Competencia Analiza la importancia de la Bioquímica para su aplicación en los procesos agropecuarios, tomando en cuenta su relación con otras ciencias de interés desde el punto de vista pecuario y agrícola, con actitud crítica, responsable y colaborativa
descargar 77.25 Kb.
|
Universidad Católica Agropecuaria del Trópico Seco “Pbro. Francisco Luis Espinoza Pineda”  BIOQUIMICA Unidad 1. Introducción al estudio de la bioquímica Competencia
Docente: Ing. Jorling Castillo Marzo 2011 Introducción Etimológicamente la palabra bioquímica significa “química de la vida”. Es una disciplina científica que se ocupa de los procesos químicos que ocurren en la materia viva. Describe y analiza los fenómenos químicos que se producen en la célula estudiándolos desde el punto de vista de estructura y función. Esta ciencia, como tal, es relativamente joven, sin embargo, sus raíces, un poco difusas pueden ubicarse en los finales del siglo XVIII, como resultado de descubrimientos aislados de científicos de muy diversa especialidad, pero en su mayor parte relacionados con la química, la física y la biomedicina. Entre los descubrimientos realizados en esta etapa, que tendrán importante repercusión en el desarrollo de esta ciencia deben destacarse el aislamiento y la identificación de numerosas sustancias naturales. 
La Bioquímica es una de las disciplinas que mayor desarrollo ha alcanzado en el Presente siglo. La labor de los bioquímicos en técnicas tan importantes como la nutrición, el control de enfermedades y la protección de cosechas, ha proporcionado aportes importantes en la tarea de alimentar a la población mundial. Además, el elevado desarrollo científico alcanzado por la bioquímica en los últimos años ha contribuido a aumentar los conocimientos acerca de las bases químicas de la vida. Es por lo anterior que daremos comienzo al estudio de esta asignatura ya que nos ayudará a comprender mejor la asignatura de Nutrición y otras afines a nuestra carrera de Ingeniería Agropecuaria. La bioquímica estudia: 1) La composición molecular de las células vivas; 2) Las reacciones químicas que sufren los compuestos biológicos; 3) La regulación de esas reacciones 1.2 Objeto de estudio de la bioquímica El estudio de los compuestos relacionados con los procesos biológicos y los cambios que sufren durante estos procesos es el objeto de estudio de la Bioquímica. Esta ciencia estudia la composición química de los seres vivos, la estructura de los compuestos químicos que forman a los seres vivos, sus propiedades, características y funciones biológicas. ¿Cómo nació la bioquímica? Todo inició cuando un profesor demostró que se podía obtener urea a partir de sustancias no vivas (pues en la época se hablaba de materia viva y materia no viva) y así nace la química orgánica. Con el tiempo se encontró que muchos compuestos llamados orgánicos no participaban en procesos biológicos, es mas se llegó a comprobar que la mayoría no participaban en efecto. Para entonces ya los biólogos habían encontrado las diferencias básicas entre los compuestos biológicos y los orgánicos (es un hecho ya bien conocido que los compuestos biológicos son una rama de los compuestos orgánicos con sus excepciones) al descubrir la primera de las enzimas y establecen una rama de estudio que los químicos puros recibieron con buenos ojos: bioquímica. 1.3 Antecedentes históricos del trabajo pionero bioquímico La bioquímica, como toda ciencia, se estructura sobre la base de conceptos, categorías principios y leyes que se verifican por medio de la experimentación y la práctica. El desarrollo de una ciencia mantiene una estricta continuidad; la bioquímica no es una excepción y en su desarrollo histórico se refleja el ejercicio de la práctica. En sus inicios, la bioquímica estuvo ligada a la medicina. Con la introducción de los conocimientos químicos surgió una nueva disciplina que fue denominada química médica la cual planteaba que las enfermedades no eran más que el resultado de alteraciones en los procesos químicos de los organismos. A partir de 1,700 los estudios Boyle y otros investigadores (1627- 1691) condujeron a la separación de la química y la medicina. En el siglo XVII, las bases científicas de la bioquímica surgieron de los estudios realizados por Scheele y Lavoisier. Scheele realizó estudios sobre la composición química de las drogas de origen vegetal y la composición de plantas y animales en general y extrajo sustancias como el ácido cítrico a partir del jugo de limón el ácido tartárico a partir del vino de uvas y los ácidos málico y lácteo a partir de manzanas y de la leche, también obtuvo glicina a partir de aceites vegetales. Lavoisier investigó la combustión llegando a la conclusión de que en ese proceso se consume oxígeno, se elimina dióxido de carbono y se desprende calor. Dalton en ese mismo siglo desarrolló la teoría atómica. Priestley y Scheele descubrieron el oxígeno y la asimilación del dióxido de carbono por lo vegetales. Berzelius y Liebig (1803-1873) desarrollaron las técnicas de análisis elemental cuantitativo. Las raíces de la bioquímica descriptiva las encontramos en las investigaciones de Scheele y las de la bioquímica dinámica en los trabajos de Lavoisier, éste aclaró la naturaleza de la respiración animal y la relación de este fenómeno fisiológico con la producción de calor corporal, dando inicio al metabolismo energético. El estudio del calor indujo a Pluger a demostrar que el proceso de combustión de los alimentos se realiza en los tejidos. En 1822-1895 Pasteur al estudiar la fermentación constituyó un momento importante en el desarrollo de la bioquímica y sentó las bases de la química biológica moderna especialmente de la enzimología. El estudio del calor durante la primera parte del siglo XIX condujo a Robert Mayer a formular la ley de la conservación de la energía, la que aplicó a los seres vivos y no vivos. Los trabajos de Mayer y sus continuadores sentaron las bases de la termodinámica esencial para comprender las relaciones energéticas en los sistemas biológicos Emil Fisher (1852-1919) utilizando las técnicas de la química orgánica, estableció sus estructuras por degradación y síntesis posterior y con esto la bioquímica se consolida definitivamente como disciplinas científica. En 1903 Takamine y Aldrich obtuvieron la primera hormona en estado puro; la adrenalina, entre 1905 y 1906 Pekelharing y Hopkins descubrieron la existencias de las vitaminas como factores esenciales para la nutrición en pequeñas cantidades y cuya carencia produce enfermedades específicas conocidas desde la antigüedad. En los logros alcanzados por la bioquímica han influido decisivamente las técnicas desarrolladas más recientemente, entre las que pueden citarse la cromatrografía en el papel, las resinas de intercambio iónico y la combinación de estas técnicas con instrumentos automáticos de precisión para recoger y analizar las muestras. Estas técnicas dieron acceso al análisis cuantitativo de la composición química de los diversos materiales biológicos y la explicación de la organización estructural de las macromoléculas. El descubrimiento de las técnicas isotópicas y su aplicación en las investigaciones bioquímicas ha permitido profundizar en los procesos de síntesis y degradación celular. 1.4 Relación de la bioquímica con otras ciencias La bioquímica tiene sus raíces en la medicina, la nutrición, la agricultura, la fermentación y los procesos químicos de los productos naturales. Actualmente, se ocupa del estudio químico de las moléculas que se encuentran en el interior de los sistemas vivos o asociadas con estos, en especial los procesos químicos relacionados con las interacciones de dichas moléculas. (Conn et al, 2002) La bioquímica influye profundamente en la medicina. Los mecanismos moleculares de muchas enfermedades, tales como la anemia falciforme y numerosos errores innatos del metabolismo, han sido dilucidados. Los análisis de actividades enzimáticas son indispensables para el diagnóstico clínico correcto. Así, por ejemplo, los niveles de ciertos enzimas en suero revelan si un paciente acaba de sufrir un infarto de miocardio. Los análisis de ADN se utilizan en el diagnostico de enfermedades genéticas o infecciosas. Además, la bioquímica constituye la base para el diseño racional de nuevos fármacos. También la agricultura se beneficia de la tecnología del ADN recombinante, la cual puede producir cambios programados en la dotación genética de los organismos vivos. 1.5 Importancia de la bioquímica para las ciencias agropecuarias La bioquímica proporciona a los ingenieros agrónomos y pecuarios métodos efectivos para el aumento de los cultivos el desarrollo y mejoramiento de masa animal, tanto desde el punto de vista cuantitativo como cualitativo. La aplicación de sistemas moderno de producción tiene como base la investigación que proporciona mayor rendimiento y desarrollo económico, investiga formas de mejorar la nutrición del hombre y de los animales. En la bioquímica el ingeniero agropecuario halla fundamentos científicos que le permiten encaminar adecuadamente la autoconservación y la autoproducción que es la base fundamental para el aumento d el producción agropecuaria. Da una mejor comprensión para los distintos tipos de cría de animales; busca formas de solucionar los problemas de rechazo de tejidos en los trasplantes médicos. Las investigaciones bioquímicas sirven de bases a los sistemas modernos adoptando los métodos de cultivo para un mayor desarrollo y rendimiento económico; busca alternativas para los insecticidas y fertilizantes o incrementando la biodegradación de los productos desechados en procura de mejorar el medio ambiente. Permite comprender los fenómenos naturales que ocurren en las plantas y establecen las bases del crecimiento necesarios para abordar satisfactoriamente las necesidades del desarrollo. También nos dará respuesta a la problemática del crecimiento de la población mundial para aumentar la producción de alimento por métodos no convencionales que no pueden ser el producto de la aplicación de métodos de investigación empírica. El conocimiento profundo de los mecanismos de las reacciones bioquímicas más importantes permitirá mejorar la eficiencia de la producción tanto de origen animal como vegetal. La bioquímica es una ciencia médica y biológica fundamental que ayuda a comprender la biología celular, la microbiología, la nutrición, la farmacología y la fisiología molecular. El esclarecimiento de los mecanismos de los procesos patológicos (patogénesis) es uno de los objetivos de la bioquímica médica. Además, el conocimiento de la bioquímica es útil en el diagnóstico y tratamiento de las enfermedades, y las pruebas que se realizan en los laboratorios de química clínica se utilizan para vigilar el tratamiento. Toda la materia viva o no, está compuesta por elementos químicos o bioelementos. Desde los aproximadamente 100 elementos que existen en la naturaleza unos 70 se encuentran en los seres vivos. Entre estas tenemos: Hidrógeno, Oxígeno, Carbono, Nitrógeno, Fósforo y Azufre. Estos constituyen el 99% del peso de los organismos vivos. 1.6 Biomoléculas ¿Que son las biomoléculas? Las biomoléculas se definen como aquellas moléculas presentes en los organismos vivos 1.6.1 Átomos y Moléculas Cada elemento químico se diferencia de otro, por la estructura de sus átomos. Un átomo está constituido por un núcleo central que contiene protones (P+), neutrones, electrones (e-). Los átomos son capaces de interactuar unos con otros y pueden quedar unidos formando moléculas. Esta unión es lo que se denomina enlace químico. A su vez las moléculas son capaces de interaccionar de forma semejante unas con otra y formar macromoléculas. Los bioelementos se unen entre sí para formar moléculas que llamaremos biomoléculas, estas biomoléculas se definen como aquellas moléculas presentes en los organismos vivos, formados por 4 elementos (H, O, C y N). 1.6.2 Moléculas de los seres vivos La molécula más abundante en los seres vivos es el agua, pudiendo representar hasta el 70% del peso de un ser vivo y constituye ¾ de la superficie terrestre. Carbono: es el elemento más abundante en la composición de los seres vivos y es vital para los seres vivos ya que es el constructor de los esqueletos que son la base estructural de las moléculas constituyente de los seres vivos dentro de las moléculas orgánicas o compuestos de carbono. Podemos diferenciar por su tamaño dos grandes grupos. Pequeñas moléculas orgánicas: como son los azucares sencillos, los aminoácidos, los nucleótidos, los ácidos grasos y esteroides. Macromoléculas: moléculas de elevado peso molecular, de gran tamaño como son: los polisacáridos, las proteínas y los ácidos nucleicos. 1.6.3 Clasificación de biomoléculas Se clasifican según naturaleza química y según grado de complejidad estructural. Según naturaleza química son: Biomoléculas inorgánicas Estas no solo son formadas por los seres vivos pero son muy importantes para ellos, tales como: agua (la más abundante), gases (oxígeno, dióxido de carbono y sales inorgánicas (fosfato, bicarbonato y amonio). Biomoléculas orgánicas Son sintetizadas solamente por los seres vivos y tienen una estructura a base de carbono, entre estas son: glúcidos, lípidos, proteínas, ácido nucleico y los metabolitos. Según grado de complejidad son. Precursoras de peso bajo molecular como agua, anhídrido carbónico y amoníaco. Intermediarios metabólicos como: oxalacetato, piruvato y citrato, estos posteriormente se transforman en otros compuestos. Unidades estructurales, también llamadas constitutivas de macromoléculas como los monosacáridos, (celulosa y almidón), aminoácidos de las proteínas, nucleótidos de los ácido nucleicos, glicerol y ácidos grasos. 1 Proteínas .6.4 Moléculas biológicas  Tipos de moléculas biológicas Carbohidratos Lípidos Acido nucleico Estas biomoléculas son importantes ya que cada una de ellas desempeña funciones idénticas en todas las especies de las células. Carbohidratos Son sustancias formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Se conocen también como hidratos de carbono. Son los que más energía aportan a los seres vivos  Monosacáridos Clasificación de los carbohidratos Disacáridos Polisacáridos Monosacáridos: se caracteriza por su sabor dulce y por su solubilidad en agua esta formado por una molécula, por eso se les conoce como azucares simples. Entre los más conocidos e importantes en la biología son: glucosa, fructosa y galactosa. La glucosa, elaborada por las células de las plantas verdes, a través de la fotosíntesis es el principal combustible tanto en célula animal como vegetal, en otra palabras es la molécula cuya degradación química obtienen energía todos los seres vivos, por eso esta es imprensindible en la sangre. La fructosa es el azúcar de las frutas y también esta en la miel de abejas y la galactosa se encuentra en la leche y es parte de las reservas nutritivas de los animales. La fructosa y galactosa también se fabrica en células de plantas verdes Disacáridos algunos seres vivos son capaces de combinar dos moléculas de azúcar sencillos para formar una molécula de azúcar doble. Entre los disacáridos tenemos: sacarosa, lactosa y maltosa. Sacarosa. Azúcar que utilizamos para endulzar o bien es el azúcar común de masa se encuentra en la caña de azúcar y en la remolacha y se encuentra en pequeñas cantidades en todas las plantas. La sacarosa esta formada por la unión de una molécula de glucosa y una de fructosa. Maltosa esta formada por 2 moléculas de glucosa, se encuentra en la semilla de cebada y malta. Lactosa esta formada por la unión de una molécula de galactosa y una de glucosa, este es el azúcar de la leche y se encuentra en la leche de los mamíferos. Polisacáridos Son los carbohidratos más abundantes en los seres vivos, no son solubles en agua. Están formados generalmente por más de dos moléculas de monosacáridos, generalmente glucosa. Entre estos tenemos: Almidón: son polisacáridos hechos de unidades de glucosa en cadenas ramificadas. Cada vez que una unidad de glucosa se une a la cadena se elimina una molécula de agua. El almidón es producto de almacenamiento de energía en las plantas y se encuentra en hojas, tallos y raíces El almidón animal y glucógeno es una cadena muy ramificada de unidades de glucosa. Se produce en el hígado y se almacena en el y en los músculos. Cuando se necesita combustible extra, el hígado convierte el glucógeno en glucosa. Los corredores de largas distancias deben de comer grandes cantidades de carbohidratos, más de las acostumbradas y ya que la energía química almacenada como glucógeno puede usarse durante la carrera. La celulosa es otro polisacárido grande, esta puede contener 3,000 moléculas de glucosa. La celulosa forma una estructura fibrosa y fuerte en las paredes celulares de las plantas que la contienen, por tal razón las plantas son rígidas. Quitina. Esta presente en el esqueleto externo de los crustáceos, en la parte dura de los insectos y en la pared celular de los hongos. La quitina es un polisacárido modificado en altas resistencias. 1.6.5 Lípidos Son otro grupo de macromoléculas. Los más comunes son los aceites y ceras. Son los constituyentes principales de las células almacenadotas de grasa en los animales y vegetales, estos son solubles en agua ye insolubles en disolventes orgánicos. Los lípidos están formados principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno. Los lípidos se les llaman fuente de reservas de energía ya que se utilizan cuando los carbohidratos se terminan. Estos sirven como aislante térmico, forman parte de la membrana biológica y dan protección a órganos blandos. Los lípidos que son líquidos a temperatura ambiente se conocen como aceites tales como aceites vegetales (maíz, maní y soya). Las ceras como las de las abejas están hechas de ácidos grasos unidos a un alcohol diferentes al glicerol. Las grasas se acumulan en las células adiposas de los animales. En estos, las grasas suelen llevar una elevada proporción de ácidos grasos saturados y por lo tanto son sólidos a temperatura ambiente. Las grasas de origen vegetal, sin embrago, tiene una gran proporción de ácidos grasos insaturados, estos rompen la simetría y el ordemaniento de las moléculas provocando una fluidez en las mezclas. La presencia de grasas de origen vegetal en la dieta humana es necesaria ya que muchos de los ácidos grasos insaturados no pueden ser sintetizados por el hombre. Saponificables C  lasificación in saponificables Clasificación de los lípidos Los saponificables: pueden ser simples y complejos. Entre los simples tenemos (ácidos grasos, glicerol o glicerina), entre estos tenemos las grasas animal, aceites vegetal ceras de plantas y animales. Los complejos tienen fósforo además de grasas y glicerol los más importante son los fosfolípidos. Los fosfolípidos tienen una importante función dentro de la membrana celular, pues mantienen la estructura de capas polares y apolares de ella. Los fosfolípidos son útiles para el transporte de los lípidos en medios acuosos como la sangre. Los insaponificables o lípidos sencillos no contienen ácidos grasos en su molécula. Son mucho más abundante en las células que los anteriores, entre estos tenemos: terpenos, esteroides y prostaglandina. Los terpenos se encuentran en las plantas y obtiene como aceite y resina. En este grupo incluye vitamina A, K, E. Los esteroides son insolubles en agua entre estoas tenemos: colesterol, vitamina D, hormonas sexuales y sales biliares. La prostaglandina es una sustancia que interviene en procesos fisiológicos como en la construcción muscular, en la coagulación de la sangre y regulación de la presión sanguínea 1.6.6 Proteínas Son compuestos orgánicos más comunes en las células vivas. Las moléculas de proteínas están hechas de principalmente de carbono, nitrógeno, oxígeno e hidrógeno. Se consideran que son las más importantes puesto que son las sustancias de la vida. Son la materia prima de la piel, músculo, tendones, nervios, sangre, enzimas, anticuerpos y muchas hormonas. Los bloques de construcción básicos de proteínas son los aminoácidos. Hay cerca de 20 aminoácidos comunes, cada uno contiene un grupo de amino y un grupo ácido orgánico. Los aminoácidos son las letras que forman la palabra de proteína. Una sola molécula de proteína puede tener tan pocas como 50 y tantas como 3,000 unidades de aminoácidos. Se dice que la unión de dos aminoácidos forman un compuesto llamado dipéptido y si, se le agrega, se llama tripéptido. La adición de varios aminoácidos produce un polipéptido, por lo tanto una proteína esta compuesta por una o varias cadenas de polipéptidos. Un ser humano tiene decenas de miles de proteínas diferentes. Las proteínas de los vegetales, animales que ingerimos en los alimentos son diferentes a nuestras propias proteínas. Por ejemplo: no podemos usar directamente la proteína de una hamburguesa, sino que estas proteínas deben de romperse en aminoácidos en tu cuerpo, a este proceso se le llama hidrólisis. Todo este proceso se da en un organismo, el cual es un sistema químico en donde las sustancias están el constante cambio. Las moléculas reaccionan con otras moléculas. Los compuestos se sintetizan y se rompen otra vez. Estos cambios son originados y controlados a través de las enzimas. Enzimas: son proteínas que actúan como catalizadores y estos catalizadores son sustancias que pueden aumentar la velocidad de una reacción química. Las enzimas son específicas en sus acciones. Es decir cada una tiene cierto trabajo. Ejemplo. Una enzima en la saliva actúa solo sobre el almidón y esta cambia el almidón en maltosa. Si masticamos un alimento como un trozo de papa, parte del almidón cambia a azúcar en tu boca. Las enzimas controlan casi todos los cambios químicos en la condición de vida. Clasificación de las proteínas
1.6.7 Acido nucleico Son compuestos de naturaleza ácida y fueron encontrados en el núcleo de las células.  Ácido riibonucleico (ARN) Tipos de ácido nucleico Ácido desoxirribonucleico (ADN) El ADN esta presente en los cromosomas del núcleo celular, es el principal reservorio de la información genética. También hay ARN en el núcleo y en otras estructuras celulares llamadas ribosomas. Los diversos tipos de ARN tienen funciones específicas en el proceso de síntesis de proteínas. Composición bioquímica del protoplasma comparado en vegetal y animal
1.6.3 Importancia para los seres vivos. Las cuatro biomoléculas desempeñan funciones idénticas, en todas las especies de células. Los ácidos nucleicos actúan universalmente, en el almacenado y transmisión de la información genética. Las proteínas son los productos directos y los efectores de la acción de los genes, y a ellas se incorpora la información genética. Las proteínas son polímeros formados por residuos de aminoácidos. En la síntesis de proteínas participan 20 aminoácidos codificados genéticamente. Las proteínas tienen un papel estructural, funcional, de defensa y regulador en la vida. Las grasas o lípidos son solubles en solventes orgánicos (éter o cloroformo y metanol). En la naturaleza hay una gran variedad de lípidos. Las grasas (triglicéridos) sirven como formas de almacenamiento de energía, los fosfolípidos se encuentran en las membranas y los esteroides están en las membranas y constituyen las hormonas esteroides. Los carbohidratos, o azucares, son compuestos solubles en agua que participan tanto en la energética como en la estructura de células y órganos. Los polisacáridos son grandes polímeros de carbohidratos constituidos por unidades llamadas monosacáridos, que son las unidades de azucares mas simples. Los oligosacáridos son compuestos formados por unos pocos residuos de monosacáridos que pueden estar unidos a proteínas. Los oligosacáridos tienen papel estructural y funcional en la economía celular (Roskoski, 1997). Guía de auto estudio ¿Cuál es la importancia de la bioquímica para las ciencias agropecuaria? Mencione la importancia de las biomoléculas Enumere la clasificación de las proteínas según sus funciones Bibliografía Pérez Gadea, S. Módulo I: Introducción al estudio de la bioquímica. Dirección de educación a Distancia. Escuela de Agricultura de Estelí. Cardellá Rosales L., Miyares Calás M., Urquiza Hernández H., Soto Celada J., Vicedo A., Díaz González R., Pérez Díaz A., 1983. Bioquímica I. Establecimiento 06, Cuba. 480 p. Stryer Lubert, 1993. Bioquímica, Tomo I. Versión española de la 3era. Edición: Biochemistry, Third edition. Editorial Reverté, Barcelona, España. 549 p. |
