1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

UNIVERSIDAD
NACIONAL
ABIERTA Y
A
DISTANCIA
–
UNAD
Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente., ECAPMA.
Contenido didáctico del curso Bioquímica Metabólica
Elaboró: Jairo Granados., MSc.
Biomoléculas y Bioquímica Estructural
La bioquímica es la ciencia que estudia los componentes químicos de los seres
vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos,
además de otras pequeñas moléculas presentes en las células. Esta ciencia, se
basa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono y biomoléculas que
contienen bioelementos como: Carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y
azufre (CHONPS). En general, estudia la base de la vida: las moléculas que
componen células y tejidos, lo mismo que biocatalizadores encargados de
catalizar las múltiples reacciones químicas ocurridas en digestión, fotosíntesis y
respiración, entre otras.
Resumiendo lo anterior, la química de la vida tiene como propósito esencial el
estudio de la estructura, organización y funciones de la materia viva desde el
punto de vista molecular. Para comprender mejor su estudio, se puede dividir en:
Bioquímica estructural (BE); Bioquímica metabólica (BM); Biología molecular
(BML)
La primera (BE) estudia la composición, conformación, configuración y estructura
de las moléculas de la materia viva, relacionándolas con su función bioquímica.
La bioquímica Metabólica(BM), es una ciencia que estudia los fundamentos
moleculares estructurales ,cinéticos y termodinámicos, que rigen el desarrollo de
las múltiples reacciones bioquímicas enzimáticas (RBE) que ocurren en los seres
vivos. Para ello, utiliza las diversas teorías , principios , leyes y conceptos
científicos derivadas de las ciencias básicas (biología, química, física y
matemáticas) con el fin de explicar los complejos procesos anabólicos y
catabólicos que determinan el metabolismo celular de animales y vegetales. Es de
resaltar que la bioquímica también se apoya en conocimientos de otras ramas de
la biología como la biofísica, la nutrición, investigación médica o biotecnología
entre otros. (Granados,J.,2011)
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Contenido didáctico del curso Bioquímica Metabólica
Elaboró: Jairo Granados., MSc.
La bioquímica metabólica es la ciencia que estudia todo lo relacionado con la
actividad catalítica en las vías anabólica y catabólica de las diversas biomoléculas
que forman parte de la dinámica celular de organismos animales y vegetales
presentes en todo tipo de agro ecosistemas; por ende, permite comprender la
estructura y cinética de los compuestos que intervienen en las diversas reacciones
bioquímicas metabólicas aeróbicas y anaeróbicas. Además, teniendo en cuenta
que es una ciencia teórico experimental la cual posee conceptos, leyes, principios
y teorías científicas, se constituye en un pilar fundamental para la interpretación
significativa de las múltiples reacciones
biomoleculares que gobiernan los
diferentes procesos exergónicos y endergónicos, enfocados a mantener las
funciones vitales de sistemas autótrofos y heterótrofos, los cuales interaccionan
permanentemente garantizando la bioactividad de los componentes de nuestro
planeta. En consecuencia, la intencionalidad del curso se centra en el estudio de
la bioquímica estructural, biotermodinámica , actividad molecular y bioquímica
metabólica aplicada, importantes en lo bioactividad de animales y plantas, de tal
forma que puedan ser interrrelacionados e incorporados por los estudiantes en su
dimensión cognitiva, para lograr un verdadero aprendizaje significativo autónomo
de la bioquímica metabólica, como núcleo esencial en la comprensión de eventos
y fenómenos primordiales de las ciencias
agrícolas, pecuarias y del medio
ambiente.
El mentefacto mostrado presenta los principales conceptos, principios, leyes ,
fundamentos y características que están involucrados en el estudio general de la
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bioquímica ;se debe tener en cuenta la siguiente simbología: RBE: Reacciones
Bioquímicas Enzimáticas; CE: Carbohidratos estructurales; CNE:Carbohidratos No
estructurales; RQI: Reacciones Químicas Inorgánicas; RFF:Reacciones Físicas de
Fase (Sólido- Líquido- Vapor).
La bioquímica es la ciencia que estudia los componentes químicos de los seres
vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos,
además de otras pequeñas moléculas presentes en las células. Esta ciencia, se
basa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono y biomoléculas que
contienen bioelementos como: Carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y
azufre (CHONPS). En general, estudia la base de la vida: las moléculas que
componen células y tejidos, lo mismo que biocatalizadores encargados de
catalizar las múltiples reacciones químicas ocurridas en digestión, fotosíntesis y
respiración, entre otras.
Resumiendo lo anterior, la química de la vida tiene como propósito esencial el
estudio de la estructura, organización y funciones de la materia viva desde el
punto de vista molecular. Para comprender mejor su estudio, se puede dividir en:
Bioquímica estructural (BE); Bioquímica metabólica (BM); Biología molecular
(BML)
La primera (BE) estudia la composición, conformación, configuración y estructura
de las moléculas de la materia viva, relacionándolas con su función bioquímica.
La bioquímica
Metabólica (BM), es una ciencia que estudia los fundamentos
moleculares estructurales ,cinéticos y termodinámicos, que rigen el desarrollo de
las múltiples reacciones bioquímicas enzimáticas (RBE) que ocurren en los seres
vivos. Para ello, utiliza las diversas teorías , principios , leyes y conceptos
científicos derivadas de las ciencias básicas (biología, química, física y
matemáticas) con el fin de explicar los complejos procesos anabólicos y
catabólicos que determinan el metabolismo celular de animales y vegetales. Es de
resaltar que la bioquímica también se apoya en conocimientos de otras ramas de
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la biología como la biofísica, la nutrición, investigación médica o biotecnología
entre otros. (Granados,J.,2011)
La unidad inicia con una contextualización histórica de la bioquímica metabólica,
donde se destaca el aporte conceptual de los principales científicos al desarrollo
de esta ciencia ; luego se prosigue con una descripción breve de los denominados
ciclos biogeoquímicos de los minerales involucrados en el metabolismo de plantas
y animales ;También se contempla la revisión de las propiedades moleculares y
funcionales
de
las
principales
biomoléculas
estructurales
tales
como
:
carbohidratos , lípidos , proteínas y hormonas ;la unidad finaliza con el estudio de
los principios fundamentales que rigen las múltiples reacciones bioquímicas
metabólicas enzimáticas que dinamizan la bioactividad de
células animales y
vegetales
Los Bioelementos
Se denominan bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte y
tienen bioactividad preponderante en células animales y vegetales ; dichos
bioelementos se clasifican en : Mayoritarios , los cuales están presentes en
porcentajes superiores al 0,1 % y aparecen en todos los seres vivos. Entre estos
se encuentran los primarios :Carbono : C;Hidrógeno: H; Oxígeno: O; Nitrógeno: N;
Fósforo :P y Azufre:S , que constituyen en conjunto un 95% de las biomoléculas
estructurantes de la materia viva , le siguen los Bioelementos secundarios tales
como Na, K, Ca, Mg, Cl ,finalmente , se tienen los Oligoelementos como el Fe,
Mn, I, F, Co, Si, Cr, Zn, Li, Mo , que están presentes en porcentajes inferiores al
0,1%,.y son indispensables para el desarrollo armónico de organismo animales y
vegetales. El cuadro 1 , resume el tipo de bioelementos y su abundancia en los
seres vivos:
Cuadro 1: Tipo de bioelementos y abundancia en los seres vivos
Tipo
Bioelemento
Símbolo Químico
Abundancia (%)
Primarios
4
Carbono
C
20,00
Hidrógeno
H
9,50
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Oxígeno
O
62,00
Nitrógeno
N
2,50
Azufre
S
0,05
Fósforo
P
0,05
Sodio
Na
Potasio
K
Calcio
Ca
Magnesio
Mg
Cloro
Cl
Hierro
Fe
Manganeso
Mn
Yodo
I
Flúor
F
Cobalto
Co
Molibdeno
Mo
Secundarios
Oligoelementos
4,50
0,50
Elaborado por el autor (2011)
Contexto histórico
El comienzo de la bioquímica se remonta al descubrimiento de la primera enzima,
denominada diastasa, en 1833 por Anselme Payen. En 1828, el químico Alemán:
Friedrich Wöhler publicó un artículo acerca de la síntesis de urea (H2N-CO-NH2 ) a
partir de un compuesto inorgánico llamado cianato de amonio( H4N-OCN ), según
la reacción:
H4N-OCN
calor
H2N-CO-NH2
Esto demostró que los compuestos orgánicos podían ser sintetizados en el
laboratorio, en contraste con la creencia, comúnmente aceptada durante mucho
tiempo, que la generación de este compuesto era posible sólo en el interior de los
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seres vivos, específicamente en el riñón. La corriente vitalista aún persistió porque
se creía que las reacciones de la materia viva solo podían realizarse en células
vivas. Según el vitalismo, las reacciones biológicas se producían por una fuerza
vital de naturaleza misteriosa, pero no por procesos químicos o físicos.
Los
hermanos “Buchner” en 1897, se encargaron de controvertir la corriente vitalista,
observando que extractos de células de levaduras muertas, eran capaces de llevar
a cabo la fermentación de la sacarosa (C12H22O11) hasta etanol (C2H5-OH) , de
acuerdo a la reacción:
C12H22O11 + H2O
4C2H5-OH + 4CO2
Esto abrió el camino al estudio de las reacciones y procesos bioquímicos “in
vitro”. A partir de aquí se avanzó más rápidamente en el conocimiento de las
diferentes rutas metabólicas. Un acontecimiento clave en el desarrollo de la
bioquímica metabólica , ocurrió en 1926, cuando el profesor Americano James
Sumner , cristalizó y purificó la enzima ureasa, extrayéndola de las semillas de
soja (Canavalia ensiformis), en un momento crítico en donde la mayoría de los
científicos creían que era imposible cristalizar enzimas. Dicha enzima clasificada
como una amidohidrolasa , cataliza el desdoblamiento de la urea , hasta producir
Ureasa
Amoníaco y Gas carbónico , según la ecuación:
H2N-CO-NH2 + H2O
2NH 3 + CO2
Esto le valió a Sumner el Premio Nobel de Química en 1946. En consecuencia , el
profesor demostró
que aunque las proteínas tenían estructuras grandes y
complejas, era posible sintetizarlas como cualquier compuesto inorgánico y que
sus estructuras podían determinarse con métodos analíticos instrumentales .A
partir de aquí, la contribución más importante consistió en establecer las
estructuras químicas básicas de las sustancias biológicas, identificar las
reacciones de cada ruta metabólica y localizar éstas en el interior de la célula. En
1953 ,Watson y Crick publicaron la estructura en doble hélice del ADN, así como
todos lo descubrimientos posteriores relacionados con los mecanismos de la
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transmisión de la información biológica. Esto dió lugar a una nueva rama de la
biología, la biología molecular. Desde entonces, la bioquímica ha avanzado,
especialmente desde la mitad del siglo XX , con el desarrollo de nuevas técnicas
como la cromatografía, la difracción de rayos X, marcaje por isótopos y el
microscopio electrónico. Estas técnicas abrieron el camino para el análisis
detallado y el descubrimiento de muchas moléculas y rutas metabólicas de las
células, como la glucólisis y el ciclo de Krebs (también conocido como ciclo del
ácido cítrico).Hoy, los avances de la bioquímica son usados en múltiples áreas,
desde la genética hasta la biología molecular, de la agricultura a la medicina.
El cuadro 2, resume los principales hechos históricos que han brindado aportes
fundamentales al desarrollo de la Bioquímica Metabólica
Cuadro 2.Contexto histórico de la Bioquímica Metabólica
Fecha
1915
Evento Bioquímico
Esclarecimiento de la
glucólisis
Autores (Prof , Dr)
Características
Gustav Georg
Embden y Otto Fritz
Meyerhof
Primer paso de la
respiración ; es una
secuencia compleja
de 10 RBE-REDOX
(óxido-reducción) que
se realizan en el
citosol celular y por el
cual la molécula de
glucosa(C6) se
desdobla en dos
moléculas de ácido
pirúvico (C3)
Biomolécula que
almacena energía
metabólica en sus
enlaces
fosfoanhídridos de
éster
(Científicos
Alemanes)
Meyerhof fue premio
Nóbel de Medicina
(1922)
1929
7
Aislamiento del Adenosín
Trifosfato (ATP) , a partir de
extractos de músculo
esquelético
Cyrus Fiske (USA) y
Yellapragada
Subbarow (India)
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1932
1937
1940
Descubrimiento del Ciclo de
Krebs(CK) ó Ciclo del ácido
cítrico (CAC) ó Ciclo de los
ácidos Tricarboxílicos(TAC),
en el músculo pectoral de una
paloma
Descubrimiento de las
reacciones de Hill (Fotólisis y
Fotorreducción de la molécula
del agua en la fase lumínica
Fotosintética )
Descubrimiento del Ciclo de
Cori
(Reciclaje del ácido Láctico)
Hans Adolf
Krebs(Británico de
origen Alemán) y
Fritz Albert Lipmann
(Estadounidense de
origen Alemán )
Premios Nóbel de
Medicina (1953)
Robert Hill
(Bioquímico Británico)
Carl Ferdinand Cori y
Gerty Cori
(Estadounidenses de
origen Checo ,
nacidos en Praga)
Premios Nóbel de
Medicina (1947)
1940
Descubrimiento del Ciclo de
Calvin de la Fotosíntesis
Melvin Calvin
(Químico
Norteamericano)
Premio Nóbel de
Química (1961)
8
Conjunto de RBE que
se producen en las
crestas
mitocondriales , las
cuales tienen como
finalidad oxidar la
AcetilCoA , que
proviene del
catabolismo de
carbohidratos ,
lípidos y proteínas.
Este ciclo
corresponde a una
fase clave de la
respiración de
animales y vegetales
La fase lumínica está
dada por 3
reacciones
fotoquímicas que
ocurren en las
membranas
tilacoidales de los
cloroplastos , ellas
son:Fotólisis del agua
, produce O2
;Fotorreducción
,produce NADPH ; y
la Fotofosforilación
que genera ATP
Es el ciclo de RBE
que envuelve dos
rutas de transporte
de biomoléculas
entre músculo e
hígado
El ciclo es una
secuencia de RBE
REDOX , mediante
las cuales el estroma
del cloroplasto , fija
CO2 del aire para
transformarlo
principalmente en
carbohidratos y
productos
secundarios como:
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Elaboró: Jairo Granados., MSc.
aminoácidos , ácidos
grasos y proteínas.
1941
1953
Clarificación de la función
metabólica del ATP y
Aislamiento del Acetil
coenzima A (acetilCoA)
Dilucidación estructural y
funcional del ácido
desoxirribonucleíco (ADN)
Fritz Albert Lipmann
(Estadounidense de
origen Alemán )
Premio Nóbel de
Medicina (1953)
James Watson(USA)
Y
Francis Crick (Gran
Bretaña)
Premios Nóbel de
Medicina (1962)
Elaborado por el autor (2011)
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Biomolécula
energética ,
considerada como
cofactor enzimático
transportador de
grupos acetilo(H3CCO-) en las rutas
metabólicas
Biomolécula
fundamental de la
genética , con
estructura helicoidal
de doble hélice , que
dirige la biosíntesis
de proteínas.