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Fundamentos celulares:
Características de la materia viva:
Todas las células tienen la capacidad de auto replicarse y auto ensamblarse. Capacidad de cambiar a lo largo del tiempo mediante evolución gradual. Los organismos mas pequeños son unicelulares y microscópicos. Los organismos mas mayores, multicelulares, contienen muchos tipos de células de tamaño, forma y funciones diferentes.
Nota; Todas las células están rodeadas por:
Membrana Plasmática:
Define periferia de la célula, separando su contenido del medio externo. Compuesta por: Moléculas de lípidos Proteínas que forman barrera hidrofóbica fina, dura y flexible alrededor de la célula.
- Actúa como una barrera libre ala circulación de iones inorgánicos y de la mayor parte de compuestos cargados o polares Las proteínas de Transporte permiten el paso de ciertos iones y moléculas. Las proteínas Receptoras transmiten señales hacia el interior de la célula; por su parte, los enzimas de membrana participan en algunas reacciones. Al crecer la célula se insertan en la membrana plasmática nuevas moléculas de lípido y proteína recién sintetizadas; la división celular produce dos células, cada una las cuales posee su propia membrana. El crecimiento y la división (Fusión) celulares se producen sin perdida de la integridad de la membrana. Nota; La membrana plasmática contiene:
Citoplasma:
El citoplasma, esta compuesto por una disolución acuosa, el citosol , y una variedad de partículas en suspensión con funciones especificas. El citosol es una disolución muy concentrada que contiene enzimas y moléculas de RNA que los codifican; los componentes (aminoácidos y nucleótidos) a partir de los cuales se forman estas macro células ; centenares de pequeñas moléculas orgánicas denominadas metabolitos ,
intermediarios de las rutas biosintéticas y degradativas; coenzimas , compuestos esenciales en muchas reacciones catalizadas enzimáticamente; iones inorgánicos y estructuras macromoleculares tales como los ribosomas en los que tiene lugar la sin tesis de proteínas y los proteasomas , que degradan las proteínas que ya no son necesarias para la célula. Todas las células tienen, al menos durante una parte de su ciclo vital, un núcleo o un nucleoide, en el que se almacena y se replica el genoma. El nucleoide en bacterias y arqueas no se encuentra separado del citoplasma por una membrana, pero en los eucariotas el núcleo contiene el material nuclear que se halla englobado en el interior de una membrana doble, la envoltura nuclear. Las células con envoltura nuclear constituyen el amplio grupo Eukarya. (Eucariota) Entre los microorganismos sin envoltura nuclear, antes denominados procariotas; se distinguen ahora dos grupos, Bacteria y Arácea, que se describen mas adelante. Todos los organismos vivos pertenecen a uno de los tres grandes grupos (dominios) que representan las tres ramas de la evolución a partir de un progenitor común.
Pertenecen a dos grandes grupos:
Bacteria: Las bacterias habitan en el suelo, en las aguas superficiales y en los tejidos de otros organismos vivos o en descomposición. Archeas: Muchas especies de Archea, habitan en medios muy extremos: lagos salinos, fuentes termales, ciénagas altamente acidieas y las profundidades de los océanos. Todos los organismos eucarióticos, que constituyen el tercer dominio, Eukarya, evolucionaron a partir de la misma rama que dio origen a las arqueas; los eucariotas están, por tanto, mas estrechamente relacionados con las arqueas que con las bacterias. Existen también:
Sub-grupos (Hábitats);
Aérobicos: Abundante suministro de oxigeno, muchos organismos residentes obtienen su energía mediante la transferencia de electrones desde las moléculas de combustible al oxigeno. Anaeróbicos:
Los filamentos de actina. Los microtúbulos Filamentos intermedios Que difieren en anchura, composición y función especifica. Todos ellos proporcionan estructura y organización al citoplasma y mantienen la forma de la célula. Los filamentos de actina y los microtúbulos colaboran también en el movimiento de los orgánulos o en el movimiento celular global. Cada tipo de componente citoesquelético esta compuesto por subunidades simples de proteína que se asocian de manera no covalente para dar filamentos de grosor uniforme. Estos filamentos no son estructuras permanentes, sino que se encuentran en constante fluctuación entre su forma monomérica y su forma estructurada en filamentos. Su localización celular no esta fijada rígidamente, sino que varia en gran medida durante la mitosis, la citoquinesis, el desplazamiento ameboide o a causa de los cambios en la forma de la célula. La célula Eucariótica esta formada por una trama de fibras estructurales y un complejo de sistema de comportamientos limitados por membranas.
Fundamentos químicos:
Elementos ; Los cuatro elementos mas abundantes en los organismos vivos, en términos de porcentaje sobre el numero total de átomos, son el hidrogeno, el oxigeno, el nitrógeno y el carbono que, en conjunto representan mas del 99% de la masa de la mayoría de las células. Son los elementos mas ligeros capaces de formar uno, dos, tres y cuatro enlaces covalentes, respectivamente; en general, los elementos mas ligeros forman los enlaces mas fuertes. Los oligoelementos representan una fracción minúscula del peso del cuerpo humano, pero todos ellos son esenciales para la vida, generalmente a causa de que resultan imprescindibles para la función de proteínas especificas, incluidos los enzimas. La capacidad transportadora del oxigeno de la molécula de hemoglobina, por ejemplo, depende totalmente de cuatro iones hierro que constituyen solo el 0,3% de su masa. Es probable que la versatilidad de enlace del carbono consigo mismo y con otros elementos fuera una de las causas principales de la selección de compuestos de carbono para formar parte de la maquinaria molecular de las células durante el origen y la evolución de los seres vivos. MOLECULAS;
Ningún otro elemento químico puede formar moléculas con formas y tamaños tan diferentes o con tanta variedad de grupos funcionales. BIOMOLECULAS; Puede considerarse que la mayor parte de las biomoléculas son derivados de los hidrocarburos, con átomos de hidrogeno reemplazados por una amplia gama de grupos funcionales que confieren propiedades químicas especificas para dar lugar a las diferentes familias de compuestos orgánicos. Las familias mas comunes de compuestos orgánicos son alcoholes, con uno o mas grupos hidroxilo; las aminas, que tienen grupos amino; los aldehudos y las cetonas, con grupos carbonillo, y los ácidos carboxílicos, que tienen unidos grupos carboxilo. Muchas biomoléculas son polifuncionales y contienen dos o mas tipos de grupos funcionales, cada uno de ellos con propiedades químicas y reactividad propias. La "Personalidad" química de cada compuesto viene determinada por la química de sus grupos funcionales y su disposición en el espacio tridimensional.
Las células contienen un conjunto universal de moléculas
pequeñas:
Fase Acuosa de una Célula (Citosol): En este conjunto de moléculas se incluyen los aminoácidos, nucleótidos, azucares y sus derivados fosforilados y ciertos ácidos mono-, di- y tricarboxilicos. Las moléculas son polares o cargadas solubles en agua y se encuentran en concentraciones que van desde micromolecular a milimolar. Están atrapadas dentro de la célula por que la membrana plasmática es impermeable a ellas, aunque algunos transportadores específicos de membrana pueden catalizar el movimiento de ciertas moléculas hacia el interior o el exterior de la célula o entre comportamientos de las células eucarióticas. La presencia universal del mismo conjunto de compuestos en las células vivas en una manifestación de la conservación evolutiva de las rutas metabólicas que se desarrollaron en las células primitivas. Existen otras biomoléculas pequeñas que son especificas para ciertos tipos de células u organismos.
Peso Molecular, masa molecular y las unidades que deben
utilizarse;
El peso molecular de una sustancia se define como la relación entre la masa de una molécula de esta sustancia y la duodécima parte de la masa del carbono -12(12C). Al ser una relaciona Mr, no tiene dimensiones, no tiene unidades asociadas. La segunda es la masa molecular, representada por m. E sta es simplemente la masa de una molécula, o la masa molecular dividida por el numero de Avogadro.
La estructura tridimensional se describe en términos de
configuración y conformación:
Los compuestos de carbono existen normalmente como estereoisómeros, moléculas que contienen los mismos enlaces químicos pero con diferente configuración o distribución espacial de sus átomos constituyentes. Las interacciones entre las biomoléculas son invariablemente estereoespecificas, lo que implica que las moléculas que interactúan tengan una configuración especifica.
Las interacciones entre las biomoléculas son estereoespecificas:
En las interacciones entre biomoléculas, el "encaje" debe ser estereoquimicamente correcto. La estructura tridimensional de las biomoléculas grandes y pequeñas, la combinación de su configuración y su conformación, es de primordial importancia en sus interacciones biológicas: un reactivo con su enzima, una hormona con su receptor de membrana celular, un antígeno con u anticuerpo especifico son buenos ejemplos de ello. El estudio de la estereoquímica biomolecular mediante métodos físicos precisos constituye una parte importante de la investigación moderna sobre estructura celular y función bioquímica. Las moléculas quirales de los organismos vivos se encuentran generalmente presentes en solo una de sus formas quirales. Por ejemplo, los aminoácidos están presentes en las proteínas solo como isómeros; la glucosa se encuentra presente tan solo en forma de su isómero. Gracias a su versatilidad de enlace, el átomo de carbono puede producir una amplia variedad de esqueletos carbono-carbono con diversidad de grupos funcionales; estos grupos son los que confieren a las biomoléculas su personalidad biológica y química. Las células vivas contienen un conjunto casi universal de unos centenares de moléculas de baja masa molecular; las interconversiones de estas moléculas de baja masa molecular; las interconversiones de estas moléculas en las rutas metabolismo centrales se han conservado a lo largo de la evolución.
Fundamentos físicos:
Uno de los objetivos de la bioquímica es comprender, en términos químicos y cuantitativos, los mecanismos de extracción, almacenamiento y canalización de la energía para obtener trabajo útil en las células vivas. Al igual que con otras conversiones energéticas, podemos considerar las conversiones de la energía celular en el contexto de las leyes de la termodinámica.
Los organismos vivos existen en un estado estacionario
dinámico y no se encuentran nunca en equilibrio con su entorno
Las moléculas e iones de un organismo vivo difieren en cuanto a su tipo y concentración de las que se encuentran en su entorno. A pesar de que la composición característica de un organismo varia poco a lo largo del tiempo, la población de moléculas dentro del organismo se encuentra lejos de ser estática. Continuamente se sintetizan y se degradan pequeñas moléculas, macromoléculas y complejos supramoleculares mediante reacciones químicas que necesitan del constante flujo de masa y energía a través del sistema. Las moléculas de hemoglobina que están transportando en este momento oxigeno desde sus pulmones a su cerebro se sintetizaron durante el pasado mes, dentro del próximo mes se habrán degradado y habrán sido reemplazadas completamente por nuevas moléculas de hemoglobina. convertido en otra cosa, quizá dióxido de carbono o grasa, y habrán sido reemplazadas por un aporte fresco de glucosa, de modo que su concentración de glucosa en sangre se mantenga más o menos constante a lo largo del día. La cantidad de hemoglobina y glucosa en sangre permanece prácticamente constante porque la velocidad de síntesis o ingestión de cada una de ella compensa con exactitud la velocidad de su degradación, consumo o conversión en algún otro producto. La constancia en la concentración es el resultado de un estado estacionario dinámico, un estado estacionario que se encuentra lejos del equilibrio. El mantenimiento de este estado estacionario requiere el aporte constante de energía; cuando la célula ya no es capaz de generar energía, muere e inicia su degradación hacia el equilibrio con su entorno. A continuación, veremos qué es lo que se conoce exactamente como “estado estacionario” y “equilibrio”. Para las reacciones química que tienen lugar en solución, podemos definir un sistema como el conjunto de los reactivos y productos presentes, el disolvente que los contiene y la atmósfera circundante o, dicho de otro modo, todo aquello que está incluido en una región definida del espacio. El conjunto del sistema y sus entornos configuran el universo. Si el sistema no intercambia materia ni energía con su entorno, se denomina aislado. Si intercambia energía, pero no materia con su entorno es un sistema cerrado; si intercambia materia y energía, es un sistema abierto. Un organismo vivo es un sistema abierto que intercambia materia y energía con su entorno.
Todas las reacciones que implican un flujo de electrones son reacciones de oxidación-reducación: un reactivo se oxida (pierde electrones) y otro se reduce (gana electrones).
El acoplamiento
energético
conecta las
reacciones
biológicas.
El acoplamiento
energético
conecta las
reacciones
biológicas.
El acoplamiento energético conecta las reacciones biológicas. La cuestión central de la bioenergética (el estudio de las transformaciones energéticas en los seres vivos) es el modo por el cual la energía obtenida de la luz o del metabolismo de los combustibles se acopla a las reacciones celulares que requieren energía. Para comprender el acoplamiento de la
suelo. Si al objeto deslizante se le acopla, mediante un mecanismo de cuerda y polea, un objeto más pequeño, el movimiento espontáneo hacia abajo el más grande puede hacer elevar al más pequeño, realizándose una cierta cantidad de trabajo. La cantidad de energía transformable en trabajo es variación de energía libre, ΔG; este valor
será siempre ligeramente inferior a la cantidad teórica de energía liberada, habida cuenta de que una parte de la energía se disipa en forma de calor de fricción. Cuanto mayor sea la elevación del objeto más La cuestión central de la bioenergética (el estudio de las transformaciones energéticas en los seres vivos) es el modo por el cual la energía obtenida de la luz o del metabolismo de los combustibles se acopla a las reacciones celulares que requieren energía. Para comprender el acoplamiento de la energía es instructivo considerar un ejemplo mecánico simple tal como el mostrado en la figura de a continuación. Un objeto situado en la parte superior de un plano inclinado posee una cierta cantidad de energía potencial como resultado de su elevación. Tiende a deslizarse por el plano, perdiendo progresivamente su energía potencial al acercarse al suelo. Si al objeto deslizante se le acopla, mediante un mecanismo de cuerda y polea, un objeto más pequeño, el movimiento espontáneo hacia abajo el más grande puede hacer elevar al más pequeño, realizándose una cierta cantidad de trabajo.
del suelo mediante un proceso de también consumió energía. grande, mayor será la cantidad de trabajo que puede realizar. El objeto más grande puede elevar al más pequeño sólo porque en el inicio, el objeto mayor se hallaba lejos de su posición de equilibrio: en algún momento anterior había sido elevado por encima del suelo mediante un proceso de también consumió energía. n los organismos vivos del mismo modo que ocurre en el ejemplo mecánico de la figura (a), una reacción exergónica se puede acoplar a una reacción endergónica para hacer posibles ciertas reacciones que de otro modo serían desfavorables. En la figura, en la parte b ilustra este principio para el caso de la conversión de glucosa en glucosa 6-fosfato, el primer paso en la ruta de la oxidación de glucosa. El camino más simple para producir glucosa-6-fosfato sería: Reacción 1: Glucosa + Pi Glucosa 6-fosfato (endergónica; ΔG1 es positiva) (Aquí Pi es la abreviatura para el fosfato inorgánico HPO42- ) Esta reacción no ocurre espontáneamente porque ΔG1 es positiva. Una segunda reacción muy exergónica puede tener lugar en todas las células: Reacción 2: ATP ADP + Pi (exergónica; ΔG2 es negativa). Estas dos reacciones comparten un intermediario común, Pi, que se consume en la reacción 1 y se produce en la reacción 2. Las dos reacciones pueden, por tanto, acoplarse en la forma de una tercera reacción que se puede escribir como la suma de las reacciones 1 y 2, omitiendo el intermediario común, Pi, de los dos lados de la ecuación:
Reacción 3: Glucosa + ATP Glucosa 6-fosfato + ADP
Puesto que se libera más energía en la reacción 2 que la consumida en la reacción 1, la variación de energía libre en la reacción 3, ΔG3, es negativa, lo que hace posible que la síntesis de glucosa 6-fosfato transcurra a través de la reacción 3. El acoplamiento de reacciones exergónicas y endergónicas a través de un intermediario compartido es absolutamente básico para los intercambios energéticos en los sistemas vivos. Tal como veremos, las reacciones de hidrólisis del ATP liberan energía que hace posible muchos procesos endergónicos en las células. La hidrólisis del ATP en las células es exergónica porque todas las células vivas mantienen la concentración de ATP muy lejos de su concentración en el equilibrio. En precisamente este desequilibrio el que permite que el ATP sirva como el principal portador de energía química en las células El acoplamiento de reacciones exergónicas y endergónicas a través de un intermediario compartido es absolutamente básico para los intercambios energéticos en los sistemas vivos. Tal como veremos, las reacciones de hidrólisis del ATP liberan energía que hace posible muchos procesos endergónicos en las células. La hidrólisis del ATP en las células es exergónica porque todas las células vivas mantienen la concentración de ATP muy lejos de su concentración en el equilibrio. En precisamente este desequilibrio el que permite que el ATP sirva como el principal portador de energía química en las células Keq y ΔGº miden la tendencia de una reacción a transcurrir espontáneamente.
La tendencia de una reacción química a llegar a su final puede
expresarse en forma de una constante de equilibrio. Para la reacción
en la que a moles de A reaccionan con b moles de B para dar c moles
de C y d moles de D
El metabolismo es la suma de muchas secuencias de reacciones interconectadas en las que no interconvierten en metabolitos celulares. Cada secuencia está regulada de manera que produzca lo que la célula necesita en cada momento y consuma sólo la energía necesaria para ello.
