BIOQUíMICACurso del Séptimo Semestre de la

Escuela de Química -UNSA

Capitulo I: Biomoléculas y Agua

• Bioquímica• Fundamentos: celulares, químicos físicos,

genéticos y evolutivos. • Biomoléculas.- • El agua: Interacciones débiles en los sistemas

acuosos.-Soluciones tampón.

Bioquímica

• La Bioquímica es una rama de la ciencia (fusiona química y biología) que estudia los constituyentes químicos de los seres vivos, sus funciones y transformaciones, es decir, estudia las bases moleculares de la vida.

Características distintivas de los organismos vivos

• Un elevado grado de complejidad química y de organización microscópica.

• Sistemas para la extracción, transformación y uso de la energía del entorno

• La capacidad para autoreplicarse y autoensamblarse• Mecanismo para detectar y responder a las

alteraciones en su entorno.• La existencia de funciones definidas para cada uso de

sus componentes y la regulación de las interacciones entre ellos.

• Una historia de cambio evolutivo.

Fundamentos de la Bioquímica

Fundamentos: celularesLas células son las unidades estructurales y

funcionales de todos los organismos vivos• Los organismos mas pequeños son unicelulares y

microscópicos.• Los organismos mayores contienen muchos tipos

de células de tamaño, forma y funciones diferentes.

• A pesar de las diferencias las células comparten propiedades fundamentales. Observables a nivel bioquímico.

Jerarquía estructural en la organización molecular de las células

Compuestos orgánicos a partir de los cuales se forman la mayoría de los

componentes celulares

Fundamentos químicos

• La bioquímica tiene como objetivo explicar en términos químicos las estructuras y funciones biológicas.

• Elementos químicos, esenciales para los seres vivos, la mayoría de los elementos de la materia viva tienen un numero atómico relativamente bajo, los cuatro elementos mas abundante son el H, O, N, C

Representación de Moléculas

Estereoquímica de las moléculas

Conformación

Fundamentos físicos

• Las células y organismos deben realizar trabajo para mantenerse vivas y reproducirse. Las reacciones sintéticas celulares requieren aportes de energía.

• Uno de los objetivos de la bioquímica es la comprensión, en términos químicos y cuantitativos, de los mecanismos de extracción, canalización y consumo de la energía en las células vivas.

Un organismo vivo es un sistema abierto y extraen energía de su entorno de dos maneras:

• 1. Captan combustibles químicos (como por ejemplo glucosa) del entorno y extraen energía de su oxidación

• 2. Adsorben energía de la Luz solar.

Podemos considerar las conversiones de la energía celular en el contexto de las leyes de la

termodinámica• La primera ley de la termodinámica• “En cualquier proceso físico o químico la

cantidad de energía total del universo permanece constante, aunque su forma puede variar”

• La células son : Consumados transductores de energía, energía química, mecánica, electromagnética, osmótica, con gran eficiencia.

• Células fotosintéticas: adsorben la energía luminosa del sol y la utilizan para dirigir los electrones desde el agua al CO2, dando lugar a compuestos ricos en energía tales como glucosa, almidón y sacarosa, liberando O2 a la atmosfera.

• Células y los organismos no fotosintéticos.- Obtienen energía para sus necesidades mediante oxidación de los productos ricos en energía de la fotosíntesis.

Procesos “cuesta abajo” desde potenciales electroquímicos superiores a inferiores.

Procesos REDOX

• Crear y mantener el orden requiere trabajo y energía.

• Se requiere energía para:• Formar los enlaces covalentes en las subunidades• Energía para ordenar las subunidades en su

secuencia correcta.• Un aumento del orden lo contrastamos con la

segunda ley de la termodinámica“ la entropía total del universo está en constante

crecimiento”

Energía libre

Gibbs desarrollo la teoría de las variaciones energéticas durante las reacciones químicas, demostró que el contenido en energía libre, G, de cualquier sistema cerrado puede definirse a partir de tres magnitudes: Entalpia H, entropía S y la temperatura absoluta T .

Si la reacción química tiene lugar a T constante la variación de la energía libre es:

• Una reacción exergónica tiene una variación negativa de la energía libre.

• Una reacción endergónica tiene una variación positiva de la energía libre.

El acoplamiento energético conecta las reacciones biológicas para hacerlas posibles.

El proceso global es exergónico. Mediante esta estrategia la célula puede sintetizar y mantener reacciones no espontaneas.

Keq y ∆Go

.• Miden la tendencia de una reacción para transcurrir espontáneamente

• Gibbs demostro que la ∆G de una reacción química cualquiera es función de la variación de energía libre estándar ∆Go

• Cuando una reacción ha alcanzado el equilibrio no persiste ninguna fuerza que la induzca a ir en otra dirección y no puede realizar trabajo por lo que:

ENZIMAS• Biocatalizadores que provocan un gran incremento en la

velocidad de reacciones químicas especificas sin consumirse en el proceso.

• Las enzimas catalizan reacciones proporcionando un entorno más confortable para el estado de transición; una superficie complementaria a su estereoquímica, polaridad o carga.

• La unión de una enzima al estado de transición es exergónica y la energía liberada por esa unión reduce la energía de activación de la reacción, incrementando de modo muy importante su velocidad.

• Una contribución adicional a la catálisis ocurre cuando dos o más reactivos se unen a la superficie de la enzima en sitios cercanos y en una orientación estereoespecifica que favorece la reacción.

Salvo algunas excepciones los catalizadores celulares son proteínas.Cada enzima cataliza una reacción especifica y cada reacción en la célula esta catalizada por una enzima diferente. Por lo que hay miles de enzimas diferentes.

Reacciones químicas catalizadas por enzímas

Miles de reacciones químicas catalizadas por enzimas en el interior de la célula se encuentran organizadas funcionalmente en muchas secuencias diferentes de reacciones consecutivas denominadas rutas o vías.Catabolismo: es el conjunto de reacciones degradativas productoras de energía libre.Anabolismo: Conjunto de reacciones sintéticas que requieren un aporte de energía.Metabolismo: Compleja red de reacciones catalizadas por enzimas.

Fundamentos Genéticos

• La propiedad más notable de la célula y organismos vivos es su capacidad para reproducirse con fidelidad casi perfecta a los largo de incontables generaciones.

• El descubrimiento de la naturaleza química y la estructura tridimensional del material genético. El ácido desoxirribonucleico ó ADN, se cuenta entre los hitos fundamentales de la biología.

ADN• El DNA es un polímero lineal

de cuatro subunidades , los desoxirribonucleótidos

• Desoxiadenilato(A)• Desoxiguanilato(G)• Desoxicitidilato ( C)• Desoxitimidilato(T)• Unidos covalentemente• Entre cadenas se asocian no

covalentementeA-TG-C

Fundamentos Evolutivos• A pesar de la fidelidad casi perfecta de la

replicación genética ciertos errores muy poco frecuentes dan lugar a mutaciones en la herencia genética dando organismos mejor adaptados a la supervivencia en un nicho ecológico. Este proceso de mutación y selección conforma la base de la evolución darwiniana que ha dado como resultado los organismos actualmente existentes a partir de la primera célula y explica la similitud fundamental entre todos los organismos vivos.

BIOMOLECULAS

• Componentes celulares• El agua• Aminoácidos y proteínas• Azucares y polisacáridos• Nucleótidos y lo ácidos nucleídos• Ácidos grasos y lípidos

EL AGUA

Puente de hidrógeno en el hielo