LAS BASES DE LA BIOQUÍMICA

FUNDAMENTOS QUÍMICOS

La materia está constituida por átomos.

La unidad fundamental de la materia es el átomo, constituida por subpartículas: protón neuetrón y electrón.

En condiciones normales, los átomos no presentan carga neta: su número de protones y electrones es el mismo. Si pierden elctrones, presentan mayor número de protones que de electrones y su carga será positiva y forman cationes. 

Cada elemento químico está formado por un tipo de átomo que se diferencia en el número de protones presentes en el núcleo; número átomico, define a cada elemento.

Los orbitales átomicos quedan definidos por los números cuánticos.

Los electrones se localizan en orbitales átomicos, son las zonas que rodean al núcleo donde existe la máxima probabilidad de encontrar estos electrones. Podemos afirmar que cada orbital queda definido por un conjunto de tres números, denominados número cuánticos.

El primero, conocido como número cuántico principal, describe el tamaño y la energía del orbital.

El segundo se conoce como número cuántico azimutal. Representa un subnivel de energía y define la forma geométrica del orbital.

Un tercer número, denominado número cuántico magnético, define al orientación en el espacio si se fijan unos ejes de referencia arbitrarios.

Los electrones se distribuyen en estos orbitales. Teniendo en cuanta esta distribución, es necesario un cuarto número que permita identificar los dos electrones: el número de spin, que refleja el movimientos de los electrones respecto a un eje imaginario en un campos magnético.

¿qué determina el orden de los elementos en la tabla periódica?

Contiene un elemento identificado con un símbolo, el número másico y el número atómico. 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 más estable cuanto más se aproxima a una configuración electrónica en que sus orbitales estén completos. La unión entre los átomos se establece a traves de enlaces químicos. Las moléculas que están constituidas por átomos de diferentes elementos se denominan compuestos.

Los electrones de las últimas capas, que ocupan los niveles de mayor energía, son los que van a participar en las reacciones químicas y se conocen como electrones de valencia.

Antes de estudiar los enlaces hay que definir una propiedad de gran importancia a la hora de explicar su formación y sus posteriores características: la electronegatividad, que es la tendencia que tienen los átomos de atraer hacia sí el par de electrones compartido.

Cuando los átomos que reaccionan poseen una elevada electronegatividad, el enlace se forman por que ambos elementos comparten sus electrones de valencia hasta completar su última capa: denominado enlace covalente. De la combinación de los dos elementos orbitales atómicos surge un orbital molecular que determinará las características de la unión.

Orbitales híbridos. La tetravalencia del carbón.

Para los elementos del segundo período de la tabla periódica, los orbitales S y P de la última capa están tan próximos en su nivel de energía que pueden interaccionar formando orbitales híbridos.

Enlace covalente coordinado o dativo.

Para que se formen este tipo de enlace, un átomo tiene que tener un par de electrones sin enlace, es decir un par solitario en su nivel más externo, y el otro debe disponer de un orbital vacío .

Polaridad y enlaces polares.

Cuando dos átomos de electronegatividades muy diferentes forman un enlace covalente, los electrones no son compartidos por los dos átomos, serán atraidos con más fuerza por el más electronegativo. se forman un enlace covalente polar, en el que el átomo más electronegativo presenta una mayor densidad de carga negativa, mientras que el otro adquiere una densidad de carga positiva. El resultado es la formación de un dipolo, es decir dos cargas de signo opuesto separadas por una distancia determinada.

Los grupos funcionales determinan las interacciones entre biomoléculas.

Las múltiples posibilidades que tiene el átomo de carbono para formar moléculas diferentes viene determinada por la capacidad de formar cuatro enlaces con ángulos muy abiertos. Una "molécula viva" o biomolécula debe estar en constante cambio.

Los elementos químicos fundamentales en la reactividad de las biomoléculas van a ser el O y el N.

En las diferentes biomoléculas de los seres vivos se encuentran, una serie de grupos funcionales.

Las interacciones débiles determinan la función de la molécula.

Todo proceso biológico se produce gracias a las interacciones débiles establecidas entre moléculas. Tanto la unión y reconocimiento único entre una enzima y un sustrato, o de un receptor y su ligando, el proceso de replicación y transcripción del DNA, son procesos que tienen lugar gracias a una determinada orientación y unión entre las moléculas implicadas.

Puente de hidrógeno 

Este tipo de interacción es de naturaleza relativamente fuerte. Es muy común entre moléculas polares en un medio acuoso, y es la responsable de las múltiples uniones débiles entre las moléculas de agua.

Enlace iónico o puente salino.

En la célula los iones va a establecer entre sí, interacciones de tipo electrostático, también denominada puente salino.

Fuerzas de van der waals.

Son  interacciones muy débiles que mantienen unidas temporalmente átomos  o moléculas no polares. Son "dipolos" temporales, se están formando continuamente entre moléculas en solución, y no es necesario que las moléculas sean polares.

Interacción hidrofóbica.

Las fuerzas hidrofóbicas se darán entre moléculas y grupos funcionales no polares.

Las interacciones hidrofóbicas son fundamentales en biología, ya que la naturaleza apolar de muchos componentes, les obliga a mantenerse unidos, formando distintas estructuras, para alejarse del agua y así formar verdaderas barreras hidrofóbicas, como las membranas lipídicas que definen las células y sus orgánulos.

EL AGUA COMO PRINCIPAL DISOLVENTE BIOLÓGICO

La molécula de agua es un dipolo.

El agua es el medio líquido fundamental en el que se va a desarrollar la mayor parte de las reacciones químicas de la célula. Es el principal disolvente biológico. la distribución de las cargas y la geometría de la célula posibilitan la gran interacción entre una molécula y sus vecinas.

La formación y la rotura de los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua es constante a la temperatura fisiológica, muy rara vez una molécula de agua se disocia en dos especies iónicas denominadas iones hidronio e ión hidróxilo.

Química de los ácidos y de las bases.

El comportamiento de la ionización del agua es la base para comprender el concepto del ácido y base. Cuando el ácido pierde el protón se convierte un una sustancia que tiende a recuperarlo, y por ese motivo, esta segunda forma se denomina su base conjugada. Pero existen sustancias que pueden comportarse como ácidos y como bases, y se denominan sustancias anfóteras. 

Dentro de las molécula biológicas sólo unos pocos grupos funcionales van a comportarse como ácido base.

Las soluciones tampón regulan el PH de la célula.

 Ciertos grupos funcionales presentes en las moléculas biológicas pueden comportarse como ácidos o bases débiles, sus estado de ionización dependerá de la concentración del medio.

Tanto en el medio intracelular como en el extracelular, será por lo tanto imprescindible una regulación del PH para que las moléculas puedan cooperar de manera óptima. Los tampones son sistemas acuosos que tienden a amortiguar los cambios que se producen en el ph, cuando se añaden pequeñas cantidades de ácido (H+) o de base (OH). El principal tampón biológico es el tampón fosfato, que presenta un PKa de 6,86, y por lo tanto, es capaz de resistir los cambios de PH entre 5,9 y 7,9.

LAS REACCIONES QUÍMICAS EN LA CÉLULA

Equilibrio de una reacción química.

Una reacción química los reactivos interaccionan para formar productos. En la mayoría de las reacciones químicas, la reacción no finaliza cuando todo el reactivo se ha convertido en producto. Cuando la velocidad de reacción que va hacia delante y la velocidad de la reacción marcha atras se igualan, la reacción alcanza el equilibrio. La gran mayoría de la reacciones que tienen lugar en la célula son reacciones reversibles. 

Los principios de termodinámica ayudan a predecir si una reacción química se produce simultáneamente o no. El cambio o variación de energía libre de GIBBS (AG) de una reacción se calcula como un incremento.

 La variable G es una " función de estado", por lo que su valor no depende de la vía que se utilice para ir del estado inicial al final.

Reactividad de las moléculas biológicas.

La presencia de grupos funcionales en las biomoléculas proporciona sitios reactivos, donde dichas moléculas  van a unirse a otras o a reaccionar y transformarse. Los grupos funcionales de las moléculas proveen a las enzimas de los "sitios de ataque" donde la enzima convertirá un sustrato en un producto.

La gran cantidad y variedad de reacciones químicas que tienen lugar dentro de la célula, involucran pocos sitios reactivos, que invariablemente van a implicar a los grupos funcionales ya descritos.

Los sitios reactivos van a aportar centro nucleófilos o electrófilos: 

centro nucleófilos: son grupos ricos en electrones, y pueden tener carga negativa, pares de electrones no enlazantes o "pares solitarios", o poseer una densidad electrónica típica de dobles enlaces.

centros electrófilos: tienen atracción por las cargas negativas, es decir, ricas en electrones, debido a su carencia de electrones en capa de valencia.

Las reacciones de condensación o deshidratación: son un tipo de reacción química que va a tener un papel fundamental en la formación de las macro-moléculas.

Otro tipo de reacción característica que tiene lugar en la célula es aquella en la que se transfiere electrones de un sustrato a otro, son las reacciones denominadas de oxidación-reducción o redox.

EL CONTEXTO CELULAR

Los niveles de organización molecular de la célula permiten observar que, en el primer nivel o nivel molecular, los componentes celulares son los monómeros sillares con los que se va a construir la célula. La asociación entre diferentes macromoléculas formará las estructuras o complejos supramoleculares del tercer nivel, sobre todo mediante interacciones débiles. Y el último nivel en la jerarquía será el nivel celular o los orgánulos que delimitan los espacios donde van a tener lugar las diferentes reacciones. 

Las célula será, por lo tanto, el continente.

Por último un organismo multicelular necesita una observación a un nivel superior al celular, y este nivel proporciona una visión orgánica sobre como transcurren la reacciones bioquímicas en el organismo completo.