TEMA 1 : INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA

1. DEFINICIÓN DE BIOQUÍMICA

Se acuña a finales del siglo XIX (momento en el que se logra sintetizar la primera molécula orgánica, la urea),
en referencia a la química de la vida.

La bioquímica es la ciencia que estudia las bases moleculares de la vida.

Se ocupa de la interpretación de los fenómenos esenciales de la vida en términos moleculares.

- Composición de los organismos vivos y su funcionamiento (interacciones moleculares)

- Origen y evolución de la vida
- Aplicaciones (biotecnología, biomedicina…)

Se dess cmo result de la aplic de los princips y métodos d la física y la química a la fisiología y la biología.

El avance de esta rama de la biología se ve favorecido por desarrollos técnicos (ultracentrífuga o

microscopio electrónico) y nuevos conocimientos (fracciones mitocondriales, determinación del
DNA como material genético o la estructura primaria de las proteínas).

1.1 EL ORIGEN DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR

Esta disciplina surge entre 1925 y 1950 y es una integración de diferentes disciplinas: bioquímica,
biología celular y la genética (leyes de mendel)

1.2 ÁREA DE CONOCIMIENTO DE LA BIOQUÍMICA Y LA BIO MOLECULAR

Campos de estudio: estructura y función de las macromoléculas, control del metabolismo,

comunicación entre células, transmisión de la información genética, etc.

1.3 APLICACIONES DE LA BIOQUÍMICA

EPINEFRINA
La epinefrina es la hormona de la adrenalina y se genera en situaciones de estrés (un examen
próximo). Es una respuesta a nivel celular. Por ejemplo se aumenta la glucolisis en las cél musculares.

La epinefrina se una a un receptor de membrana y la union provoca un cambio conformacional que

active las proteínas G que activa la hidratociclasa que a partir de ATP produce AMPc, que es lo que
se considera como un segundo mensajero (como lo es también el Ca).

Entonces gracias a los 2 mensajeros se produce la amplificación de la señal, con una cascada de
fosforilación y se prod un cambio de conformación génica. Esto es una ruta de traducción de señales

BIOMEDICINA
Se comparan el genoma de neandertales y de homosapiens y se han id 90 proteínas diferentes y se
han visto que mutaciones en estas proteínas tienen que ver con enférmeles neurológicas y
fisiológicas (autismo, agresividad, microcefalia y eficiencia muscular). Un campo importante en la
bioquímica es la comparación de mutaciones para relacionarlas con enfermedades

AGRICULTURA
Los cultivos de transgénicos permiten un aumento de la productividad en menos espacio, un ahorro
económico y un impacto ambiental menos dañino al reducir el huso de abonos y herbicidas.
2. QUÉ ES UN SER VIVO

Los seres vivos extraen la energía de su entorno para mantener sus estructuras y realizar sus funciones.
Todos los seres vivos estamos formados por las mismas moléculas, se difiere un poco en la forma,
pero no en la función (nuestras células no difieren demasiado de las de E.coli).

Respondemos por igual a las leyes de la física y la química teniendo una serie de características
comunes gracias a un contexto evolutivo común.

2.1 CONTEXTO EVOLUTIVO

La vida surgió hace 4.500 M de años o antes según varios estudio. Durante toda la vida en el planeta
la atmósfera no ha sido como la actual, ya que el oxígeno no se acumuló en la atmosfera hasta miles
de millones de años tras las primeras apariciones de microorganismos fotosintéticos.

Debemos tener en cuenta que nuestro metabolismo está basado principalmente en la utilización del
oxígeno, esto se ha producido tras la evolución de miles de millones de años

Ahora hay 21% de O2, el gas mas abundante es el N y el CO2 antes de la revolución industrial era de
0,037% y ahora del 0,050%

Las herramientas moleculares permiten crear lineas filoparentales más fiables. Se usa la comparación
de la secuencia de nucleótidos de ARN ribosomal para determinar la cercacía entre dos especies.
Este estudio defiende la hipótesis de un ancestro común a todos las especies / SV actuales.

Todos los organismos que hay en la tierra tienen un ancestro común: LUCA (last universal common
ancestor), que a su vez formaría parte de un conjunto de individuos que no prosperaron.

2.2 CARACTERÍSTICAS COMUNES:

• Son seres estructuralmente complejos, y altamente organizados. Se ve una importante relación entre
estructura y función.

• Los seres vivos son sistemas termodinámicos abiertos alejados del equilibrio (estar en equilibrio
supone estar muerto).

• Tienen, además, la capacidad de autorreplicarse y autoensamblarse (tiene que ver con las
interacciones débiles).

• Todos los seres vivos estamos formados por las mismas moléculas: proteínas, ácidos nucleicos,
lípidos, azúcares… lo cual demuestra un origen común.

Las moléculas con funciones muy concretas se encuentran muy conservadas evolutivamente (por
ejemplo, la proteína de unión a la caja TATA (es las expresión más peq de un promotor de un gen)).

La estructura de la Caja TATA promotor reacción es muy similar en bacterias, plantas y humanos. Es
factible introducir proteínas de otras especies en algunos organismos para obtener transgénico.
2.3 DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR

La ciencia no se basa en dogmas, son modelos que responden en un

número concreto de individuos que pueden no ser universales. Un
ejemplo es el llamado “dogma central de la biología molecular”.

Fue propuesto por Crick en 1970. Y tras una serie de evidencias

posteriores, se vio que el RNA puede replicarse y sufrir transcripción
inversa por lo tanto se corrigió. Quedó refutado.

3. COMPOSICIÓN Y ORGANIZACIÓN DE LOS SERES VIVOS.

“Las células son las unidades estructurales y funcionales de todos los organismos vivos”

Entre las principales diferencias de composición y organización entre células eucariotas animales y
vegetales y las procariotas cabe mencionar:

• Las células vegetales presentan pared celular, plastos (cromoplastos, cloroplastos, amiloplastos,
etc.), glioxisomas (similar a peroxisomas), una o varias vacuolas… El polímero de reserva es el
almidón, almacenado en los plastos.

• Las células animales presentan lisosomas, peroxisomas (similar a glioxisomas)... El polímero de

reserva es el glucógeno que se encuentra en el citosol.

Los bioelementos

• Los bioelementos primarios son los que se encuentran en más cantidad: C, H, O, N,

principalmente con el S y P.
• Bioelementos secundarios: Na, K, Mg, Cl, Ca.
• Los oligoelementos se encuentran en menor cantidad, pero son indispensables: Mn, Fe, Co, Cu, Zn.
• Los bioelementos cuaternarios son variables, entre estos encontramos: Al, Mo, V, F, Ga, etc.

3.1 EL CARBONO

La vida tal y como la conocemos está basada en el carbono ya que tiene una gran versatilidad a la hora
de producir enlaces con otros elementos con los distintos tipos de enlaces. El carbono es el elemento
más abundante. Puede formar grupos funcionales y es la base de las estructuras complejas.

Además de enlaces simples los átomos de carbono pueden formar dobles y triples enlaces, estos sin
capacidad de rotación.

Cuando un átomo de carbono se encuentra unido a cuatro sustituyentes distintos, se denomina

carbono asimétrico o quiral, y su configuración se indica mediante las letras R o S.
 GRUPOS FUNCIONALES

EN algunos casos, los grupos con carga + o – son grupos ionizables, importante para los
aminoácidos. Las formas corresponden con la forma mayoritaria del grupo a pH neutro (pH 7).
Ejemplo: molécula Acetil coenzima A. A pH ácido los grupos tienen a protonarse COOH, esto al valor
de pka del grupo en cuestión. No todos los grupos son ionizables.

La hibridación sp3 en los enlaces simples permite la rotación de los enlaces, con la hibridación sp2
en el doble enlace tenemos una mayor rigidez en la molécula, cuyos átomos quedan localizados en
un mismo plano. El enlace amino tiene una naturaleza parcial de doble enlace.

Sabemos que el carbono puede tener cuatro sustituyentes. La disposición de los enlaces va a dar lugar a
los estereoisómeros, aunque la composición sea la misma, la disposición en el espacio es
completamente diferente, no se puede pasar de una a otra sin romper los enlaces.

MACROMOLÉCULAS

Están formadas por residuos o monómeros. Pueden llegar a

formar complejos supramoleculares como la cromatina, la
membrana plasmática o la pared celular.

Residuo de aminoácido:cuando el aa forma parte de una

proteína, no es un aa como tal, libre, porque el grupo amino
se convierte en un grupo amido y el grupo carboxilo se
convierte en un grupo carbonilo. Tamb hay residuos de
azúcares y nucleótidos.
4. EL AGUA.

Es el medio donde se desarrolla la vida ya que:

- En ella tienen lugar la mayoría de las reacciones bioquímicas.
- Es un medio de transporte de sustancias.
- Mantiene la temperatura.

Las propiedades particulares del agua vienen dadas por su estructura molecular.
La diferencia entre las electronegatividades del oxígeno y del hidrógeno hace que se generen en la
molécula zonas con densidad de carga negativa en torno al oxígeno, y zonas con
densidad de carga positiva en torno a los dos átomos de hidrógeno.

La carga parcial positiva de un hidrógeno de una molécula de agua establece puentes de hidrógeno con
átomos electronegativos, como por ejemplo, los átomos de oxígeno de otras moléculas de agua.

PROPIEDADES DERIVADAS DE SU ESTRUCTURA MOLECULAR

• Propiedades como disolvente: Al ser una molécula polar, es capaz de disolver la mayoría de las
moléculas biológicas (polares). Las biomoléculas polares se disuelven fácilmente en agua porque
pueden reemplazar las interacciones agua-agua por interacciones agua-soluto

• Posibilita el establecimiento de interacciones débiles

• Propiedades térmicas: Punto de fusión, ebullición y calor de vaporización elevados
• Carácter polar
• Posibilidad de formar puentes de hidrógeno: Su fortaleza depende de la distancia y la
orientación.

4.1 PUENTES DE HIDRÓGENO

Los puentes de hidrógenos son uniones relativamente débiles (mucho + que los enlaces covalentes).

Los átomos en un enlace covalente se encuentran más próximos que en un puente de hidrógeno. Del
mismo modo, la energía de disociación es mucho menor en el caso de los puentes de hidrógeno que en
los enlaces covalentes.

Esto implica que es relativamente fácil crear y romper puentes de hidrógeno entre moléculas.

En el estado de agua líquida, se puede observar una red dinámica de puentes de

hidrógeno, que se crean y se destruyen continuamente debido al movimiento de las moléculas (cada
molécula de agua líquida a presión atmosférica establece unos 3,4 puentes de hidrógeno).
Por otro lado, en el hielo las moléculas de agua tienen mucha menos movilidad al encontrarse fijas en el
espacio. El número de puentes de hidrógeno que establece cada molécula es superior en este caso,
4. El hielo es menos denso que el agua. La fortaleza de un puente de hidrógeno depende de la distancia
y la orientación (mayor cuando los tres átomos implicados se disponen en línea recta).

Algunas propiedades relacionadas con la capacidad del agua de establecer puentes de hidrógeno:
- Alta densidad en estado líquido
- Alto punto de ebullición
- Elevada constante dieléctrica: Apantalla interacciones electrostáticas entre iones.
- Alta viscosidad y tensión superficial
- Elevada capacidad calorífica
- Elevado calor de vaporización

Propiedades que determinan ser el medio universal:

• Carácter polar (el agua se comporta como un dipolo eléctrico) - el oxígeno es relativamente
electronegativo mientras que los hidrógenos positivos.
• Posibilidad de formar puentes de hidrógeno. La fortaleza del enlace depende de la distancia y de la
orientación. Son relativamente débiles en comparación con los enlaces covalentes. Pero el valor total
de todos los enlaces de hidrógeno es muy alto.

4.2 PROPIEDAD DISOLVENTE

El agua es el mejor disolvente natural que existe gracias a su capacidad para formar puentes de
hidrógeno con otras sustancias. Es un disolvente polar, con lo que disuelve fácilmente la mayoría de las
biomoléculas que generalmente son compuestos cargados o polares.

El agua disuelve compuestos polares pues tiende a establecer interacciones electrostáticas con ellos.
Una disolución ocurre cuando los iones están completamente solvatados/hidratados por moléculas
de agua.

Las sales son solvatadas (hidratadas) en agua por lo

que se conoce como una esfera de hidratación.

El soluto pierde movilidad, debilita las interacciones

electrostáticas entre los solutos y contrarresta la
tendencia del soluto de formar una red cristalina.
La entropía aumenta cuando se disuelve una sustancia cristalina, ej. NaCl. En el interior de las células
las reacciones ocurren xq las sales se encuentran solvatadas por el agua ya sea por eléctricos o H.

Hay que diferenciar entre componentes:

• Hidrófilos: contienen grupos polares que pueden formar enlaces de hidrogeno y pueden disolverse
en agua. Ej: azúcares, lactato, aspartato, glicerol, etc.

• Hidrófobos: contienen cadenas hidrocarbonadas. Cuanto más larga sea la cadena, más hidrofóbica
será la cadena. Quedarán separados de la molécula de agua. Son relativamente insolubles en agua
por no poder formar puentes de H. Ej: grasas.

• Anfipáticos: Tienen una parte hidrofóbica y una parte hidrofílica. Ej: fosfolípidos. Las moléculas
anfipáticas en un medio acuoso se reordenan y forman micelas. La parte exterior queda la parte
hidrofílica y en la parte interior la parte hidrofóbica.

También se pueden formar monocapas. Se puede apreciar las diferencias de fases. La formación de
bicapas es, también, termodinámicament estable.

5. INTERACCIONES DÉBILES.
5.1 PUENTES DE HIDRÓGENO

Son interacciones débiles no covalentes que se forman con mucha facilidad entre átomos de oxígeno
e hidrógeno.

Son más fuertes si se encuentran sobre el eje vertical que traza la molécula, y más débiles si forman un
ángulo, pero siempre son más débiles que los enlaces covalentes.

Podemos encontrar grupos dadores como H2O, -OH, -NH, -NH2… y grupos aceptores como H2O, -OH,
-C=O, -N, -S.

En el agua líquida, las moléculas presentan mucha libertad, lo que aporta una gran entropía. En dicho
medio, encontramos unos 3,4 puentes de hidrógeno por cada molécula.

En el hielo, las moléculas están fijas en una disposición determinada, por lo que la entropía es mucho
más baja. Se establecen 4 enlaces por molécula en este medio, haciendo que la densidad del agua sea
menor en este caso.

5.2 INTERACCIONES ELECTROSTÁTICAS

Podemos encontrar estas interacciones entre grupos que presentan carga o dipolos. La fuerza y
estabilidad de las mismas dependerá del medio del que se trate. Por ejemplo, en el mar, las
interacciones entre las partículas de sal son menores por la presencia de agua.

Se relacionan con la Ley de Coulomb, la cual relaciona el medio con la constante electrostática de las
interacciones débiles. Por lo general, los disolventes orgánicos tienen una constante dieléctrica
bastante menor que la del agua. Además, moléculas solubles en agua, son insolubles en medios con
menor constante dieléctrica como la acetona.

El agua apantalla la fuerza de unión por su valor de la cte dieléctrica. La ley de Coloumb det la fuerza
de unión de las uniones electrostáticas

Hay varios tipos de interacciones

electrostáticas:
5.3 INTERACCIONES HIDROFÓBICAS

Cuando tenemos una molécula hidrofóbica en un disolvente acuosos, las moléculas de agua se
ordenan alrededor de la molécula hidrofóbica. Esto provoca que la entropía disminuya (aumenta el
orden), haciendo que las moléculas pierdan libertad, lo que no es favorable desde el punto de vista
termodinámico. Lo más favorable sería que las moléculas hidrófobas se atrajesen para reducir el
número de moléculas de agua que quedan ordenadas alrededor de estas.

ORDENARSE ES DISMINUIR LA ENTROPÍA (no son favorables desde el punto de vista

termodinámico. En la segunda foto las molecs de agua están mas desordenadas por lo que aumenta
la entropía y es más favorable desde el punto de vista termodinámico (cuando hay mayor grado de
libertad, más desorden).

Por ejemplo, esto ocurre en el plegamiento de las proteínas: el efecto hidrofóbico entre las cadenas
laterales de los aminoácidos favorece el plegamiento proteico durante la traducción, haciendo que los
residuos hidrofóbicos queden hacia el interior y los hidrofílicos hacia el exterior.

Otro ejemplo serían las interacciones proteína-ligando, como el mecanismo de transmisión de señales
en hormonas de carácter hidrofóbico, las cuales se deben unir a receptor que tiene lugares de unión
hidrofóbicos.

5.4 FUERZAS DE VAN DER WAALS

Son fuerzas de repulsión o atracción entre átomos, las cuales evitan que dichos átomos se encuentren
muy próximos entre sí. Por ejemplo, en una molécula de agua estas interacciones hace que siempre
presenta un ángulo de 104,5°.