Fundamentos de la Materia Viva

Átomo: Concepto creado en el año 400 A.C. por Demócrito. Es la unidad básica más pequeña que compone la materia. Cuenta con electrones que giran en torno a un núcleo central. No son visibles y son indivisibles.

Molécula: Concepto creado por Avogadro en el siglo XIX. Son combinaciones de más de un átomo, unidas entre sí. Son resultado de sustancias químicas, con variedad de formas y son divisibles.

Modelos Atómicos:

• Esférico sólido (Dalton, 1805)
• Pudín de pasas (Thomson, 1897)
• Nuclear (Rutherford, 1911)
• Planetario (Bohr, 1913)
• Cuántico (1926)

Electrón: Partícula del átomo con carga negativa, orbitando en la nube electrónica.

Protón: Partícula del átomo con carga positiva, ubicada en el núcleo atómico.

Neutrón: Partícula del átomo con carga neutra, ubicada en el núcleo atómico.

Núcleo Atómico y Nube Electrónica: Componentes fundamentales del átomo.

Enlace Químico: Unión de átomos y moléculas para formar compuestos químicos más grandes y estables. Los átomos se vuelven estables cuando su orbital de valencia está lleno de electrones o cumplen la regla del octeto. Si no, ganan, pierden o comparten electrones mediante enlaces.

Regla del Octeto: Ejemplo: Oxígeno-Carbono-Oxígeno.

Enlace Iónico: Un átomo pierde un electrón para cederlo a otro elemento (que gana un electrón).

Enlace Metálico: Electrones libres fluyen desplazándose entre átomos con carga positiva.

Enlace Covalente: Átomos comparten electrones en lugar de cederlos o ganarlos por completo. Pueden ser simples, dobles, triples, no polares (H:H) o polares (H/C/H).

Electronegatividad: Poder de un átomo para atraer electrones hacia sí mismo (núcleo).

• Menor o igual a 0.4: Covalente no polar.
• De 0.5 a 1.7: Covalente polar.
• Mayor a 1.7: Iónico.

Fuerzas Intermoleculares: ión-ión, ión-dipolo, ión-dipolo inducido, hidrofóbicas.

Fuerzas de Van der Waals: dipolo-dipolo (puentes de hidrógeno), dipolo-dipolo inducido (London), dipolo instantáneo-dipolo inducido (London), puente disulfuro.

Compuesto Orgánico: Su fórmula química contiene C combinado con H, O, N, S. (CO, CO2, CS2, CN, CO3-2 son inorgánicos).

Compuesto Inorgánico: Incluye compuestos que no poseen el elemento carbono en su fórmula química. Se considera el tipo de unión entre átomos que forman los compuestos.

Biomoléculas Pequeñas: Compuestos químicos que, al unirse, forman la materia viva (bases químicas que permiten la subsistencia del ser vivo). Formadas por C, H, O, N, S y P.

Monómeros: Polímero homopolímero (agua, vitaminas, minerales). Polímero heteropolímero (carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos).

Unidades Básicas: Carbohidrato (monosacárido), lípido (ácido graso), proteína (aminoácido), ácido nucleico (grupo P + base nitrogenada + pentosa).

Agua: Solvente universal (HOH), 60-65% del cuerpo, 94% de la sangre.

(Continuación)

Propiedades Físicas del Agua: Sin sabor, incolora, transparente, puede ser sólida, líquida o gaseosa.

Propiedades Químicas del Agua: Molécula inorgánica, enlaces covalentes, polar, carga parcial, pH neutro, anfótera.

Interacciones No Covalentes: ión-dipolo, Van der Waals, puente de hidrógeno.

Presión Osmótica: El disolvente atraviesa la membrana hasta igualar las concentraciones en ambos lados.

Ionización del Agua: Puede experimentar autoionización para formar iones H3O+ y OH-.

Carbohidratos y Ácidos Nucleicos

Carbohidratos: Moléculas biológicas compuestas por C, H, O. Son compuestos orgánicos, producto de la fotosíntesis y fuente principal de energía para organismos heterótrofos. También llamados sacáridos o azúcares. Fórmula general: Cn(H2O)n.

Monosacáridos: Unidades elementales de los carbohidratos (glucosa, fructosa, galactosa). Según su grupo funcional: aldosa y cetosa. Según el número de carbonos: triosa, tetrosa, pentosa, hexosa, heptosa.

Disacáridos: Sustancias compuestas por dos moléculas de azúcares simples (monosacáridos) (sacarosa, lactosa, maltosa).

Oligosacáridos: Polímeros complejos formados por pocas unidades de azúcares simples (3-9 monosacáridos).

Polisacáridos: Polímeros de sacáridos más grandes, formados por más de 10 o miles de monosacáridos, lineales o ramificados (almidón, glucógeno, celulosa).

Homopolisacáridos: Unidades repetidas del mismo azúcar (glucógeno y almidón). De reserva, proporcionan energía.

Heteropolisacáridos: Compuestos por distintos azúcares (pectinas, hemicelulosas, agar, gomas, etc.). De reserva, proporcionan soporte y protección.

Estereoisomería:

• Isómeros: Moléculas con la misma fórmula pero diferente estructura.
• Estereoisómeros: Isómeros con la misma fórmula molecular y secuencia de átomos enlazados, pero diferente orientación tridimensional.

Quiralidad: Propiedad de los objetos de no superponerse con su imagen reflejada en un espejo.

Carbono Asimétrico: Átomo de carbono unido a cuatro elementos químicos diferentes entre sí.

Epímeros: Compuestos que difieren en la configuración de un solo centro asimétrico.

Ciclación: Formación de un enlace intramolecular donde el grupo carbonilo reacciona con el grupo hidroxilo del carbono asimétrico más alejado del grupo funcional.

Mutarrotación: Interconversión entre anómeros a través de la forma abierta.

Nucleótidos: Pieza básica de los ácidos nucleicos, moléculas orgánicas formadas por la unión covalente de un nucleósido y un grupo fosfato. ADN y ARN están formados por nucleótidos.

(Continuación)

ADN y ARN:

• Meischer (1869): Trabajó con leucocitos y esperma de salmón, obtuvo C, H, O, N y P. Fragmentó la nucleína y separó un componente proteico y un grupo prostético, al que llamó ácido nucleico.
• James Watson y Francis Crick (1953): Descubrieron la estructura tridimensional del ácido desoxirribonucleico (ADN).

Bases Nitrogenadas: Purinas (adenina, guanina) y pirimidinas (citosina, timina, uracilo).

Pentosa: Ribosa (OH) y desoxirribosa (H).

Nucleósidos: Base nitrogenada (adenina) + pentosa (ribosa) = nucleósido (adenosina).

Nucleótidos: Se forman cuando se une ácido fosfórico a un nucleósido en forma de ion fosfato mediante un enlace éster.

Lípidos: Conjunto heterogéneo de biomoléculas insolubles en agua, solubles en disolventes orgánicos, constituidos por C, H y O.

Macronutrientes: Hidratos de carbono, proteínas, grasas o lípidos.

Micronutrientes: Vitaminas y minerales.

Lípidos Saponificables:

• Simples: Acilgliceroles y ceras.
• Complejos: Fosfolípidos (fosfoglicéridos/fosfoesfingolípidos) y glucolípidos (cerebrósidos/gangliósidos).

Lípidos Insaponificables: Terpenos, esteroides, prostaglandinas.

Ácidos Grasos: Estructura lineal anfipática con un extremo polar y una cadena apolar que finaliza con un grupo metilo.

• Cadena corta: <10 átomos.
• Cadena media: 12-14 átomos.
• Cadena larga: >16 átomos.

Tipos de Ácidos Grasos: Saturados (sin dobles enlaces), monoinsaturados (un doble enlace), poliinsaturados (al menos dos dobles enlaces).

Ácidos Grasos Omega: Identifican el átomo de carbono involucrado en un doble enlace. Son esenciales en la dieta y no podemos sintetizarlos (omega-3 y omega-6, aceites de origen vegetal).

Acilgliceroles: Constituidos por una molécula de glicerol esterificada con ácidos grasos (monoglicéridos a triglicéridos).

Fosfolípidos: Lípidos polares compuestos por una estructura que une uno o más ácidos grasos y un grupo fosfato.

Fosfoglicéridos: Moléculas anfipáticas con una parte hidrofóbica e hidrofílica. Forman parte de la membrana celular.

Esfingolípidos: Moléculas anfipáticas con funciones estructurales en membranas.

Isoprenoides: Compuestos orgánicos derivados del isopreno (o 2-metil-1,3-butadieno).

Terpenos: Estructuras multicíclicas formadas por dos o más unidades de isopreno.

Esteroides: Triterpenos estructurados en anillos básicos de esterano.

Lipoproteínas: Complejos macromoleculares solubles formados por lípidos y proteínas.

Clasificación de Lipoproteínas:

• Buenas (HDL)
• Malas (no HDL): Quilomicrones, VLDL, IDL, LDL.

(Continuación)

Aminoácido: Molécula orgánica que contiene un grupo amino (-NH2) de naturaleza básica y un grupo carboxilo (-COOH) de carácter ácido.

R: Cadena lateral que puede ser cualquier sustituyente.

Aminoácidos: Unidades básicas para la construcción de proteínas.

Aminoácidos Naturales: Codificados en el genoma y utilizados para la síntesis de proteínas (20, 8 esenciales).

Carbono α: El grupo amino y el grupo carbonilo se unen al mismo átomo de carbono.

Carbono α: Se une como tercer sustituyente a un átomo de hidrógeno y como cuarto sustituyente a un grupo que puede ser diferente entre cada aminoácido.

Anfotérico: Los aminoácidos en solución acuosa.

Zwitterión: Aminoácidos doblemente ionizados con carga neta de 0.

Punto Isoeléctrico: Valor de pH en el cual se encuentra la máxima concentración de zwitterión.

pKa: Constante de disociación.

Proteína: Macromolécula orgánica formada por la unión de varios aminoácidos.

Oligopéptidos: 2-10 aminoácidos. Polipéptidos: >10 aminoácidos. Proteínas: >50 aminoácidos (80-300).

Enlace Peptídico: Se forma por la unión del grupo amino de un aminoácido con el grupo carboxilo de un segundo aminoácido.

pH: Alcalino (14, menos protones), ácido (0, más protones).

Estructura Primaria: Secuencia de aminoácidos, determinada por el código genético.

Estructura Secundaria: Interacciones (amino y carboxilo) entre aminoácidos cercanos en la cadena peptídica (puentes de hidrógeno entre aminoácidos en el esqueleto de la cadena principal).

Estructura Terciaria: Plegamiento de la cadena polipeptídica debido a interacciones entre las cadenas laterales de los aminoácidos.

• Globulares: Forma esférica y compacta.
• Fibrosas: Forma extendida.

Estructura Cuaternaria: Más de una cadena polipeptídica (oligómero).

Conformación Hélice α: 3.6 aminoácidos por giro, cadenas laterales en la parte externa de la hélice.

Conformación Hoja Plegada β: Cadenas laterales de aminoácidos alternadas a derecha e izquierda del esqueleto de la cadena polipeptídica.

Hoja Plegada Beta: Grupos R pequeños (glicina, valina, alanina y serina).

Hélice L: Grupos R grandes (histidina, leucina y metionina).

Dedo de Zinc: Proteínas que interaccionan con el ADN.

Desnaturalización: Pérdida de las estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.

Agentes Desnaturalizantes:

• Físicos: Temperatura (calor).
• Químicos: pH, detergentes, reductores.

Enzimas

Enzimas: Proteínas que actúan como catalizadores de reacciones biológicas. Disminuyen la energía de activación y aceleran las reacciones químicas. No generan más producto, sino que se obtenga antes.

Centro Activo (Catalítico): Pequeño, con estructura tridimensional.

Ribozimas: Enzimas que no son proteínas.

Holoenzima: Apoenzima + cofactor.

Cofactor: Inorgánico (iones Fe), orgánico (ATP o NAD).

Coenzima: Cofactores orgánicos que se unen a la apoenzima por enlaces débiles.

Tipos de Coenzimas:

• Oxidación-reducción: Transportan H+ y e-.
• Transferencia: Transportan radicales moleculares (ATP).

Reacción Enzimática Simple: E (enzima libre), S (sustrato), ES (complejo enzima-sustrato), EP (complejo enzima-producto), P (producto). Reversible: en ambas direcciones.

Cinética Enzimática: Estudia la velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas.

UI: Cantidad de enzima requerida para transformar un µmol de sustrato en un minuto.

Michaelis-Menten: Colocó la misma cantidad de enzima, aumentó la concentración de sustrato, midió los productos en 1 hora y obtuvo la velocidad de reacción (V = P/T). Graficó la concentración de sustrato vs. Vmax/2.

Constante de Michaelis-Menten (Km): A menor Km, mayor afinidad y velocidad de sustrato.

Km: Específica de cada enzima e indica su grado de afinidad. Cuanto más baja es la Km, mayor es la afinidad por el sustrato y mayor es la velocidad de la reacción.

Número de Recambio de una Enzima: Número de moléculas de sustrato transformadas por unidad de tiempo.

Factores que Afectan la Actividad Enzimática:

• Temperatura: A mayor temperatura, mayor colisión de moléculas.
• pH: Influye en el grado de ionización de las cadenas laterales del centro activo y de los sustratos.
• Concentración de Sustrato: A mayor concentración, mayor velocidad de reacción.

Saturación de la Enzima: Todos los centros activos están ocupados.

Inhibidores: Sustancias que disminuyen o anulan la actividad enzimática.

Inhibidores Irreversibles: Se fijan permanentemente al centro activo o lo inutilizan al unirse covalentemente.

Inhibidores Reversibles: Se unen temporalmente mediante enlaces débiles.

Relación Vmax y Afinidad: Si Vmax sube, la afinidad baja.

Relación Constante (Km): Si Km baja, la afinidad sube.

Tipos de Inhibición:

• Competitiva: Vmax no cambia, Km aumenta.
• Acompetitiva: Vmax y Km disminuyen, la pendiente no cambia.
• Mixta: Vmax disminuye, Km no cambia.

Regulación Alostérica: Presentan un centro regulador al que se une un ligando (transición alostérica).

(Continuación)

Enzima Activa: Con sustrato. Enzima Inactivada: Sin sustrato.

Modificación Covalente: Modificación de la conformación de una enzima.

Compartimentalización: Almacena enzimas en compartimentos específicos para evitar daños o proporcionar condiciones adecuadas para su actividad.

Enzimas Digestivas en Lisosomas: Bajo pH citosol.

Zimógeno (Proenzima): Precursor enzimático inactivo (no cataliza).

Bioenergética

Bioenergética: Estudia las transformaciones de la energía.

Energía: Capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo (generar un cambio).

Trabajo: Cambio en el estado de movimiento de un cuerpo producido por una fuerza.

Energía Mecánica: Aplicación de una fuerza que consigue el desplazamiento o deformación de un cuerpo. Unidad de trabajo: joule (J).

Energía Térmica (Calor): Agitación molecular o energía cinética de las moléculas. Se mide a través de la temperatura o cambios en el estado físico de la materia. Unidad de calor: caloría.

Energía Libre de Gibbs (G): Energía química contenida en los compuestos que participan en una reacción química. Unidad de medida: joule o caloría (kcal/mol). 1 caloría = 4.184 J.

Sistema: Porción del universo que se somete a estudio.

1ª Ley de la Termodinámica: La energía del universo no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Entalpía (H): Energía en forma de calor, liberada o absorbida en un sistema a temperatura y presión constantes.

2ª Ley de la Termodinámica: En cualquier cambio físico o químico, una cierta cantidad de energía útil se transforma de modo irreversible a una forma de energía desordenada (entropía).

Entropía (S): Grado de desorden de las moléculas que integran un sistema; parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo.

Reacción Exergónica: Libera energía (negativa). Reacción Endergónica: Aporta energía (positiva).

Anabolismo: Síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas pequeñas.

Catabolismo: Degradación de moléculas complejas a moléculas más pequeñas.

Metabolismo: Conjunto de todas las reacciones químicas que suceden dentro de una célula.

Enzima Activa: Con sustrato. Enzima Inactivada: Sin sustrato.

Modificación Covalente: Modificación de la conformación de una enzima.

Metabolismo de Glúcidos

Glucosa: Monosacárido con fórmula molecular C₆H₁₂O₆. Es una hexosa (6 átomos de carbono) y una aldosa.

Principales Vías de la Glucosa: Ribosa 5-fosfato, piruvato, glucógeno/almidón/sacarosa.

Glucólisis: (Anaeróbica) Se lleva a cabo en dos etapas en el citosol de la célula.

• Fase Preparatoria: Ruptura de la glucosa (6 carbonos) en dos moléculas de 3 carbonos. Producto: 2 moléculas de gliceraldehído 3-fosfato.
• Fase de Beneficios: Producción de piruvato por cada molécula de gliceraldehído 3-fosfato. Ganancia: 2 piruvato, 4 ATP, 2 NADH.

Posibles Destinos Catabólicos del Piruvato: 2 etanol + 2CO2, 2 lactato, 2 acetil-CoA, 4CO2 + 4H2O.

Fermentación Láctica: Enzima: lactato deshidrogenasa. Ocurre cuando hay glucólisis en el músculo y baja cantidad de oxígeno (la producción de lactato regenera NAD+).

Ciclo de Cori: Circulación cíclica de glucosa y lactato entre el músculo y el hígado. En el hígado, el lactato se reoxida a piruvato.

Gluconeogénesis: Síntesis de glucosa a partir de precursores: piruvato, lactato, glicerol (ocurre en el citosol).

• Reacciones Gluconeogénicas: 1) Conversión de piruvato en PEP a través del oxalacetato. 2) Desfosforilación de fructosa 1,6-bisfosfato por fructosa 1,6-bifosfatasa. 3) Desfosforilación de glucosa-6-fosfato por glucosa 6-fosfatasa.

Vía de la Pentosa Fosfato: (Ruta del fosfogluconato, ruta de la hexosa monofosfato). Oxidación de glucosa 6-fosfato a pentosas fosfato. Produce NADPH y pentosas.

• Fase Oxidativa: Glucosa 6-fosfato + 2NAD+ + H2O → Ribosa 5-fosfato + 2NADPH + 2H+.
• Fase No Oxidativa: Recicla pentosas fosfato a glucosa 6-fosfato en tejidos donde se requiere principalmente NADPH (catalizada por transacetolasa y transaldolasa).

Glucógeno: Partícula elemental de glucógeno (B) consiste en 55,000 residuos de glucosa con 2,000 extremos no reductores. Proporciona una fuente de energía rápida para el metabolismo. El exceso de glucosa se convierte en glucógeno o almidón. En vertebrados, el glucógeno se encuentra principalmente en el hígado y el músculo esquelético.

Glucogenogénesis:

• 1. Glucosa 6-fosfato se convierte en glucosa 1-fosfato por fosfoglucomutasa (glucosa 1-fosfato es el sustrato para la síntesis de glucógeno).
• 2. Formación de nucleótido-azúcar (UDP-glucosa): sustratos para la polimerización de monosacáridos a polisacáridos.
• 3. Síntesis de ramificaciones en glucógeno: transferencia de un fragmento de extremo no reductor a un C-6 por la amilo (1-4) a (1-6) transglucosilasa.

Glucogenina: Actúa como cebador en el inicio de la glucogénesis. Posee un residuo Tyr que une la primera molécula de glucosa desde un UDP-glucosa. Luego se incorpora la glucógeno sintasa.

Glucogenólisis: El glucógeno y el almidón se degradan mediante fosforólisis. La glucógeno fosforilasa elimina un residuo terminal de glucosa del extremo no reductor de una cadena de glucógeno.

(Continuación)

Ciclo de Krebs: Se realiza en la matriz mitocondrial. La respiración celular hace referencia a la captación de O2 por un organismo multicelular con la consiguiente liberación de CO2.

• 1. Formación de acetil coenzima A a partir de biomoléculas orgánicas (glucosa, lípidos, aminoácidos).
• 2. Oxidación del acetil coenzima A a CO2 con la producción de NADH y FADH2 (Ciclo de Krebs).
• 3. NADH y FADH2 ceden sus electrones a la cadena respiratoria para la producción de ATP.

Productos y Rendimiento del Ciclo de Krebs: 1 oxalacetato, 3 NADH, 1 FADH2, 1 GTP (ATP), 2 CO2.

Producción de Acetil-CoA: El complejo piruvato deshidrogenasa está formado por 3 enzimas diferentes: piruvato deshidrogenasa (E1), dihidrolipoil transacetilasa (E2), dihidrolipoil deshidrogenasa (E3). El piruvato se oxida a acetil-CoA en la matriz mitocondrial.

Cadena Respiratoria (Transportadora de Electrones):

• Complejo I: NADH deshidrogenasa (NADH: ubiquinona oxidorreductasa).
• Complejo II: Succinato deshidrogenasa.
• Complejo III: Ubiquinona: citocromo c oxidorreductasa.
• Complejo IV: Citocromo oxidasa.

Fosforilación Oxidativa: Generación de ATP.

ATP Sintasa: Quimiosmosis.

Metabolismo de Lípidos

Digestión y Absorción de Lípidos: Proceso que implica emulsificación, hidrólisis enzimática, formación de micelas, absorción en enterocitos y transporte mediante quilomicrones, garantizando que los lípidos ingeridos sean eficientemente utilizados o almacenados por el organismo.

Activación de Ácidos Grasos: Proceso esencial que permite a los ácidos grasos entrar en la vía metabólica de la beta-oxidación, facilitando la producción de energía en la célula.

Oxidación de los Ácidos Grasos: Proceso esencial para el metabolismo energético, especialmente durante períodos de ayuno, ejercicio prolongado y en condiciones de baja disponibilidad de carbohidratos.

Beta-Oxidación de los Ácidos Grasos Saturados: Proceso crucial para el metabolismo energético, permitiendo a las células descomponer ácidos grasos para producir energía en forma de ATP.

Oxidación de Ácidos Grasos de Cadena Impar: Proceso eficiente que incluye la beta-oxidación habitual seguida de una conversión específica del propionil-CoA a succinil-CoA, lo cual permite la integración de estos ácidos grasos en la producción de energía celular.

Oxidación de Ácidos Grasos Insaturados (Ácido Graso Monoinsaturado): Requiere pasos adicionales para manejar los dobles enlaces, principalmente la acción de la enoil-CoA isomerasa.

Oxidación de Ácidos Grasos Insaturados (Ácido Graso Poliinsaturado): Proceso complejo que requiere pasos adicionales de isomerización y reducción para manejar las dobles ligaduras en sus cadenas de carbono.