primera unidad
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PRESENTACIÓN DEL CURSO
Esta es una materia de formación básica particular obligatoria de importancia relevante para los estudiantes de las carreras relacionadas con las ciencias de la vida, en las que se estudian los principios básicos de la estructura molecular y el metabolismo de las diferentes biomoléculas componentes fundamentales de la materia viva.
OBJETIVO GENERAL
Que el estudiante mediante el estudio de la bioquímica identifique y valore la importancia de las biomoléculas en las diversas vías metabólicas y funciones de los organismos vivos.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Que el estudiante:
c) Conozca la estructura molecular de las diferentes biomoléculas como base para la comprensión e interpretación de su importancia en los mecanismos de secuencia de reacción, dirección, regulación e integración de los procesos metabólicos.
d) Relacione la actividad de las biomoléculas en los procesos metabólicos y su regulación metabólica con la función biológica normal de los organismos.
ENSEÑANZA – APRENDIZAJE
En un curso teórico practico como el presente, la transmisión del contenido de la materia, es responsabilidad del profesor, del alumno y de la literatura de consulta, así como de los materiales apropiadamente programados y la transmisión del método de la materia al laboratorio o al trabajo de campo.
Se propone la idea de unificar el aula, el laboratorio y el campo, creando un curso con auxiliares didácticos bajo el siguiente esquema: consultas bibliograficas-lectura-investigación-discusión grupal; exposición-discusión grupal-equipos de trabajo; ejercicios-resúmenes-practicas de laboratorio; resolución de cuestionarios guía.
CARACTERISTÍCAS DE LA APLICACIÓN PROFESIONAL DE LA MATERIA
Materia básica común relevante para Médicos, Veterinarios, Biólogos, Agrónomos e Ingenieros Bioquímicos.
Se aplica en nutrición, abordando el campo relacionado con la calidad y asimilación de los alimentos
Su aplicación incluye también áreas clínicas y biotecnológicas.
UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN
DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LA BIOQUÍMICA
La Bioquímica describe la estructura, organización y función de la materia viva en términos moleculares; tiene como objetivo el conocimiento de la materia viva y busca establecer las leyes que rigen los procesos vitales a nivel molecular para regularlos y posteriormente reproducirlos en condiciones artificiales. “El estudio del metabolismo”
En búsqueda de respuestas los Bioquímicos se han planteado una serie de preguntas:
Que estructuras químicas componen la materia viva?
De que forma estos componentes interactúan para dar origen a estructuras supramoleculares; organizadas en células, órganos y organismos?
Como extrae la materia viva energía de su entorno para mantener su existencia?
De que manera se almacena y se trasmite la infamación un organismo?
Que cambios químicos acompañan la reproducción, el envejecimiento y la muerte de células y organismos?
Como se controlan las reacciones químicas en el interior de las células vivas?
DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LA BIOQUÍMICA
DIVISIÓN DE LA BIOQUÍMICA
Química estructural de los componentes de la materia viva y la relación de la función biológica con la estructura química.
El metabolismo, la totalidad de reacciones químicas que ocurren en la materia viva.
Genética molecular: química de los procesos y las sustancias que almacenan y transmiten la información biológica. Esta área pretende conocer la herencia y la expresión de la información genética en términos moleculares.
ÁREAS DE LA BIOQUÍMICA
Bioquímica cuantitativa : responde la pregunta: ¿ de que están hechos los organismos y cuanto hay de cada componente?
Bioquímica dinámica: ¿en que procesos y en que transformaciones químicas participan los componentes encontrados en un determinado microorganismo?
Bioquímica Funcional: ¿cómo las transformaciones y reacciones químicas se traducen en funciones?
CARACTERÍSTICAS QUE IDENTIFICAN A LA MATERIA VIVA
1) Su complejidad y alto grado de organización
2) Poseen estructuras internas intrincadas que poseen moléculas complejas.
3) Se presentan en una gran variedad de diferentes especies.
4) Cada componente de la materia viva cumple propósitos específicos (lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc).
5) Presentan la capacidad de extraer y transformar la energía de su entorno a partir de materias primas sencillas y de emplearla para edificar y mantener sus propias e intrincadas estructuras y realizar otras formas de trabajo útil como, esfuerzo mecánico o locomotor.
6) Tiene la capacidad de producir una replica exacta de sí mismos
DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LA BIOQUÍMICAORIGENES DE LA BIOQUÍMICA
A principios del siglo XIX, con los trabajos de F. Wöhler se inicia la Bioquímica como un campo científico diferenciado. Antes de Wöhler se creía que las sustancias orgánicas se podrían formar solamente bajo influencia de la fuerza vital en los cuerpos de plantas y animales.
En 1828 Wöhler demostró que la urea, una sustancia de origen biológico podía ser sintetizada a partir de materiales inorgánicos (cianato de amónico). La síntesis de la urea fue importante para la bioquímica, demostró que un compuesto producido por los organismos biológicos se podría producir en un laboratorio, bajo condiciones controladas, a partir de la materia inanimada.
Wöhler fue además co-descubridor del berilio, titanio y del silicio, así como la síntesis del carburo de calcio, entre otros. Los descubrimientos de Wöhler's tuvieron gran influencia en la teoría de la química.
FRIEDRICH WÖHLER
Las reacciones de la materia viva sólo podían darse en las células vivas por acción de una fuerza vital misteriosa en vez de procesos físicos y químicos.
Eduard y Hans Buchner observaron que los extractos de levaduras destruidas podían llevar a cabo todo el proceso de fermentación del azúcar hasta el etanol.
Este descubrimiento abrió el camino al análisis de las reacciones y de los procesos bioquímicos in vitro.
DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LA BIOQUÍMICAORIGENES DE LA BIOQUÍMICA “VITALISMO”
La glucosa se oxida gradualmente en el ácido piruvico para después dar origen al etanol. Los hermanos Eduard y Hans Buchner extrajeron las enzimas que catalizan la fermentación del alcohol a aprtir de extractos de levadura homogeneizados.
1897 EDUARD Y HANS BUCHNER
DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LA BIOQUÍMICAORIGENES DE LA BIOQUÍMICA “Catalizadores biológicos ”
La naturaleza de la catálisis biológica fue el último refugio de los vitalistas, que sostenían que las enzimas eran demasiado complejas para poder describirlas en términos químicos.
James Batcheller Sumner en 1926 demostró que la proteína ureasa podía cristalizarse como cualquier otro compuesto orgánico.
Aunque las proteínas tienes estructuras grandes y complejas, sólo son compuestos orgánicos y sus estructuras pueden determinarse con los métodos de la química.
JAMES BATCHELLER SUMNER
DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LA BIOQUÍMICAORIGENES DE LA BIOQUÍMICA “Derrumbe del Vitalismo”
La idea del GEN como unidad de información hereditaria, fue propuesta por primera vez a mediados del siglo XIX por Gregor Mendel.
El trabajo de Mendel se convirtió en la fundación para la genética moderna.
En el año 1900, los biólogos celulares se dieron cuenta que los genes deben encontrarse en los cromosomas, que están formados por proteínas y ácidos nucleicos.
DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LA BIOQUÍMICAORIGENES DE LA BIOQUÍMICA “Genética moderna”
Friedrich Miescher
DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LA BIOQUÍMICAORIGENES DE LA BIOQUÍMICA “Aislamiento de Ácidos Nucleicos”
Hasta mediados del siglo XX nadie habia aislados un gen, ni habia determinado su composición química. En 1869 Friedrich Miescher logra aislar los ácidos nucleicos, pero sus estructuras químicas se conocian mal y a comienzos del siglo se pensaba que eran sustancias sencillas que cumplian una función estructural en la célula.
Las proteínas eran lo suficientemente complejas desde el punto de vista estructural como para ser las portadoras de la informacion genética.
DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LA BIOQUÍMICAORIGENES DE LA BIOQUÍMICA “Estructura de la doble hélice del DNA”
J. Watson y F Crick
Uno de los avances mas importantes en la ciencia se produjo con el descubrimiento en 1953, cuando J. Watson y F Crick descubrieron la estructura de la doble hélice del DNA.
Este concepto sugirió la forma en que podía codificarse la información en la estructura de las moléculas y transmitirse inalteradamente de una generación a otra.
DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LA BIOQUÍMICA
La Bioquímica como disciplina y ciencia interdisciplinar
BIOQUÍMICA
Biología Celuar
Génetica
Fisiología
Química Organica
Biofísica
Nutrición
Investigación médica Microbiología
La Bioquímica adquiere fuerza a partir de todas estas disciplinas, y las nutre tambien; se trata de una disciplina realmente interdisciplinar.
Propiedaddes de las biomoléculas
Técnicas físicas para las
propiedades de las biomoléculas
Procesos de la vida a nivel tisular y de organismos
División bioquímica en el interior de la célula
Mecanismo de identidad bioquímica
Metabolismo y mantenimiento de la salud
DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LA BIOQUÍMICA
La Bioquímica como disciplina y ciencia interdisciplinar
La química orgánica, que describe las propiedades de las biomoléculas.
Biofísica, que aplica las técnicas de la física al estudio de la estructura de las biomoléculas.
La investigación médica, que intenta conocer cada vez más los estados patológicos en términos moleculares.
La nutrición, que ha aclarado el metabolismo mediante la descripción de las necesidades alimentarías para el mantenimiento de la salud.
La microbiología, que ha demostrado que los organismos unicelulares y los virus son apropiados para la determinación de muchas rutas metabólicas.
La fisiología, que investiga los procesos de la vida a nivel tisular y del organismo.
Biología celular, que describe la división bioquímica del trabajo en el interior de la célula.
Genética, describe el mecanismo que da a una determinada célula u organismo su identidad bioquímica.
DEFINICIÓN Y APLICACIÓN DE LA BIOQUÍMICA
Aplicaciones de la Bioquímica
La bioquímica es una disciplina de investigación.
Agricultura
Las ciencias médicas
La nutrición
Farmacología y toxicología
15,000 millones
Big-Bang
LA VIDA ES UN FENÓMENO DE LA SEGUNDA GENERACION DE ESTRELLAS.
Primera generación de estrellas/elementos ligeros; Helio e Hidrogeno
Fase temprana
Maduración de las estrellas/millones de años
Reacciones termonucleares
Elementos mas pesados/inestabilidad de los elementos
Origen: Novas y Supernovas
Diseminación de elementos pesados
Condensación y formación de estrellas de segunda generación con sistemas planetarios ricos en elementos pesados
Formación de la tierra primitiva, Atmósfera reductora secundaria, Síntesis de moléculas orgánicas, Macromoléculas, Origen de las formas de vida actual.
4 500 millones
COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS ORGANISMOS
La Bioquímica como ciencia Química
Elementos químicos de la materia viva
La vida es un fenómeno de la segunda generación de estrellas.
Universo formado por Hidrógeno y Helio (elementos ligeros producidos durante el “Bing-Bang”.
Reacciones termonucleares que produjeron elementos mas pesados tales como; carbono, nitrógeno y oxigeno.
Inestabilidad de las estrellas grandes, explotan y forman la segunda generación de estrellas, con sistemas planetarios ricos en elementos pesados.
COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS ORGANISMOS
La Bioquímica como ciencia Química Composcición del universo, la corteza terrestre y el cuerpo humano
COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS ORGANISMOS
La Bioquímica como ciencia Química
Elementos químicos de la materia viva
Por que son esenciales los elementos pesados para la vida?
Carbono (C)
Hidrógeno (H)
Oxígeno (O)
Nitrógeno (N)
Dichos elementos son importantes para la vida, debido a la fuerte tendencia a formar enlaces covalentes.
COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS ORGANISMOS
La Bioquímica como ciencia Química
Elementos que se encuentran en los organismos vivos
Primer nivel
Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno y Oxígeno; los mas abundantes en todos los organismos.
Segundo nivel
Calcio (Ca), Cloro (Cl), Magnesio (Mg), Fosfóro (P), Potasio (K), Sodio (Na) y Azufre (S); menos abundantes pero se encuentran en todos los organismos.
Tercer nivel
Cobalto (Co), Cobre (Cu), Hierro (Fe), Manganeso (Mn) y Zinc (Zn).
Cuarto nivel
Aluminio (Al), Arsénico (As), Boro (Br), Cromo (Cr), Flúor (F), Galio (Ga), Yodo (I), Molibdeno (Mo), Níquel (Ni), Selenio (Se), Sílice (Si), Tungsteno (W) y Vanadio (V).
Los elementos del tercer y cuarto nivel son en su mayoría metales que actúan como colaboradores de las catálisis de las reacciones bioquímicas.
COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS ORGANISMOS
La Bioquímica como ciencia Biológica
EL ESCENARIO DE ACCIÓN: LA CÉLULA
Ingeniería Bioquímica Moderna
Estudia al ente biológico, es decir a la célula viva o sus componentes que se utilizan en los diferentes procesos, a través de una descripción cuantitativa de las relaciones cinéticas, estequiométricas y termodinámicas que rigen el crecimiento celular, el consumo de nutrimentos, la generación y transformación de productos, las dinámicas poblacionales y demás transformaciones características de los procesos celulares. Así mismo, estudia tanto al entorno fisicoquímico donde el ente biológico se desarrolla, como a los fenómenos de transporte mediante los cuales se determinan diversas variables fisicoquímicas que afectarán el desempeño del ente biológico.
QUE ESTUDIA LA INGENIERÍA BIOQUÍMICA (IBI)
Estudia los procesos de materiales de origen biológico (microorganismos, células o sus partes) para generar bienes o servicios; cuya aplicación de principios físicos y químicos logra la comprensión cuantitativa de las transformaciones biológicas. Diseño y operación de bioprocesos eficientes y reproducibles.
¿QUE HACE UN INGENIERO BIOQUÍMICO?
PRINCIPALES DISCIPLINAS QUE NUTREN Y SUSTENTAN A LA IBI
La IBI también trata con el ente mecánico, es decir, el diseño de equipos, sistemas, materiales y accesorios que contienen e interaccionan con el ente biológico. El ente mecánico determina los fenómenos de transporte, y se necesita para establecer mediciones y acciones de control para operar adecuadamente un bioproceso.
Finalmente, la IBI estudia la interrelación entre las distintas facetas mencionadas para así poder escalar a nivel comercial un bioproceso que cumpla con exigencias tanto técnicas como económicas y de seguridad ambiental y humana.
Todas las fases se encuentran estrechamente relacionadas entre sí y es necesario integrarlas durante el desarrollo de un bioproceso.
Ámbitos de estudio de la IBI
2000 J. Craig Venter y sus colegas publican la secuencia completa del genoma de Drosophila melanogaster.
2000 André Rosenthal y Yoshiyuki Sakaki, quienes encabezan el Proyecto del Genoma Humano, mapean la secuencia completa del cromosoma 21, el más pequeño de los cromosomas humanos.
2000 Arvid Carlsson, Paul Greengard y Eric Kandel reciben el premio Nobel por sus descubrimientos sobre la transducción de señales en el sistema nervioso y en especial por la caracterización de la transmisión sináptica lenta y la memoria de corto plazo a través de fosforilación y defosforilación de proteínas.
1885 Oscar Hertwig y Eduard Strasburger desarrollan la idea de que en el núcleo se localiza la base de la herencia.
1855 Claude Bernard aísla glucógeno del hígado, muestra que se convierte en glucosa y descubre el proceso de gluconeogénesis.
1815 Jean-Baptiste Biot descubre la actividad óptica de poseen algunos compuestos orgánicos.
1810 Louis Joseph Gay-Lussac deduce la ecuación de la fermentación alcohólica.
NIVELES DE ESTUDIO EN BIOQUÍMICA
•Estudios con un animal entero
•Estudios de órganos aislados
•Estudios con cultivos de tejido y células
•Estudios con organelos celulares
•Estudios Moleculares