Introducción a la Bioquímica

Introducción a la Bioquímica: Átomos y Bioelementos

  • Materia Viva y Bioelementos

    • Definición de bioelementos: Son los elementos químicos que forman parte de los seres vivos.

    • Clasificación de los bioelementos:

    1. Bioelementos Primarios:

      • Representan el 99% de la masa de las células.

      • Se caracterizan por su baja masa atómica, su capacidad para formar enlaces covalentes estables y la versatilidad del carbono para formar esqueletos complejos.

      • Compuestos por:

        • Carbono (C): Esencial para la formación de esqueletos de biomoléculas orgánicas.

        • Hidrógeno (H): Presente en todas las moléculas orgánicas y en el agua.

        • Oxígeno (O): Parte del agua y de muchas moléculas orgánicas, fundamental en la respiración celular.

        • Nitrógeno (N): Componente clave de proteínas y ácidos nucleicos.

      • En menores proporciones:

        • Fósforo (P): Esencial en ácidos nucleicos (ADN, ARN) como parte del esqueleto fosfodiéster, y en moléculas energéticas como el ATP.

        • Azufre (S): Presente en algunas proteínas (como en los aminoácidos cisteína y metionina) y en coenzimas.

    2. Bioelementos Secundarios:

      • Se encuentran en cantidades inferiores, a veces por debajo del 0.1%.

      • Generalmente en forma iónica y desempeñan funciones vitales como reguladores metabólicos y estructurales.

      • Ejemplos incluyen:

        • Sodio (Na): Implicado en el equilibrio hídrico y la transmisión de impulsos nerviosos.

        • Litio (Li): Asociado a funciones neuronales.

        • Calcio (Ca): Componente de huesos y dientes, fundamental en la contracción muscular y la coagulación sanguínea.

        • Potasio (K): Importante en la transmisión de impulsos nerviosos y el equilibrio de fluidos.

        • Magnesio (Mg): Co-factor enzimático y componente de la clorofila.

        • Cloro (Cl): Mantiene el equilibrio osmótico y forma parte del jugo gástrico.

    3. Oligoelementos:

      • Aparecen en cantidades inferiores al 0.1%, pero son fundamentales para el correcto funcionamiento de los seres vivos.

      • Actúan a menudo como cofactores enzimáticos o componentes de estructuras esenciales.

      • Ejemplos incluyen: Hierro (Fe), Cobre (Cu), Zinc (Zn), Yodo (I), Manganeso (Mn), Selenio (Se), Flúor (F).

  • Biomoléculas:

    • Combinación de bioelementos que da lugar a biomoléculas, los bloques de construcción de los seres vivos.

    • Clasificación de las biomoléculas:

    1. Biomoléculas Inorgánicas:

      • Química sencilla; presentes en la materia viva y en el medio inerte (ej. agua, sales minerales, gases).

      • Son esenciales para el mantenimiento de la vida pero no son exclusivas de los seres vivos.

    2. Biomoléculas Orgánicas:

      • Exclusivas de la materia viva; formadas principalmente por cadenas hidrocarbonadas (esqueleto de carbono).

      • Poseen diversas funciones estructurales, energéticas, reguladoras y de almacenamiento de información.

      • Ejemplos incluyen:

        • Glucosas (Carbohidratos): Fuente principal de energía.

        • Proteínas: Cumplen funciones estructurales, enzimáticas, de transporte y defensa.

        • Lípidos: Almacenamiento de energía, componentes de membranas, y señalización celular.

        • Ácidos Nucleicos (ADN y ARN): Almacenan y expresan la información genética.

Agua (H₂O) como Biomolécula Inorgánica

  • Definición de Agua:

    • Compuesto formado por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por enlaces covalentes polares.

  • Estados del Agua:

    • Gaseoso (vapor de agua)

    • Líquido (agua)

    • Sólido (hielo)

  • Distribución de Agua en la Tierra:

    • Cubre el 70% de la superficie terrestre.

    • Aproximadamente el 97% es agua salada; el 2.5% es dulce, de la cual la mayor parte está en glaciares y acuíferos profundos.

  • Importancia del Agua:

    • Necesidad básica humana para la supervivencia y el bienestar.

    • Papel central en la geofísica, geoquímica y en la biosfera, modulando el clima y la hidrología terrestre.

    • Los primeros organismos vivieron en medios acuosos, y el agua sigue siendo el medio donde ocurren la mayoría de las reacciones biológicas.

Funciones del Agua en Organismos Vivos

  • Actuación del Agua:

    • Disolvente:

    • Conocido como el disolvente universal debido a su polaridad. Disuelve compuestos polares (como sales iónicas, azúcares, y aminoácidos) formando puentes de hidrógeno o rodeando iones con esferas de hidratación.

    • Reactivo:

    • Participa activamente en muchas reacciones químicas vitales.

    • Ejemplo:

      • Hidrólisis: Una molécula de agua rompe enlaces químicos. Por ejemplo, la hidrólisis de sacarosa en glucosa y fructosa:
        sacarosa+agua⟶glucosa+fructosa\text{sacarosa} + \text{agua} \longrightarrow \text{glucosa} + \text{fructosa}

      • En síntesis por deshidratación: Durante la formación de enlaces entre moléculas (ej. péptidos, polisacáridos), se libera una molécula de agua.
        aminoaˊcido+aminoaˊcido⟶dipeˊptido+agua\text{aminoácido} + \text{aminoácido} \longrightarrow \text{dipéptido} + \text{agua}

    • Catalizador:

    • Aunque no es un catalizador en sí, su presencia es fundamental para que muchas enzimas funcionen eficientemente, facilitando el acceso de los sustratos a los sitios activos.

    • Actúa como anfótero en reacciones ácido-base, aceptando o cediendo protones.

    • Chaperona:

    • Mediante la formación de enlaces de hidrógeno, el agua ayuda a que las proteínas se plieguen correctamente y mantengan su estructura tridimensional funcional, evitando la agregación.

    • Mensajero:

    • Participa en la transmisión de señales intracelulares y entre células, regulando el volumen celular y activando rutas de señalización al influir en la conformación de proteínas de membrana.

    • Controlador:

    • Regula procesos biológicos esenciales como:

      • La temperatura corporal (alto calor específico y de vaporización).

      • El pH (por su baja ionización y capacidad anfótera).

      • La presión osmótica (debido a su función como disolvente y capacidad de movimiento a través de membranas).

Reacciones Químicas Relacionadas con el Agua

  • Fotosíntesis:

    • Proceso anabólico donde las plantas y otros organismos transforman la energía lumínica en energía química, utilizando agua y dióxido de carbono.

    • 6H<em>2O+6CO</em>2+energıˊa solar⟶C<em>6H</em>12O<em>6+6O</em>26\text{H}<em>2\text{O} + 6\text{CO}</em>2 + \text{energía solar} \longrightarrow \text{C}<em>6\text{H}</em>{12}\text{O}<em>6 + 6\text{O}</em>2

  • Respiración Celular:

    • Proceso catabólico donde la glucosa se descompone en presencia de oxígeno para producir energía, liberando agua y dióxido de carbono.

    • C<em>6H</em>12O<em>6+6O</em>2⟶energıˊa+6H<em>2O+6CO</em>2\text{C}<em>6\text{H}</em>{12}\text{O}<em>6 + 6\text{O}</em>2 \longrightarrow \text{energía} + 6\text{H}<em>2\text{O} + 6\text{CO}</em>2

  • Ambas reacciones son inversas y forman un ciclo fundamental para la vida en la Tierra.

Osmosis

  • Definición de Osmosis:

    • Proceso físico mediante el cual las moléculas de agua se mueven a través de una membrana semipermeable, desde una zona de menor concentración de soluto (mayor concentración de agua) a una zona de mayor concentración de soluto (menor concentración de agua), buscando equilibrar las concentraciones.

    • Tipos de soluciones y sus efectos en las células (ej. glóbulos rojos):

    • Solución Isotónica: La concentración de solutos es igual dentro y fuera de la célula; no hay movimiento neto de agua y la célula mantiene su forma normal.

    • Solución Hipotónica: La concentración de solutos es menor fuera que dentro de la célula; el agua se mueve hacia el interior de la célula, causando que se hinche y pueda lisarse (romperse).

    • Solución Hipertónica: La concentración de solutos es mayor fuera que dentro de la célula; el agua sale de la célula, causando que se encoja (crenación).

Equilibrio de Agua y Electrolitos

  • En condiciones normales de reposo, el contenido del agua corporal es constante, manteniendo un balance hídrico.

    • Aproximadamente 60% del agua corporal proviene de la ingesta directa de fluidos.

    • 30% de alimentos.

    • 10% del metabolismo celular (agua metabólica).

  • Ingesta diaria recomendada:

    • Aproximadamente 33 mL por kilogramo de peso corporal, aunque varía según la edad, actividad física y clima.

  • Pérdida de Agua:

    • Principalmente por evaporación a través de la piel (transpiración), respiración, excreción renal (orina) e intestinal (heces).

Estructura del Agua

  • Composición Molecular:

    • Una molécula de agua está compuesta por un átomo de oxígeno unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno.

    • La estructura es angular, con un ángulo de enlace H-O-H de aproximadamente 104.5∘104.5^\circ.

  • Polaridad del Agua:

    • El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, lo que significa que atrae los electrones compartidos en los enlaces O-H con más fuerza.

    • Esto crea una carga parcial negativa (δ−\delta^-) en el átomo de oxígeno y cargas parciales positivas (\delta^+}) en los átomos de hidrógeno.

    • Esta distribución desigual de cargas convierte al agua en una molécula dipolar.

Puentes de Hidrógeno

  • Definición:

    • Los puentes de hidrógeno son interacciones químicas débiles de tipo dipolo-dipolo que se forman entre un átomo de hidrógeno (con carga parcial positiva) unido covalentemente a un átomo electronegativo (O, N o F) y otro átomo electronegativo de una molécula adyacente.

  • Importancia:

    • Son esenciales para muchas de las propiedades únicas del agua y para la estabilidad estructural de biomoléculas como el ADN (manteniendo la doble hélice), las proteínas (estructuras secundaria y terciaria), y los polisacáridos.

    • Cada molécula de agua puede formar hasta cuatro puentes de hidrógeno con moléculas vecinas, lo que le confiere una estructura reticular en estado líquido y sólido.

    • En el estado líquido, los puentes de hidrógeno se forman y se rompen continuamente, lo que permite la fluidez del agua.

Propiedades Fisicoquímicas del Agua

  1. Cohesión:

    • Es la fuerza de atracción entre moléculas de agua debido a los puentes de hidrógeno.

    • Esta propiedad es responsable de la tensión superficial y contribuye a la capilaridad.

  2. Elevado Calor Específico:

    • El agua puede absorber y liberar grandes cantidades de energía en forma de calor con cambios mínimos en su propia temperatura.

    • Esto se debe a que gran parte de la energía térmica se utiliza para romper los puentes de hidrógeno antes de que la temperatura de las moléculas individuales de agua aumente.

    • Actúa como un amortiguador térmico excelente, ayudando a mantener la temperatura de los organismos y del medio ambiente estable.

  3. Elevado Calor de Vaporización:

    • Se requiere una gran cantidad de energía (540 cal/g a 100∘C100^\circ\text{C}) para convertir el agua líquida en vapor, rompiendo todos los puentes de hidrógeno.

    • Esta propiedad es crucial para la termorregulación en los seres vivos (ej. sudoración en mamíferos, transpiración en plantas), ya que la evaporación disipa eficazmente el calor.

  4. Elevada Constante Dieléctrica:

    • El agua tiene una alta constante dieléctrica que reduce la fuerza de atracción entre iones, permitiendo que las sustancias iónicas se disuelvan fácilmente.

    • Esto facilita su función como solvente universal y el transporte de sustancias en los sistemas biológicos.

  5. Adhesión:

    • Es la capacidad del agua para formar enlaces de hidrógeno con otras superficies polares (paredes de recipientes, capilares).

    • Junto con la cohesión, la adhesión es fundamental para el fenómeno de la capilaridad, como el ascenso de la savia en el xilema de las plantas.

  6. Tensión Superficial Elevada:

    • Las fuertes fuerzas de cohesión entre las moléculas de agua en la superficie crean una capa elástica que resiste la penetración, lo que permite que algunos insectos caminen sobre el agua.

  7. Densidad Máxima a 4∘C4^\circ\text{C}:

    • A diferencia de la mayoría de las sustancias, el agua es más densa en estado líquido a 4∘C4^\circ\text{C} que en estado sólido (hielo).

    • Esto se debe a que la formación de puentes de hidrógeno en el hielo crea una estructura cristalina más abierta, lo que lo hace menos denso y le permite flotar.

    • Esta propiedad es vital para la vida acuática, ya que el hielo flotante aísla térmicamente el agua subyacente, evitando que los cuerpos de agua se congelen completamente.

  8. Bajo Grado de Ionización:

    • El agua se ioniza mínimamente en iones hidronio (H3O+\text{H}_3\text{O}^+) y hidroxilo (OH−\text{OH}^-).

    • La constante del producto iónico del agua (KwK_w) es 1.0×10−141.0 \times 10^{-14} a $$25^\circ\text