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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.