composición iónica y presión osmótica del citosol. La membrana es de naturaleza semipermeable, es decir, únicamente permite el paso de ciertas moléculas a través de la acción de proteínas transportadoras o canales. Entre las funciones de la membrana celular se cuentan la comunicación intercelular -a través de la unión de mensajeros químicos a proteínas receptoras localizadas en la cara externa membranal-, la exocitosis (secreción) y la endocitosis (internalización) de macromoléculas. El citoesqueleto El citosol (definido como la fracción citoplasmática no incluida dentro de ningún organelo) no es una solución homogénea; distribuido a todo lo largo del citosol se encuentra en citoesqueleto, formado por una red de fibras que se entrecruzan. Las funciones de esta estructura son mantener y modificar la estructura celular (dependiendo de las necesidades celulares de movimiento y desplazamiento) y guiar el transporte de vesículas intracelulares. Las tres principales fibras que componen al citoesqueleto son los microtúbulos (diámetro de 25 nm), los filamentos intermedios (diámetro de 10 nm) y los microfilamentos (diámetro de 8 nm). Los microfilamentos están formados por actina y su papel es proporcionar soporte mecánico; la asociación de la actina con miosina da pie a la formación de microfilamentos contráctiles que participan en el movimiento celular (como la formación de invaginaciones). Los filamentos intermedios parecen estar involucrados en la resistencia mecánica de la célula. Por último, la polimerización de unidades de tubulina da lugar a los microtúbulos que a su vez forman una red que guía el desplazamiento de los organelos y macromoléculas dentro de la célula (la segregación de los cromosomas condensados durante la mitosis es consecuencia de la acción del huso mitótico, formado por microtúbulos). El retículo endoplásmatico El retículo endoplásmatico (RE) esta formado por un conjunto de vesículas conectadas entre sí; la membrana del RE es en realidad una prolongación de la membrana nuclear. A nivel microscópico se distinguen dos tipos: el RE rugoso, en cuya cara citosólica se distribuyen los ribosomas (estructuras encargadas de la síntesis de proteínas a partir de RNAm) y el RE liso, que carece de ribosomas. En el lumen (parte interna) del RE rugoso se lleva a cabo la modificación post-traduccional (glicosilación, ubiquitinación, proteólisis, etc.) de las proteínas sintetizadas por los ribosomas; estas proteínas son en su gran mayoría de membrana y secreción. Por su parte, el RE liso es donde se realiza la biosíntesis de fosfolípidos y varias reacciones de destoxificación. El aparato de Golgi Este organelo esta formado por una serie de vesículas planas, y se encarga de la distribución de macromoléculas dentro de la célula. Las vesículas provenientes del RE rugoso que contienen proteínas de membrana y secreción se funden con el aparato de Golgi, dentro del cuál se realizan sucesivas reacciones de modificación post-traduccional antes de almacenar dichas proteínas en nuevas vesículas y finalmente distribuirlas a la membrana plasmática o a otros organelos (e.g. lisosomas y peroxisomas). Los lisosomas Estos organelos sólo se encuentran en células animales y su función es degradar macromoléculas tanto de origen interno como de naturaleza extracelular. Con este fin, los lisosomas cuentan con una batería de proteasas, lipasas, fosfatasas y nucleasas. Cabe mencionar que el pH de los lisosomas es ácido (pH 4-5) y que las hidrolasas

exhiben su mayor actividad a estos valores de pH, pero se inactivan en regiones de pH neutro como el citosol y el medio extracelular. Las vacuolas Las vacuolas son vesículas de gran tamaño características de las células vegetales. Su función es almacenar nutrientes, agua, iones y productos de desecho del metabolismo. Al igual que los lisosomas, su pH interno es ácido y contienen enzimas con actividades hidrolíticas. Los peroxisomas y los glioxisomas La función de los peroxisomas es degradar ácidos grasos y aminoácidos. Uno de los productos secundarios de estos procesos es el peróxido de oxígeno, un compuesto tóxico para la célula. Por este motivo los peroxisomas están equipados con la enzima catalasa, que cataliza la descomposición del peróxido en agua y oxígeno molecular. Los glioxisomas son un tipo de peroxisomas especializados; además de las reacciones típicas de los peroxisomas, en los glioxisomas se llevan a cabo las reacciones metabólicas que componen el ciclo del glioxilato. Las mitocondrias La relación estructura-función es particularmente importante en el caso de las mitocondrias y los cloroplastos. Las mitocondrias tienen una membrana externa permeable y una membrana interna semipermeable con un gran número de invaginaciones llamadas crestas. Rodeada por esta membrana interna se encuentra la matriz mitocondrial. Entre el espacio intermembranal y la matriz se establece un gradiente de H+ que resulta fundamental para la síntesis de ATP. La membrana interna es el sitio donde se lleva a cabo la fosforilación oxidativa y el transporte de electrones, necesarios ambos también para la síntesis de ATP. En la matriz mitocondrial se efectúan el ciclo del ácido cítrico (o ciclo de Krebs) y el catabolismo de los ácidos grasos. Las mitocondrias poseen su propio genoma, que codifica varias proteínas mitocondriales. Tanto las células animales como vegetales poseen mitocondrias. Los cloroplastos Los cloroplastos también tienen una membrana interna y una externa, pero a diferencia de las mitocondrias en su matriz cuentan con un sistema interconectado de vesículas planas con forma de disco llamadas tilacoides. Las vesículas tilacoidales se agrupan una sobre otra para formar las estructuras denominadas grana. Dentro de los tilacoides se encuentra la clorofila y demás enzimas que participan en la fotosíntesis (proceso que implica la conversión de energía luminosa en energía química en forma de ATP). El estroma (el espacio citosólico que rodea a los tilacoides) es dónde se lleva a cabo la fijación del carbono (en forma de CO2) en compuestos orgánicos. Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos poseen su propio DNA. El núcleo El núcleo es el organelo que contiene el DNA organizado en cromosomas. Dentro del núcleo se llevan a cabo los procesos de duplicación del DNA, la transcripción y el procesamiento de los genes en RNAm. La envoltura nuclear esta formada por un sistema de dos membranas (interna y externa) a lo largo de la cuál se encuentran dispersos los poros nucleares a través de los cuáles diversas macromoléculas (RNAm, proteínas, ribosomas) son capaces de desplazarse entre el citosol y el núcleo. El nucléolo es una región dentro del núcleo donde se lleva a cabo la síntesis del RNA ribosomal. PREGUNTAS PARA EL ESTUDIO DE LA CELULA 1. Qué factores hicieron posible el surgimiento de la vida en la tierra? 2. Cuáles son los elementos químicos fundamentales de la vida? 3. Que es la síntesis prebiótica? 4. Que organismos se consideran como el ancestro común de los organismos vivos? 5. Hace cuanto tiempo pudieron haber surgido dichos organismos? 6. Por qué a los virus no se los considera células? 7. Con quién inició y cuáles son los principios de la teoría celular. 8. Entre qué tamaños se encuentran las células?

9. Cuáles son las tres partes en que se divide una célula eucariótica. 10. Que diferencia hay entre citoplasma y hialoplasma (citosol)? 11. Qué diferencias hay entre células procarióticas y eucarióticas 12. Cómo habrían surgido las células eucarióticas? 13. Una bacteria típica de qué partes está constituida? 14. Qué son bacterias Gram-positivas y Gram-negativas? 15. De qué están constituidas las membranas celulares. 16. Qué función tiene la membrana plasmática? 17. Qué diferencias básicas existen entre una célula vegetal y una animal? 18. Qué tipo de proteínas contiene la membrana plasmática. 19. Qué función cumple el colesterol en las membranas celulares animales? 20. De qué forma se unen las células del mismo tipo en un organismo pluricelular? 21. ¿Qué función cumplen las CAMs en la unión entre células? 22. ¿Qué mecanismos emplean las membranas para el transporte de sustancias? 23. Diga brevemente que función tiene cada tipo. 24. De qué está formado el núcleo celular? 25. Diga las funciones generales que cumple el núcleo. 26. Qué es la cromatina, heterocromatina y eucromatina? 27. Que son las histonas? 28. Qué son los cromosomas? De qué están constituidos? 29. Qué es el ciclo celular y de qué periodos consta? 30. Que ocurre en cada periodo? 31. Que diferencias y semejanzas hay entre la mitosis y meyosis? 32. Qué organelos son comunes a la mayoría de las células eucarióticas. 33. Cómo habrían surgido algunos organelos citoplasmáticos. 34. Diga las funciones que cumplen: Las mitocondrias, ribosomas, lisosomas, corpúsculo de golgi, retículo

endoplasmático, peroxisomas, glioxisomas, cloroplastos, leucoplastos, cromoplastos, vacuolas, nucleolo. 35. De qué está formado el citoesqueleto? 36. qué funciones cumple? 37. Qué depósitos citoplasmáticos pueden existir en una célula? 38. Qué células presentan pared celular; 39. De qué está constituida. 40. Cuál es la diferencia de la pared celular animal con la bacteriana? 41. En qué parte del cloroplasto se lleva a cabo la fotosíntesis? 42. Qué organelos contienen ADN 43. En qué organelos se efectúan reacciones que producen energía? 44. Suponga que un científico asegura haber descubierto mitocondrias en bacterias. Es probable que tal

afirmación sea cierta? 45. La bioquímica es distinta de la química orgánica? Explique su respuesta. 46. Por qué fue importante el desarrollo de la catálisis para el desarrollo de la vida? 47. Qué son los virus 48. De qué partes están constituidos los virus. 49. Que son los virus bacteriófagos 50. Que son los retrovirus. BIBLIOGRAFÍA: ALBERTS, B. Molecular Biology of de Cell. Fourth Edition. http://www.geocities.com/zrnet76/. 2002 LEHNINGER, A. L. Bioquímica, 4da Edición. Ed. Omega. Barcelona. 2005. MATHEWS, C. Y VAN HOLDE, K. Bioquímica. Segunda Edición. Ed. McGraw- Hill Interamericana. Madrid. 2000. STRYER, L. Bioquímica. Vol I y II. Ed. New York: Worth Publishers, 2001. VOET. D. Fundamentos de bioquímica. 2ª edición. Ed. Panamericana. Buenos Aires. 2008