UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente., ECAPMA. Contenido didáctico del curso Bioquímica Metabólica Elaboró: Jairo Granados., MSc. Biomoléculas y Bioquímica Estructural La bioquímica es la ciencia que estudia los componentes químicos de los seres vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos, además de otras pequeñas moléculas presentes en las células. Esta ciencia, se basa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono y biomoléculas que contienen bioelementos como: Carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre (CHONPS). En general, estudia la base de la vida: las moléculas que componen células y tejidos, lo mismo que biocatalizadores encargados de catalizar las múltiples reacciones químicas ocurridas en digestión, fotosíntesis y respiración, entre otras. Resumiendo lo anterior, la química de la vida tiene como propósito esencial el estudio de la estructura, organización y funciones de la materia viva desde el punto de vista molecular. Para comprender mejor su estudio, se puede dividir en: Bioquímica estructural (BE); Bioquímica metabólica (BM); Biología molecular (BML) La primera (BE) estudia la composición, conformación, configuración y estructura de las moléculas de la materia viva, relacionándolas con su función bioquímica. La bioquímica Metabólica(BM), es una ciencia que estudia los fundamentos moleculares estructurales ,cinéticos y termodinámicos, que rigen el desarrollo de las múltiples reacciones bioquímicas enzimáticas (RBE) que ocurren en los seres vivos. Para ello, utiliza las diversas teorías , principios , leyes y conceptos científicos derivadas de las ciencias básicas (biología, química, física y matemáticas) con el fin de explicar los complejos procesos anabólicos y catabólicos que determinan el metabolismo celular de animales y vegetales. Es de resaltar que la bioquímica también se apoya en conocimientos de otras ramas de la biología como la biofísica, la nutrición, investigación médica o biotecnología entre otros. (Granados,J.,2011) 1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente., ECAPMA. Contenido didáctico del curso Bioquímica Metabólica Elaboró: Jairo Granados., MSc. La bioquímica metabólica es la ciencia que estudia todo lo relacionado con la actividad catalítica en las vías anabólica y catabólica de las diversas biomoléculas que forman parte de la dinámica celular de organismos animales y vegetales presentes en todo tipo de agro ecosistemas; por ende, permite comprender la estructura y cinética de los compuestos que intervienen en las diversas reacciones bioquímicas metabólicas aeróbicas y anaeróbicas. Además, teniendo en cuenta que es una ciencia teórico experimental la cual posee conceptos, leyes, principios y teorías científicas, se constituye en un pilar fundamental para la interpretación significativa de las múltiples reacciones biomoleculares que gobiernan los diferentes procesos exergónicos y endergónicos, enfocados a mantener las funciones vitales de sistemas autótrofos y heterótrofos, los cuales interaccionan permanentemente garantizando la bioactividad de los componentes de nuestro planeta. En consecuencia, la intencionalidad del curso se centra en el estudio de la bioquímica estructural, biotermodinámica , actividad molecular y bioquímica metabólica aplicada, importantes en lo bioactividad de animales y plantas, de tal forma que puedan ser interrrelacionados e incorporados por los estudiantes en su dimensión cognitiva, para lograr un verdadero aprendizaje significativo autónomo de la bioquímica metabólica, como núcleo esencial en la comprensión de eventos y fenómenos primordiales de las ciencias agrícolas, pecuarias y del medio ambiente. El mentefacto mostrado presenta los principales conceptos, principios, leyes , fundamentos y características que están involucrados en el estudio general de la 2 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente., ECAPMA. Contenido didáctico del curso Bioquímica Metabólica Elaboró: Jairo Granados., MSc. bioquímica ;se debe tener en cuenta la siguiente simbología: RBE: Reacciones Bioquímicas Enzimáticas; CE: Carbohidratos estructurales; CNE:Carbohidratos No estructurales; RQI: Reacciones Químicas Inorgánicas; RFF:Reacciones Físicas de Fase (Sólido- Líquido- Vapor). La bioquímica es la ciencia que estudia los componentes químicos de los seres vivos, especialmente las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos, además de otras pequeñas moléculas presentes en las células. Esta ciencia, se basa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono y biomoléculas que contienen bioelementos como: Carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre (CHONPS). En general, estudia la base de la vida: las moléculas que componen células y tejidos, lo mismo que biocatalizadores encargados de catalizar las múltiples reacciones químicas ocurridas en digestión, fotosíntesis y respiración, entre otras. Resumiendo lo anterior, la química de la vida tiene como propósito esencial el estudio de la estructura, organización y funciones de la materia viva desde el punto de vista molecular. Para comprender mejor su estudio, se puede dividir en: Bioquímica estructural (BE); Bioquímica metabólica (BM); Biología molecular (BML) La primera (BE) estudia la composición, conformación, configuración y estructura de las moléculas de la materia viva, relacionándolas con su función bioquímica. La bioquímica Metabólica (BM), es una ciencia que estudia los fundamentos moleculares estructurales ,cinéticos y termodinámicos, que rigen el desarrollo de las múltiples reacciones bioquímicas enzimáticas (RBE) que ocurren en los seres vivos. Para ello, utiliza las diversas teorías , principios , leyes y conceptos científicos derivadas de las ciencias básicas (biología, química, física y matemáticas) con el fin de explicar los complejos procesos anabólicos y catabólicos que determinan el metabolismo celular de animales y vegetales. Es de resaltar que la bioquímica también se apoya en conocimientos de otras ramas de 3 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente., ECAPMA. Contenido didáctico del curso Bioquímica Metabólica Elaboró: Jairo Granados., MSc. la biología como la biofísica, la nutrición, investigación médica o biotecnología entre otros. (Granados,J.,2011) La unidad inicia con una contextualización histórica de la bioquímica metabólica, donde se destaca el aporte conceptual de los principales científicos al desarrollo de esta ciencia ; luego se prosigue con una descripción breve de los denominados ciclos biogeoquímicos de los minerales involucrados en el metabolismo de plantas y animales ;También se contempla la revisión de las propiedades moleculares y funcionales de las principales biomoléculas estructurales tales como : carbohidratos , lípidos , proteínas y hormonas ;la unidad finaliza con el estudio de los principios fundamentales que rigen las múltiples reacciones bioquímicas metabólicas enzimáticas que dinamizan la bioactividad de células animales y vegetales Los Bioelementos Se denominan bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte y tienen bioactividad preponderante en células animales y vegetales ; dichos bioelementos se clasifican en : Mayoritarios , los cuales están presentes en porcentajes superiores al 0,1 % y aparecen en todos los seres vivos. Entre estos se encuentran los primarios :Carbono : C;Hidrógeno: H; Oxígeno: O; Nitrógeno: N; Fósforo :P y Azufre:S , que constituyen en conjunto un 95% de las biomoléculas estructurantes de la materia viva , le siguen los Bioelementos secundarios tales como Na, K, Ca, Mg, Cl ,finalmente , se tienen los Oligoelementos como el Fe, Mn, I, F, Co, Si, Cr, Zn, Li, Mo , que están presentes en porcentajes inferiores al 0,1%,.y son indispensables para el desarrollo armónico de organismo animales y vegetales. El cuadro 1 , resume el tipo de bioelementos y su abundancia en los seres vivos: Cuadro 1: Tipo de bioelementos y abundancia en los seres vivos Tipo Bioelemento Símbolo Químico Abundancia (%) Primarios 4 Carbono C 20,00 Hidrógeno H 9,50 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente., ECAPMA. Contenido didáctico del curso Bioquímica Metabólica Elaboró: Jairo Granados., MSc. Oxígeno O 62,00 Nitrógeno N 2,50 Azufre S 0,05 Fósforo P 0,05 Sodio Na Potasio K Calcio Ca Magnesio Mg Cloro Cl Hierro Fe Manganeso Mn Yodo I Flúor F Cobalto Co Molibdeno Mo Secundarios Oligoelementos 4,50 0,50 Elaborado por el autor (2011) Contexto histórico El comienzo de la bioquímica se remonta al descubrimiento de la primera enzima, denominada diastasa, en 1833 por Anselme Payen. En 1828, el químico Alemán: Friedrich Wöhler publicó un artículo acerca de la síntesis de urea (H2N-CO-NH2 ) a partir de un compuesto inorgánico llamado cianato de amonio( H4N-OCN ), según la reacción: H4N-OCN calor H2N-CO-NH2 Esto demostró que los compuestos orgánicos podían ser sintetizados en el laboratorio, en contraste con la creencia, comúnmente aceptada durante mucho tiempo, que la generación de este compuesto era posible sólo en el interior de los 5 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente., ECAPMA. Contenido didáctico del curso Bioquímica Metabólica Elaboró: Jairo Granados., MSc. seres vivos, específicamente en el riñón. La corriente vitalista aún persistió porque se creía que las reacciones de la materia viva solo podían realizarse en células vivas. Según el vitalismo, las reacciones biológicas se producían por una fuerza vital de naturaleza misteriosa, pero no por procesos químicos o físicos. Los hermanos “Buchner” en 1897, se encargaron de controvertir la corriente vitalista, observando que extractos de células de levaduras muertas, eran capaces de llevar a cabo la fermentación de la sacarosa (C12H22O11) hasta etanol (C2H5-OH) , de acuerdo a la reacción: C12H22O11 + H2O 4C2H5-OH + 4CO2 Esto abrió el camino al estudio de las reacciones y procesos bioquímicos “in vitro”. A partir de aquí se avanzó más rápidamente en el conocimiento de las diferentes rutas metabólicas. Un acontecimiento clave en el desarrollo de la bioquímica metabólica , ocurrió en 1926, cuando el profesor Americano James Sumner , cristalizó y purificó la enzima ureasa, extrayéndola de las semillas de soja (Canavalia ensiformis), en un momento crítico en donde la mayoría de los científicos creían que era imposible cristalizar enzimas. Dicha enzima clasificada como una amidohidrolasa , cataliza el desdoblamiento de la urea , hasta producir Ureasa Amoníaco y Gas carbónico , según la ecuación: H2N-CO-NH2 + H2O 2NH 3 + CO2 Esto le valió a Sumner el Premio Nobel de Química en 1946. En consecuencia , el profesor demostró que aunque las proteínas tenían estructuras grandes y complejas, era posible sintetizarlas como cualquier compuesto inorgánico y que sus estructuras podían determinarse con métodos analíticos instrumentales .A partir de aquí, la contribución más importante consistió en establecer las estructuras químicas básicas de las sustancias biológicas, identificar las reacciones de cada ruta metabólica y localizar éstas en el interior de la célula. En 1953 ,Watson y Crick publicaron la estructura en doble hélice del ADN, así como todos lo descubrimientos posteriores relacionados con los mecanismos de la 6 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente., ECAPMA. Contenido didáctico del curso Bioquímica Metabólica Elaboró: Jairo Granados., MSc. transmisión de la información biológica. Esto dió lugar a una nueva rama de la biología, la biología molecular. Desde entonces, la bioquímica ha avanzado, especialmente desde la mitad del siglo XX , con el desarrollo de nuevas técnicas como la cromatografía, la difracción de rayos X, marcaje por isótopos y el microscopio electrónico. Estas técnicas abrieron el camino para el análisis detallado y el descubrimiento de muchas moléculas y rutas metabólicas de las células, como la glucólisis y el ciclo de Krebs (también conocido como ciclo del ácido cítrico).Hoy, los avances de la bioquímica son usados en múltiples áreas, desde la genética hasta la biología molecular, de la agricultura a la medicina. El cuadro 2, resume los principales hechos históricos que han brindado aportes fundamentales al desarrollo de la Bioquímica Metabólica Cuadro 2.Contexto histórico de la Bioquímica Metabólica Fecha 1915 Evento Bioquímico Esclarecimiento de la glucólisis Autores (Prof , Dr) Características Gustav Georg Embden y Otto Fritz Meyerhof Primer paso de la respiración ; es una secuencia compleja de 10 RBE-REDOX (óxido-reducción) que se realizan en el citosol celular y por el cual la molécula de glucosa(C6) se desdobla en dos moléculas de ácido pirúvico (C3) Biomolécula que almacena energía metabólica en sus enlaces fosfoanhídridos de éster (Científicos Alemanes) Meyerhof fue premio Nóbel de Medicina (1922) 1929 7 Aislamiento del Adenosín Trifosfato (ATP) , a partir de extractos de músculo esquelético Cyrus Fiske (USA) y Yellapragada Subbarow (India) UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente., ECAPMA. Contenido didáctico del curso Bioquímica Metabólica Elaboró: Jairo Granados., MSc. 1932 1937 1940 Descubrimiento del Ciclo de Krebs(CK) ó Ciclo del ácido cítrico (CAC) ó Ciclo de los ácidos Tricarboxílicos(TAC), en el músculo pectoral de una paloma Descubrimiento de las reacciones de Hill (Fotólisis y Fotorreducción de la molécula del agua en la fase lumínica Fotosintética ) Descubrimiento del Ciclo de Cori (Reciclaje del ácido Láctico) Hans Adolf Krebs(Británico de origen Alemán) y Fritz Albert Lipmann (Estadounidense de origen Alemán ) Premios Nóbel de Medicina (1953) Robert Hill (Bioquímico Británico) Carl Ferdinand Cori y Gerty Cori (Estadounidenses de origen Checo , nacidos en Praga) Premios Nóbel de Medicina (1947) 1940 Descubrimiento del Ciclo de Calvin de la Fotosíntesis Melvin Calvin (Químico Norteamericano) Premio Nóbel de Química (1961) 8 Conjunto de RBE que se producen en las crestas mitocondriales , las cuales tienen como finalidad oxidar la AcetilCoA , que proviene del catabolismo de carbohidratos , lípidos y proteínas. Este ciclo corresponde a una fase clave de la respiración de animales y vegetales La fase lumínica está dada por 3 reacciones fotoquímicas que ocurren en las membranas tilacoidales de los cloroplastos , ellas son:Fotólisis del agua , produce O2 ;Fotorreducción ,produce NADPH ; y la Fotofosforilación que genera ATP Es el ciclo de RBE que envuelve dos rutas de transporte de biomoléculas entre músculo e hígado El ciclo es una secuencia de RBE REDOX , mediante las cuales el estroma del cloroplasto , fija CO2 del aire para transformarlo principalmente en carbohidratos y productos secundarios como: UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente., ECAPMA. Contenido didáctico del curso Bioquímica Metabólica Elaboró: Jairo Granados., MSc. aminoácidos , ácidos grasos y proteínas. 1941 1953 Clarificación de la función metabólica del ATP y Aislamiento del Acetil coenzima A (acetilCoA) Dilucidación estructural y funcional del ácido desoxirribonucleíco (ADN) Fritz Albert Lipmann (Estadounidense de origen Alemán ) Premio Nóbel de Medicina (1953) James Watson(USA) Y Francis Crick (Gran Bretaña) Premios Nóbel de Medicina (1962) Elaborado por el autor (2011) 9 Biomolécula energética , considerada como cofactor enzimático transportador de grupos acetilo(H3CCO-) en las rutas metabólicas Biomolécula fundamental de la genética , con estructura helicoidal de doble hélice , que dirige la biosíntesis de proteínas.