LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA
Introducción
La Bioquímica explica las estructuras y
las funciones de los seres vivos, así como su estructura, cómo interaccionan y
su función biológica.
La Química Orgánica, conocida como la
Química del Carbono y de sus compuestos, constituye la base de la química de
los seres vivos. Hay que conocer bien
los elementos que componen a los seres vivos como el agua y el oxígeno y las
características que definen un sistema biológico
FUNDAMENTOS QUÍMICOS
La Materia está constituida por átomos.
La unidad fundamental de la materia es el
átomo, constituido a su vez por subpartículas: protón, neutrón y electrón.
Los átomos contienen el mismo número de
protones que de electrones. También
existen átomos cargados llamados iones; si pierden electrones, los átomos
tendrán carga positiva y formarán cationes, si los ganan, tendrán cargas
negativas y constituirán aniones.
Toda la masa se concentra en el núcleo,
donde se localizan los neutrones y los protones. Los electrones se encuentran en los orbitales
atómicos.
Los elementos químicos están formados por
cierto números de protones presentes en el núcleo (número atómico Z), un mismo
elemento puede variar en su número de neutrones, lo que determina la existencia
de isótopos, se diferencian en su masa.
Los Orbitales atómicos quedan definidos por los números cuánticos
Los electrones se localizan en los
orbitales, este queda definido por un conjunto de tres números, denominados
números cuánticos:
1. Número
Cuántico Principal (representado por la letra n), describe el tamaño y la
energía del orbital, existen orbitales 1, 2, 3…
2. Número
Cuántico Azimutal (l), define la forma geométrica del orbital, se representa
con las letras s, p, d y f.
3. Número
Cuántico Magnético (m1), define la orientación en el espacio.
Los números atómicos definen los orbitales
respecto a su energía, tamaño, forma y orientación.
Los electrones ocupan los niveles de
energía más bajos, aunque ocupan subniveles separados, según el principio de
máxima multiplicidad. Para esto es
necesario un cuarto número que permita identificar dos mismos electrones en un
mismo orbital: el número spin, éste refleja el movimiento de los electrones.
En lugar de dibujar los orbitales
atómicos, se utiliza una forma simplificada, la configuración electrónica a
modo de cajas, que se irán llenando de acuerdo al número de electrones.
¿Qué determina el orden de los elementos en la tabla periódica?
El orden de los elementos en la tabla
periódica se determina por dos ejes: uno, por periodos y otro por grupos. Se ordenan en un periodo según aumentan en su
número de protones, el último elemento de cada periodo tiene completo su último
nivel de energía y se denomina gas noble.
Los elementos se combinan y forman moléculas
Un elemento es estable cuando sus orbitales
estén completos. Los átomos tienden a
disociarse cuando forman moléculas. La
unión de estos se establece mediante enlaces químicos. Las moléculas que están constituidas por
diferentes elementos se llaman compuestos.
La mayoría de las reacciones químicas proceden de la formación y ruptura
de enlaces químicos.
La configuración electrónica determina la
reactividad de los elementos, es la distribución específica de los electrones
dentro de una molécula. Los electrones
de valencia son los que participan en las reacciones químicas.
La regla del octeto se basa en el
comportamiento de los gases nobles, éstos tienen poca tendencia a reaccionar
químicamente por tener completa su última capa (de los electrones de valencia),
ésta regla fue postulada por Lewis.
La electronegatividad es la tendencia que
tienen los átomos de atraer hacia sí el par de electrones compartido.
El enlace covalente se da cuando dos
elementos comparten sus electrones de valencia hasta completar su última capa,
durante la reacción los átomos poseen una elevada electronegatividad; éste tipo
de enlace se da en las moléculas biológicas.
De la combinación de dos orbitales atómicos surge un orbital molecular,
se conoce como orbital enlazante.
Orbitales híbridos. La tetravalencia
del carbono
Elementos del segundo periodo (ej.
Carbono, Nitrógeno y Oxígeno) los orbitales s y p interaccionan formando
orbitales híbridos, consiguen que los elementos formen mayores enlaces,
mantienen mayor distancia entre ellos para minimizar la fuerza de repulsión.
Enlace covalente coordinado o dativo
Para este tipo de enlace el
átomo tiene que tener un par de electrones sin enlace, es decir, un par
solitario en su nivel más extremo y el otro debe disponer de un orbital vacío.
Polaridad y enlaces polares
En este enlace el átomo más
electronegativo presenta mayor densidad de carga negativa, mientras que el otro
tiene una densidad de carga positiva, el resultado es la formación de un
dipolo.
Los grupos funcionales determinan las interacciones entre biomoléculas
Las posibilidades que tiene el átomo de
carbono para formar moléculas diferentes se da por la capacidad de formar
cuatro enlaces con ángulos muy abiertos, ya que son enlaces covalentes no polares
son muy estables. Una biomolécula debe
estar en constante cambio, para formar asociaciones entre ellas o con el agua.
Los elementos importantes en la
reactividad de las biomoléculas son el oxígeno y el nitrógeno, átomos
electronegativos. En dichas biomoléculas
se presentan los grupos funcionales, éstos tienen naturaleza determinante en el
funcionamiento de la biomolécula para la formación de biopolímeros.
Las interacciones débiles determinan la función de la molécula
Todo proceso biológico se produce por las interacciones
entre moléculas, estas interaccionan para comenzar una acción y posteriormente
separarse. Las interacciones débiles suelen ser de
naturaleza electrostática, incluyen los puentes de hidrógeno, los puentes
salinos y las fuerzas de van der Waals; así como de naturaleza hidrofóbica.
Puente de Hidrógeno
Esta interacción es relativamente fuerte,
es común entre moléculas polares en medio acuoso, responsables de las uniones
débiles del agua. Para que se forme es
necesaria la presencia de un átomo de hidrógeno unido a un átomo
electronegativo.
Enlace Iónico o Puente Salino
En la célula los iones van a establecer
interacciones de tipo electrostático o Puente Salino.
Aquellos grupos funcionales que se
comportan como ácidos o bases van a presentar una carga real, lo que les
convierte en un ion. Estos en solución
acuosa pueden atraerse o repelerse según su carga, esta interacción se
considera débil. Debido a la capacidad
que tiene un pacido de ceder o captar protones depende de la concentración de H.
Fuerzas de van der Waals
Son interacciones débiles que mantienen
unidos temporalmente átomos o moléculas no polares, también son de tipo carga –
carga. Son dipolos temporales, los
cuales se están formando entre moléculas en solución.
Interacción Hidrofóbica
Las fuerzas hidrofobias no presentan naturaleza electrostática, sólo se darán
entre moléculas no polares. La fuera que
mantiene unidas a las moléculas apolares se basa en la tendencia de expulsar el
agua de su entorno. Ejemplo: membranas
lipídicas de las células y organelos.
EL AGUA COMO PRINCIPAL DISOLVENTE BIOLÓGICO
La molécula de agua es un dipolo
El agua es el principal disolvente
biológico. Su molécula tiene la
característica de comportarse como un dipolo, las interacciones débiles que
establece una molécula con las de su alrededor se realiza mediante puentes de
hidrógeno, gracias a este tipo de interacción se van a disolver muchas
moléculas biológicas.
Química de los ácidos y de las bases
Una base es una sustancia con un par de
electrones disponibles para formar un enlace covalente dativo, mientras que un
ácido es una molécula que existe en un átomo capaz de aceptar un par d
electrones ya que posee un orbital libre.
Sólo unos pocos grupos
funcionales van a comportarse como ácido o base.
El pH y el pKa
La acidez se mide por la concentración de
iones Hidronio, abarca el rango desde 1 molar hasta de 10-14 M. Se decidió convertir estas concentraciones a
la escala logarítmica o escala del pH (del 0 al 14). Se puede definir pH= -log10 H+.
A 25°C el pH del agua pura que contenga
concentraciones iguales de ion hidronio y de ion hidroxilo es 7.
Las soluciones tampón regulan el pH de la célula
La mayoría de las enzimas van a presentar
tipo de grupos ionizables en su centro activo, comprenderá un importante papel
que juega una pequeña fluctuación del pH celular.
Tanto en el medio intracelular como el
extracelular será imprescindible una regulación del pH para que las moléculas operen
de forma óptima. Los tampones son sistemas
acuosos que amortiguan los cambios que se producen en el pH, están constituidos
por un ácido débil y su base conjugada.
Cuando la concentración de ambos es similar entonces tiene gran
capacidad amortiguadora. Según la
ecuación de Henderson – Hasselbalch cuando el valor del pH es igual al valor
del pKa entonces las concentraciones serán iguales. En la célula las sustancias con un pKa
próximo a 7, se consideran buenos tampones.
LAS REACCIONES QUÍMICAS EN LA CÉLULA
Equilibrio de una reacción química
En una reacción química el producto
formado comienza a reaccionar para dar un nuevo reactivo, es decir, la reacción
es reversible, marcha atrás y se dice que alcanza el equilibrio. La mayoría de las reacciones que se dan en la
célula son reversibles.
La velocidad de una reacción se determina
por una constante de velocidad (k) y por la concentración del reactivo.
Los principios de termodinámica ayudan a
predecir si una reacción química se produce espontáneamente o no; si esta es
espontánea se dice que está alejada del equilibrio.
La variable G es una “función de estado”,
por lo que su valor no depende de la vía que utilice para ir al estado inicial
al final. El valor de incremento G
proporciona información de la espontaneidad de la reacción, pero no sobre la
velocidad de la reacción.
Reactividad de las moléculas biológicas
La presencia de grupos funcionales en las
biomoléculas proporciona sitios donde van a unirse a otras o a reaccionar y
transformarse. Los sitios reactivos
pueden ser Nucleófilos o Electrófilos.
ü Centros
Nucleófilos: grupos ricos en electrones o pares solitarios, atacarán a grupos
cargados positivamente.
ü Centros
Electrófilos: tiene atracción por las cargas negativas.
Las reacciones de condensación tiene un
papel importante en la formación de las macromoléculas, estas reacciones van a
ser determinantes en la formación de polímeros.
Otra reacción es aquella en la que se
transfiere electrones de un sustrato a otro, se denominan de oxidación –
reducción o rédox.
En las biomoléculas los procesos de rédox
tienen lugar en los átomos de carbono.
Los niveles de oxidación del carbono se pueden evaluar contando el
número de enlaces que establece el carbono con el hidrógeno o con el oxígeno.
EL CONTEXTO CELULAR
Niveles de organización molecular de la
célula: en el primer nivel los componentes son los monómeros, estos se
asociarán en polímeros para dar el segundo nivel o nivel macromolecular; la
asociación de diferentes macromoléculas formará estructuras o complejos supramoleculares
del tercer nivel. El último nivel es el
celular o los orgánulos celulares. La
organización orgánica es un punto fundamental para comprender el funcionamiento
metabólico del organismo.
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