UNIDAD I. CONCEPTOS BÁSICOS PARA EL ESTUDIO DE LA BIOQUÍMICA

1. ¿Qué es la célula?

Entendemos por ella a una unidad mínima de un organismo capaz de actuar de forma autónoma; absolutamente la totalidad de ellos están formados por células y este es uno de los parámetros que se emplea para catalogar a un organismo, es decir, no se define como tal si no consta al menos de una célula.

Algunos organismos son células únicas, como los microscópicos, protozoos y las bacterias; los animales y plantas se encuentran en la clasificación de “organismos pluricelulares” debido a que cuentan con muchos millones de células las cuales se organizan en órganos y tejidos. Los virus no se consideran seres virus aunque realice muchas funciones propias de la célula viva, lo que ocurre aquí es que éstos carecen de vida independiente, reproducción y capacidad de crecimiento. El conocimiento de este término es fundamental para comprender cómo funciona el cuerpo humano, el por qué envejece, se enferma y se desarrolla.

2. Composición química

En los organismos vivos no hay nada que contradiga las leyes de la química y la física. La química de los seres vivos, objeto de estudio de la bioquímica, está dominada por compuestos de carbono y se caracteriza por reacciones acaecidas en solución acuosa y en un intervalo de temperaturas pequeño. La química de los organismos vivientes es muy compleja, más que la de cualquier otro sistema químico conocido. Está dominada y coordinada por polímeros de gran tamaño, moléculas formadas por encadenamiento de subunidades químicas; las propiedades únicas de estos compuestos permiten a células y organismos crecer y reproducirse. Los tipos principales de macromoléculas son las proteínas, formadas por cadenas lineales de aminoácidos; los ácidos nucleicos, ADN y ARN, formados por bases nucleotídicas, y los polisacáridos, formados por subunidades de azúcares.

3. Células procarióticas y eucarióticas

Entre las células procarióticas y eucarióticas hay diferencias fundamentales en cuanto a tamaño y organización interna. Las procarióticas, que comprenden bacterias y cianobacterias (antes llamadas algas verdeazuladas), son células pequeñas, entre 1 y 5 µm de diámetro, y de estructura sencilla; el material genético (ADN) está concentrado en una región, pero no hay ninguna membrana que separe esta región del resto de la célula. Las células eucarióticas, que forman todos los demás organismos vivos, incluidos protozoos, plantas, hongos y animales, son mucho mayores (entre 10 y 50 µm de longitud) y tienen el material genético envuelto por una membrana que forma un órgano esférico conspicuo llamado núcleo. De hecho, el término eucariótico deriva del griego `núcleo verdadero', mientras que procariótico significa `antes del núcleo'.

Eucariota: célula vegetal

Las células vegetales, así como las animales, presentan un alto grado de organización, con numerosas estructuras internas delimitadas por membranas. La membrana nuclear establece una barrera entre la cromatina (material genético) y el citoplasma. Las mitocondrias, de interior sinuoso, convierten los nutrientes en energía que utiliza la planta. A diferencia de la célula animal, la vegetal contiene cloroplastos, unos orgánulos capaces de sintetizar azúcares a partir de dióxido de carbono, agua y luz solar. Otro rasgo diferenciador es la pared celular, formada por celulosa rígida, y la vacuola única y llena de líquido, muy grande en la célula vegetal.

Eucariota: célula animal

Las estructuras internas de la célula animal están separadas por membranas. Destacan las mitocondrias, orgánulos productores de energía, así como las membranas apiladas del retículo endoplasmático liso (productor de lípidos) y rugoso (productor de proteínas). El aparato de Golgi agrupa las proteínas para exportarlas a través de la membrana plasmática, mientras que los lisosomas contienen enzimas que descomponen algunas de las moléculas que penetran en la célula. La membrana nuclear envuelve el material genético celular.

Procariota: cianobacteria

Las bacterias y otras células procarióticas carecen casi siempre de muchas de las estructuras internas propias de las células eucarióticas. Así, el citoplasma de las procarióticas está rodeado por una membrana plasmática y una pared celular (como en las células vegetales), pero no hay membrana nuclear ni, por tanto, núcleo diferenciado. Las moléculas circulares de ADN están en contacto directo con el citoplasma. Además carecen de mitocondrias, retículo endoplasmático, cloroplastos y aparato de Golgi. Aunque, en general, las células procarióticas carecen de estructuras internas delimitadas por membrana, las cianobacterias, como la ilustrada aquí, sí contienen numerosas membranas llamadas tilacoides, que contienen clorofila y pigmentos fotosintéticos que utilizan para captar la energía de la luz solar y sintetizar azúcares.

4. CLASIFICACIÓN DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS DE INTERÉS BIOLÓGICO

 Los seres vivos están constituidos por agrupaciones de átomos, compuestos sencillos (agua y sales inorgánicas o minerales) o complejos (compuestos orgánicos). Se trata fundamentalmente de los glúcidos, las grasas, las proteínas y los ácidos nucleicos.

LÍPIDOS

Es una palabra muy general que designa a compuestos biológicos de estructura química y funciones muy diversas. Su característica común es que son insolubles en agua y pueden ser extraídos de tejidos de origen vegetal o animal con solventes no polares o de baja polaridad. Usualmente suelen clasificarse en lípidos complejos o saponificables (significa que pueden hidrolizarse para formar jabón) y lípidos simples o insaponificables.

Dentro de los lípidos simples o insaponificables se encuentran los terpenos, los esteroides y las prostaglandinas.

Son terpenos muchos aceites esenciales como el limoneno (esencia de limón), el mentol (esencia de menta) y el alcanfor; también la vitamina A.

HIDRATOS DE CARBONO

El término hidratos de carbono o carbohidratos deriva de la relación entre los

elementos carbono hidrógeno y oxígeno que podría escribirse como Cn(H2O)n. si bien esta fórmula no es correcta químicamente, el nombre se sigue usando. Hidratos de carbono es muy general y abarca tanto a los polisacáridos como a los monosacáridos.  Los polisacáridos son polímeros cuyos monómeros son los monosacáridos. Los monosacáridos son polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas. Los más comunes en la naturaleza son los que tienen 6 átomos de carbono, hexosas; o los que tienen 5 átomos de carbono, pentosas. Existen entonces aldohexosas , aldopentosas , cetohexosas y cetopentosas.

El monosacárido más abundante e importante en la naturaleza es la glucosa, que es una aldohexosa, o sea un polihidroxialdehido de 6 átomos de carbono. La fórmula de la glucosa es la siguiente:

La palabra azúcares se utiliza comúnmente para denominar a los monosacáridos y disacáridos que se encuentran en la naturaleza. Lo que llamamos azúcar, que es el azúcar de caña, la sacarosa, es un disacárido de glucosa y fructosa. Otro disacárido importante es la lactosa o azúcar de la leche.

Cuando son relativamente pocas las unidades de monosacáridos unidas se habla de un oligosacárido, cuando tenemos grandes cadenas es un polisacárido.

Los polisacáridos más abundantes en la naturaleza están formados por glucosa, o sea, son polímeros cuyo monómero es la glucosa. Ellos son la celulosa, el almidón y el glucógeno. 

La celulosa es el polisacárido estructural o de sostén de las plantas. Con la celulosa de los troncos de los arboles se hace el papel. El almidón es el polisacárido de reserva de las plantas, se encuentra en los cereales como trigo y arroz, en las legumbres como porotos y garbanzos, y en los tubérculos como las papas. El glucógeno es el polisacárido de reserva de los animales. Nosotros almacenamos glucosa en forma glucógeno en el hígado, es la primera reserva de energía que utiliza nuestro organismo. 

Los lípidos saponificables se caracterizan porque intervienen en la formación de su estructura ácidos carboxílicos de cadena larga, denominados ácidos grasos. Comprenden los triacilglicéridos, los fosfoglicéridos, los esfingolípidos y las ceras. Los fosfoglicéridos y los esfingolípidos se caracterizan por tener una “cabeza” polar y  “colas” no polares.

Los fosfoglicéridos o fosfolípidos son los componentes principales característicos de las membranas celulares. Los esfingolípidos también son componentes importantes de las membranas celulares y se hallan presentes en gran cantidad en los tejidos nervioso y cerebral. Las ceras son ésteres de ácidos grasos con alcoholes de cadena larga o esteroles (alcoholes con estructura de esteroide), forman cubiertas protectoras en plantas y animales.

PROTEÍNAS

Las proteínas se encuentran en todos los seres vivos. Tienen muy diversas

Funciones:

Estructurales, como las que forman los músculos (actina y miosina), o el tejido conectivo (colágeno y elastina); de reserva (ovoalbúmina); transportadoras de oxígeno (hemoglobina y mioglobina); protectoras en el sistema inmunológico (anticuerpos); enzimas (aceleran las reacciones que ocurren en el organismo); hormonas (insulina) e incluso toxinas (toxina botulínica, veneno de serpiente).

Los monómeros que forman las proteínas son los 2-aminoácidos, α-aminoácidos o vulgarmente aminoácidos.

AMINOÁCIDOS

Los aminoácidos que frecuentemente se encuentran en las proteínas son 20, y de ellos hay 8 que son esenciales para el ser humano, es decir, no los puede sintetizar y debe adquirirlos a través de la dieta. Se encuentran también otros aminoácidos muy poco frecuentes y que son derivados de los aminoácidos corrientes. La inmensa mayoría de  los aminoácidos naturales aislados de proteínas, y todos los de proteínas humanas son de configuración L, es decir, existe uno solo de los enantiómeros en forma natural.

 Las cadenas de las proteínas se van formando por reacción entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente. Recordemos que la reacción entre un ácido y una amina da como producto una amida, por lo tanto las proteínas son poliamidas. Al producirse la reacción se forma agua, por los que las proteínas son un polímero de condensación. La unión entre los aminoácidos es un grupo amida, pero en el caso de las proteínas se denomina unión peptídica.

Cuando se unen dos aminoácidos se denomina dipéptido, si se unen tres aminoácidos tripéptido.

ÁCIDOS NUCLEICOS

El nombre ácidos nucleicos proviene de que fueron descubiertos por primera vez en el núcleo de la célula. Hoy se sabe que se encuentran también en otras partes de la misma, como el citoplasma o las mitocondrias. Los ácidos nucleicos son los responsables del almacenamiento y la transferencia de la información genética.

Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido ribonucléico (ARN o RNA) y el ácido desoxirribonucléico (ADN o DNA). Ambos son polímeros con una estructura básica similar. En sus cadenas existen unidades de un azúcar, que es una aldopentosa, unidas por ácido fosfórico que forma una unión éster con cada pentosa. Más adelante desarrollaremos con detalle esta estructura. En el ácido ribonucleico ese azúcar es la ribosa y en el ácido desoxirribonucleico ese azúcar es la 2-desoxirribosa  (una ribosa que no tiene hidroxilo en el carbono 2).

Además unidas al carbono 1 de la pentosa, que se encuentra en la forma β, se encuentran cuatro bases nitrogenadas distintas. En el ADN esas bases son adenina (A), citosina (C) guanina (G) y timina (T). En el ARN, en lugar de timina se encuentra uracilo (U). La secuencia de estas bases nitrogenadas forma el código que transmite la información genética.

5. EQUILIBRIO ÁCIDO-BÁSICO

La concentración de hidrogeniones (H⁺) en los líquidos del organismo es una de las variables biológicas más estrechamente controladas. Esto se debe a que la producción de estos iones por el metabolismo es cuantiosa, a la par que cambios relativamente pequeños en su concentración pueden producir trastornos graves en múltiples órganos y enzimas : un aumento en la concentración de H⁺ que se traduzca por una caída del pH por bajo de 7,20produce depresión del SNC, disminución de la contractilidad cardíaca, disminución de la respuesta inotrópica miocárdica a catecolaminas, hiperkalemia, arritmias, etc. y si cae a 6,9 es incompatible con la vida. Un pH sobre 7,55 causa serios trastornos y sobre 7,8 lleva a la muerte.

El equilibrio ácido-básico es un proceso complejo en el cual participan múltiples órganos para mantener relativamente constantes una serie de balances interrelacionados, tales como: pH, equilibrio eléctrico, equilibrio osmótico y volemia. Si se producen cambios en alguno de estos elementos, la respuesta del organismo será tratar de volverlos a sus límites normales, afectando en un mínimo a otros equilibrios.

CONCEPTO DE ACIDO

Supongamos que tenemos una solución acuosa de HCl. Además del agua, existirán en ella tres tipos de partículas: iones hidrógeno o protones, iones cloruro y moléculas de HCl, que se encuentran en equilibrio según la siguiente ecuación:

HCl		H+	+	Cl-
ACIDO		HIDROGENION		BASE CONJUGADA

Analizando esta ecuación de izquierda a derecha, se puede constatar la característica definitoria de ácido, cual es la de entregar hidrogeniones a la solución en que se encuentra. En cambio, si se revierte ecuación de derecha a izquierda, se puede apreciar si el cloro vuelve a unirse con los hidrogeniones se forma nuevamente ácido clorhídrico. Por esta capacidad de captar hidrogeniones el cloro cae bajo la definición de base, o sea, de una sustancia que capta hidrogeniones de la solución para formar un ácido. 

MANTENIMIENTO DEL EQUILIBRIO ACIDO-BASE

En condiciones normales, la producción y eliminación de hidrogeniones están muy equilibradas, de manera que el pH se mantiene casi constante. Aunque la producción de H⁺aumente marcadamente, como sucede en el ejercicio, el organismo logra mantener una concentración de hidrogeniones relativamente estable gracias a la existencia de mecanismos tampones y a la acción reguladora del aparato respiratorio y del riñón. 

ROL DEL APARATO RESPIRATORIO

El aparato respiratorio dispone de sensores exquisitamente sensibles a las variaciones de pH. Su estimulación por un aumento de la concentración de hidrogeniones, como ocurre por la producción de ácido láctico en el ejercicio, determina un incremento de la ventilación que elimina una mayor cantidad de CO₂, lo que tiende a mantener constante el pH. A la inversa, una caída de la concentración de hidrogeniones deja de estimular la ventilación. Lo valioso de este mecanismo en su rapidez , pero es limitado porque la ventilación tiene también   otras exigencias que cumplir.

ROL DEL RIÑON

El riñón participa en la regulación del equilibrio ácido básico por dos mecanismos principales. Por una parte, es capaz de regular la cantidad de bicarbonato urinario, ya que puede excretar los excesos de este ion o reabsorber el bicarbonato filtrado. Por otra parte, el riñón es capaz de excretar hidrogeniones en la forma de H₃PO₄ o de NH4⁺. Durante este proceso se genera nuevo bicarbonato, lo que hace posible el reemplazo de aquel que se consumió al tamponar los ácidos fijos. La acidemia tiende a aumentar la excreción urinaria de hidrogeniones y la retención de bicarbonato, mientras que la alcalemia tiene los efectos contrarios. Estas funciones compensatorias son lentas, ya que demoran entre 12 y 72 horas en alcanzar su máxima eficiencia. Por lo tanto, el riñón participa en la mantención del equilibrio ácido-básico a largo plazo.

6. IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA BIOQUÍMICA

La bioquímica es la ciencia que estudia los componentes químicos de los seres vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleídos, además de otras pequeñas moléculas presentes en las células. La bioquímica se basa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono y en general las moléculas biológicas están compuestas principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre.

La Bioquímica constituye la vía para el entendimiento de estados patológicos y la base de aplicación de una terapia eficaz (desde la modificación del pH en fluidos hasta enfermedades tales del tipo hereditaria, somática, de etiología exógena y neurológica).

Gracias a este gran aporte por parte de la Bioquímica, la medicina ha podido tener un entendimiento completo sobre algunas enfermedades, e incluso prevenir algunos defectos como malformaciones en el feto, dar quimioterapias, detectar bacterias y virus, y aplicar terapia génica, solo por mencionar algunas.

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