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BBMBI/ FSM 1
CURSO 2015/16
GRADO DE ODONTOLOGIA
BIOQUIMICA Y BIOLOGIA MOLECULARAsignatura 3315
TEMA 1: Conceptos previos
Parte A: BIOQUÍMICA Y BIOLOGÍA MOLECULAR:
CONCEPTO, ORÍGENES & DESARROLLO
Parte B: BIOELEMENTOS & BIOMOLECULAS
Parte C: NOCIONES DE METABOLISMO & BIOENERGETICA
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Atendiendo al diccionario RAE, Bioquímica “Parte de la Química
que estudia la composición y las transformaciones químicas
de los seres vivos”.
Se puede dividir en 3 grandes apartados (ver programa):
a) -Bioquímica estructural;
b) -Bioquímica metabólica o metabolismo;
c) -Biología (o Genética) molecular.
La Bioquímica surgió a final del siglo XIX, derivada de la Química,
la Biología y la Medicina para estudiar a nivel molecular la
estructura y función de los componentes celulares. El término
como tal apareció en 1903-04 tras el uso de los términos de
Química Fisiológica o Química Biológica.
CONCEPTO
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En el siglo XIX aparece la Química de la vida. Se realizaron las primeras
síntesis de compuestos orgánicos sencillos, desarrollo de métodos de
extracción de fuentes naturales (plantas y animales) y la purificación de las
primeras proteínas.
En el primer tercio del siglo se perfeccionaron procedimientos de extracción y
purificación de biomoléculas, glúcidos, lípidos y proteínas y ácidos nucleicos.
Avanzó especialmente la enzimología.
Durante el segundo tercio del XX, se consiguió detallar las vías anabólicas y
catabólicas (metabolismo) se caracterizó un gran número de enzimas.
La Biología Molecular surgió a partir del uso de la difracción del rayos X para
dilucidar la estructura de la doble hélice de DNA (1953). Se dilucidó la transmisión
de la información genética, así como los mecanismos de almacenamiento y
transmisión de la misma.
Desde los años 90 entró en la secuenciación masiva de los genomas de
organismos, desde bacterias hasta el hombre (genómica). La ingeniería genética
ha permitido la creación de OMG y transgénicos para su aplicación en la
investigación, agroalimentación y medicina.
En siglo XXI, la bioinformática (big-data) ha permitido el desarrollo de la
proteómica y metabolómica (-ómicas) es decir todas las proteínas y
metabolitos de las diferentes células, tejidos y especies en diferentes situaciones.
HISTORIA DE LA BBM A GRANDES LINEAS
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LA CRONOLOGÍA DE LA BIOQUÍMICA Y BIOLOGÍA MOLECULAR
en 5 bloques.
1. LOS ORÍGENES
1770-74. Priestley descubre el oxígeno y demuestra que los animales lo toman y las plantas lo liberan.
1889. Ramón y Cajal demuestra que la neurona es la unidad básica del sistema nervioso.
1897. Bertrand idea el término “coenzima” y descubre las enzimas (fermentos) lacasa y tirosinasa, las
primeras enzimas que fueron implicadas en vías biosintéticas .
Ramón y Cajal
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2. PRIMER TERCIO DEL SIGLO XX: EL DESARROLLO
1903. Neuberg crea la 1ª Cátedra de Bioquímica en
Holanda.
1911. Funk aísla cristales de vitamina B1 y acuña el
término de “vitamina”.
Morgan estudia las mutaciones, los rasgos ligados al
sexo y la función de los cromosomas en la mosca.
Rous es el primero en establecer una relación entre
virus y cáncer.
…….
1939-41. Lipmann postula el papel central del ATP
como moneda energética.
Rous
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3. LA MADUREZ. Los métodos y el preludio de la Biol. Mol.
1943-47. Avery, MacLeod y McCarty muestran que el DNA causa transformaciones
patogénicas en cepas bacterianas normales.
1950. Pauling y Corey proponen la estructura de la hélice para las -queratinas y
descubren la base molecular de la anemia falciforme.
1951. Franklin y Wilkins dan los primeros datos precisos sobre la estructura del DNA
de los que se aprovecharon Watson y Crick
Avery
Pauling
Rosalind Franklin
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4. NACIMIENTO Y DESARROLLO DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
1953. Watson y Crick postulan el modelo de la doble hélice
de DNA.
1980. Berg es galardonado también con el Nobel por sus
estudios de DNA recombinante.
Gallo demuestra la relación entre determinados virus y
algunos tipos de cáncer humanos.
Gordon, Ruddle y otros obtienen los primeros ratones
transgénicos.
Gilbert y Sanger reciben el Premio Nobel por sus
métodos de secuenciación del DNA.
1985. Brown y Goldstein reciben el Premio Nobel de
Medicina y Fisiología por sus descubrimientos sobre la
regulación del metabolismo del colesterol.
Watson
Crick
Fred Sanger
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5. LA ERA GENÓMICA y NUESTROS DÍAS
1990. Venter desarrolla una estrategia para localizar las EST (“etiquetaje” de
secuencias expresadas). Se inicia el Proyecto Genoma Humano (PGH).
1993. Mullis recibe el Premio Nobel de Química por el desarrollo de la PCR.
1996. Nace Dolly, la primera oveja clónica obtenida de núcleos de células adultas.
2000. Se completa la secuencia del genoma de Drosophila melanogaster.
Se presenta un primer borrador de la secuencia completa del genoma
humano.
2010. Venter construye la primera célula enteramente con material genético
sintético.
2013. Progresan los datos sobre las mutaciones más frecuentes en cada tipo de
cáncer. Las células madre son cada vez mas manejables y disponibles. El
abordaje molecular y celular de la medicina está cada vez más próximo.
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Parte B: BIOELEMENTOS y BIOMOLECULAS
En los seres vivos existen unos 20 elementos esenciales para la vida. A estos se les
denomina bioelementos. Tres grandes grupos, los 2 primeros absolutamente
esenciales.
1. Bioelementos primarios: H, O, C, N. Los más abundantes. 95-99 % del
total. Curiosamente ninguno de ellos, excepto el O, se encuentra entre los 8 más
abundantes en la corteza terrestre (O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, 98%).
2. Bioelementos secundarios: Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe. Constituyen casi
el 1-5 % restante.
3. Oligoelementos o bioelementos traza: Mn, I, Cu, Co, Cr, Zn, F, Mo y Se.
Aparecen sólo en trazas, su ausencia determina enfermedades carenciales.
Otro criterio de clasificación es la función principal del bioelemento:
1. Plástica o estructural: C, H, O, N, P, S. Colaboran estructura orgánica.
2. Esquelética: Ca, Mg, P, F, Si. Confieren rigidez.
3. Energética: C, H, O, P. Forman parte de moléculas energéticas.
4. Catalítica: Fe, Mn, I, Cu, Co, Zn, Mo, Se. Facilitan el metabolismo.
5. Osmótica y electrolítica: Na, K y Cl. Mantienen composición fluidos.
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OLIGOELEMENTOS Y ALTERACIONES CARENCIALES
Cobalto Anemia, retraso en el crecimiento
Cobre Anemia, defectos esqueléticos y epiteliales, lesiones cardiovasculares,
desmielinización,degeneración del sistema nervioso,, hipopigmentación.
Cromo Trastornos en nivel glucemia, encefalopatías, neuropatías.
Flúor Caries, alteraciones en la estructura ósea.
Manganeso Retraso del crecimiento, defectos en la coagulación, dermatitis.
Molibdeno Síntomas similares al bocio.
Selenio Cardiomiopatías, disfunción muscular.
Yodo Bocio
Zinc Retraso del crecimiento, diarrea, alopecia, dermatitis, disfunción inmunitaria,
espermatogénesis defectuosa.
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BIOMOLÉCULAS
Atendiendo a su naturaleza química, las biomoléculas de los seres vivos se clasifican en dos grandes grupos:
1. Biomoléculas inorgánicas: el agua (la biomolécula más abundante), gases (oxígeno, dióxido de carbono), sales inorgánicas (aniones, como fosfato y bicarbonato, y cationes, como amonio).
2. Biomoléculas orgánicas: glúcidos (como glucosa o glucógeno), lípidos (como triglicéridos, o colesterol), proteínas (como la hemoglobina o las enzimas), ácidos nucleicos (como los ADN o los ARN), metabolitos (como ácido pirúvico o ácido láctico), etc.
En cada tejido existe una diferente distribución de biomoléculas, aunque, en general, la más abundante es el agua. De las orgánicas, las mas abundantes son las proteínas. Las concentraciones relativas pueden fluctuar, aunque las principales están sometidas a homeostasis.
Grado de complejidad
1. Precursores sencillos, con una masa molecular inferior a 50 Da, como el H2O, el CO2 o el NH3.
2. Intermedios metabólicos o metabolitos, con una masa molecular de 50-200 Da, como son el piruvato, oxalacetato,
citrato, malato, etc.
3. Unidades estructurales de macromoléculas (100-300 Da), entre las que destacan los monosacáridos (polisacáridos),
aminoácidos (proteínas), nucleótidos (ácidos nucléicos), glicerol y ácidos grasos (grasas), etc.
4. Macromoléculas (103-106 Da), como los polisacáridos, proteínas, ácidos nucléicos, glicolípidos complejos, etc.
5. Complejos supramoleculares (106-109 Da), con componentes que se unen mediante interacciones no covalentes de
distinto tipo. Ejemplos típicos pueden ser los ribosomas (ARN y proteínas), la cromatina (ADN y proteínas), o las
membranas (lípidos y proteínas).
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1. El enlace iónico se establece entre átomos que ceden o aceptan electrones en sus orbitales
periféricos para alcanzar el estado de mayor estabilidad electrónica (cumpliendo la ley del octete,
es decir, la existencia de ocho electrones en su última capa).
2. El enlace covalente se establece entre átomos que comparten electrones de sus orbitales para
alcanzar el estado de mayor estabilidad. Este tipo de enlace es el más frecuente en las
biomoléculas. Merece mención especial el carbono que debido a su estructura electrónica y la
posibilidad de tener tetravalencia y unadisposición tetraédrica de los enlaces (hibridación sp3), o
planaria (sp2) constituye el esqueleto estructural de la gran mayoría de las biomoléculas.
Enlaces químicos y biomoléculas
Otras interacciones moleculares esenciales en las biomoléculas y organización de las células
Aunque los enlaces covalentes son los fundamentales, otros tipos de fuerzas participan en el
mantenimiento de la arquitectura y las interacciones entre las biomoleculas. Destacan:
Enlaces por puente de hidrógeno. Es una interacción entre un hidrógeno unido covalentemente a un
átomo electronegativo de muy pequeño tamaño (O, N, F) con otro átomo de dicho grupo. Es muy
frecuente y determinante entre el agua y las biomoléculas que disuleve.
Fuerzas hidrofóbicas. En un medio acuoso, las moléculas apolares son repelidas por el agua por lo que
tienden a interaccionar unas con otras.
Fuerzas electrostáticas . Debidas a las cargas eléctricas, su intensidad depende la distancia.
Fuerzas polares e interacciones entre dipolos. Se producen entre moléculas que carecen de carga
neta pero presentan una distribución asimétrica de electrones.
Fuerzas de van der Waals. Se trata de fuerzas atractivas de muy corto alcance originadas por la
sincronización de las nubes electrónicas. Existe una distancia (radio de van der Waals) que es óptima
para la situación de orbitales entre moléculas.
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Parte C: METABOLISMO Y BIOENERGETICA. GENERALIDADES
Los organismos vivos mantienen un intercambio continuo de materia y energía con el exterior mediante
transformaciones de biomoléculas; en conjunto lo denominamos metabolismo.
PROCESOS METABÓLICOS
1. Catabólicos: Degradativos, convergentes, liberadores de energía.
2. Anabólicos: Constructivos), divergentes, necesitan aporte energético.
3. Anfibólicos. Interconversiones entre intermedios metabólicos situados en puntos clave
al inicio de algunas vías anabólicas o al final de las catabólicas.
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Termodinámica y procesos bioquímicos. Las reacciones, su velocidad y su sentido espontáneo
El metabolismo de los seres vivos cumplen las leyes de la física y de la química, y los principios de la termodinámica.
k1
aA + bB cC + dD
k2
Las velocidades de transformación en los 2 sentidos vienen dadas por:
v1 = k1 . [A]a . [B]b
v2 = k2 . [C]c . [D]d
En equilibrio, v1 = v2, y se define la constante de equilibrio Keq = k1/k2, que según las
concentraciones existentes será el cociente:
Keq = [C]c . [D]d / [A]a . [B]b
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Espontaneidad termodinámica: Energía libre de Gibbs
1º principio de la termodinámica, simplificado: “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.
En las reacciones hay una variación de la energía interna (DU) que es suma de las variaciones de los intercambios de calor y
trabajo producidos : DU = D Calor + D Trabajo
El intercambio calorífico interno es, a efectos bioquímicos, el cambio de entalpía (DH).
Si DH es negativa, la transformación es exotérmica, y si es positiva, endotérmica.
2º principio de la termodinámica, también simplificado, establece que “los procesos no forzados tienden a crear un
incremento de entropía”, DS.
La materia viva es capaz de mantenerse, crecer y formar estructuras de mayor complejidad, lo que parece contradecir al
Segundo Principio de la Termodinámica. Pero la materia viva no trata con sistemas cerrados sino abiertos.
La entalpía y la entropía dan lugar a DG (cambio de energía libre de Gibbs) = DH – TDS. El DG se puede calcular por la
ecuación de Gibbs:
DG´ = DGo´ + R·T· ln ( [C]c [D]d / [A]a [B]b)
Si DG´<0, el proceso es espontáneo en el sentido aA + bB cC + dD
[A], [B], [C] y [D] son las concentraciones de los reactivos, T es la temperatura en ºK, R = 8.3 J/mol.ºK e DGo´ es el
cambio de energía libre estándar del proceso, es decir en condiciones estándares, corregida a pH 7.0, el pH fisiológico.
Fácilmente, se puede deducir la siguiente relación entre DGo´ y Keq (también a pH 7):
DGo´ = – R·T·ln Keq
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Si a las reacciones son redox, en lugar de la DG se suele
utilizar el potencial redox standard, corregido a pH 7 (Eo´).
Existen tablas de esos valores para los principales pares de
metabolitos (derecha)
Una reacción redox completa, se puede expresar:
aAox + bBred cAred + dBox Ared = C y Box = D
(reacc. General)
El potencial en condiciones no standardes se calcula por la
ecuación de Nernst para cada par. Por ej. para el par A
E ´ = Eo´ – (RT / nF) ln [ARed] / [AOx]
R =8.37 J/mol.ºK, F=96500 culombios y n los electrones intercambiados.
Para la reacción completa se cumple que:
DE´=E´oxid–E´red =DEo´(oxid – red)–(RT/nF) log([Ared].[Box]/ [Aox].[Bred])
Se puede deducir la relación entre potenciales y cambios de
energía libre: DGo´ = –nFDEo´
Importante: En cuanto a signo para predecir la
espontaneidad o sentido de una reacción, la energía libre y
el potencial son contrarios.
DGo´ negativo, espontánea
DEo´ positivo, espontánea
Espontaneidad termodinámica: Potencial redox
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Sistema (oxidado/reducido) Eo´ (volt)
Acetato + CO2/ Piruvato –0.70
Acetato/ Acetaldehído + OH– –0.60
3-fosfoglicerato/gliceraldehído-3-fosfato –0.55
H+/1/2 H2 –0.42
-cetoglutarato + CO2 + 2H+/ isocitrato –0.38
Piruvato + CO2/ Malato –0.33
NAD(P)+/ NAD(P)H + H+ –0.32
FAD/FADH2 –0.22
Acetaldehído/ Etanol –0.20
Piruvato/ Lactato –0.19
Oxalacetato/ Malato –0.17
Fumarato/ Succinato +0.03
Citocromo b oxidado/reducido +0.07
Ubiquinona/ Ubiquinol +0.10
Citocromo c oxidado/reducido +0.25
O2/H2O +0.82
Pot. Positivos:Tendencia a actuar como oxidantes
Pot. Negativos:Tendencia a actuar como reductores
Potenciales redox estándares de algunos pares
del metabolismo celular
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CARGA ENERGÉTICA CELULAR
En las células, la mayor parte de la energía celular se
almacena en los nucleótidos de adenina (ATP y
ADP).
La capacidad energética del AMP es nula y la del ATP es
doble que la del ADP. Como se interconvierten, la
suma de AMP, ADP y ATP es casi constante en cada
célula.
El estado energético global de una célula se puede
expresar en función de su carga energética,
definida por:
Carga energética=([ATP] + ½ [ADP]) ([ATP] + [ADP] + [AMP])
. La capacidad energética afecta de modo fundamental al
metabolismo energético celular, pues regula actividad
de las rutas cata- y anabólicas.
Las cargas energéticas altas favorecen las vías
anabólicas
Las cargas energéticas bajas estimulan las vías
catabólicas.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Cargaenergética
100
80
60
40
20
Zona Azul.
Carga alta
Procesos
Anabólicos
Zona Gris
Carga baja.
Procesos
Catabólicos
Todo ATPTodo AMP
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RESUMEN PARTE A
1. La bioquímica y biología molecular (BBM) es una simbiosis de la química y la biología
aplicable a las ciencias de la salud para explicar los procesos vitales en función de
leyes fisico-químicas.
2. La bioquímica nació a comienzos del siglo XX, pero tiene antecedentes en la química
fisiológica y la química biológica del siglo XIX.
3. La BBM es una disciplina esencial y con gran desarrollo y futuro para entender las
ciencias de la salud y las situaciones normales (sanas) y patológicas.
4. La extracción y purificación de enzimas y el marcaje isotópico permitió descifrar el
metabolismo, la base de la bioquímica dinámica.
5. La difracción de rayos X para conocer la estructura de proteínas y el descubrimiento
de la estructura en doble hélice del ADN iniciaron la Biología Molecular, que derivó
hacia la Genética Molecular aunque no se circunscribe a ella.
6. El desarrollo de las -ómicas (genómica, proteómica etc.) en el siglo XXI permite
inmensas posibilidades industriales (biotecnología), agroalimentarias (OMG),
biomédicas y terapéuticas limitadas más por problemas bioéticos que técnicos.
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RESUMEN Parte B
1. Los elementos químicos que forman parte de la materia viva se denominan
bioelementos y se clasifican por su abundancia o función en organismos vivos.
2. Los primarios (H, O, C, N) permiten una amplia gama de posibilidades de formación de
biomoléculas.
3. Los átomos forman moléculas mediante enlaces químicos, iónicos y covalentes.
4. Además de éstos, existen diferentes tipos de interacciones no covalentes entre las
biomoléculas necesarias para el mantenimiento de la vida. Estas interacciones son
enlaces por puente de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas, fuerzas electrostáticas,
fuerzas polares entre dipolos y fuerzas de van der Waals. Permiten formar desde
precursores sencillos a complejas macromoléculas y asociaciones
supramacromoleculares.
5. Las biomoléculas pueden poseer naturaleza orgánica (proteínas, glúcidos, lípidos,
ácidos nucleicos) o inorgánica (agua, gases, sales inorgánicas).
6. En química orgánica, los grupos funcionales son agrupaciones de un pequeño número
de átomos que confieren a las moléculas características propias de su clase.
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RESUMEN Parte C: METABOLISMO Y BIOENERGETICA
1.El metabolismo es el conjunto de transformaciones químicas que se realizan en un
organismo.
2.Los procesos metabólicos obedecen las leyes físico-químicas y termodinámicas.
3.Los procesos celulares no siguen las características de los sistemas termodinámicos
cerrados (son sistemas abiertos que no llegan al equilibrio estacionario).
4. Entre los conceptos termodinámicos, entalpía, energía libre y entropía, el signo y cuantía
del cambio de energía libre de Gibbs permite predecir el sentido de una reacción.
5.La combinación de la ecuación de Nernst y de Gibbs es muy útil para reacciones en los que
los sistemas participantes son de tipo redox.
6.El acoplamiento de procesos exergónicos con endergónicos, junto con la existencia de las
enzimas, permite que ocurran a velocidad apreciable las vías metabólicas.
7. Los compuestos de alta energía de hidrólisis constituyen el modo más directo de aporte
energético para permitir superar barreras energéticas. El ATP es el principal, pero no el único.
8.El concepto de carga energética puede aproximarnos a la situación energética celular.