BIOQUIMICA

** BIOQUIMICA ** ESTUDIA LAS ESTRUCTURAS Y REACCIONES DE LOS QUIMICOS QUE OCURREN EN LOS SERES VIVIENTES CARBOHIDRATOS  Los carbohidratos como el azúcar común, la lactosa en la leche y la celulosa están hechos de carbono, hidrógeno y oxigeno. Alguna vez se pensó que los azúcares simple que tienen fórmulas de Cn(H2O)n, eran hidratos de carbono, de ahí el nombre de carbohidratos. Son los compuestos orgánicos más abundantes en la naturaleza. En las plantas, la energía del sol se convierte en dióxido de carbono y el agua en carbohidrato de glucosa. Muchas moléculas de glucosa se unen para formar polímeros de cadena larga de almidón que almacenan energía, o en celulosa para construir la estructura de la planta. Todos los días se disfrutan los polisacáridos llamados almidones en el pan y las pastas. El azúcar común que se usa para endulzar el cereal, té o café es sacarosa, un disacárido que consiste de dos azúcares simples: glucosa y fructosa. Monosacáridos Son azúcares simples que tienen una cadena no ramificada de tres a seis átomos de carbono, con un carbono en un grupo carbonilo y e resto unidos a grupos hidroxilo. En una Aldosa, el grupo carbonilo está en el primer carbono como un aldehído (-CHO); una cetosa tiene el grupo carbonilo en el segundo átomo de carbono como una cetona (C=O). Un monosacárido con tres átomos de carbono es una triosa, con con cuatro átomos de carbono es una tetrosa, una pentosa tiene cinco carbonos una hexosa seis carbonos. Por tanto, una aldopentosa es un monosacárido de cinco carbonos que es un aldehido; una cetohexosa sería un monosacárido de seis carbonos que es una cetona.
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DISACÁRIDOS Y POLISACÁRIDOS Un disacárido está compuesto de dos monosacáridos unidos. Los disacáridos más comunes son maltosa, lactosa y sacarosa, que consisten de los siguientes monosacáridos: Maltosa + H2O H+ glucosa + glucosa Lactosa + H2O H+ glucosa + galactosa Sacarosa + H2O H+ glucosa +fructosa **La maltosa**, Oo azúcar de malta, se obtiene del almidón. La maltosa se utiliza en cereales, dulces y la fermentación de bebidas. En la maltosa, un enlace glucosidico une las dos moléculas de glucosa con la pérdida de una molécula de agua. **La lactosa**, azúcar de leche, se encuentra en la leche y productos lácteos. Constituye del 6-8% de la leche humana y aproximadamente 4-5% de la leche de vaca. Algunas personas no producen suficientes cantidades de la enzima necesaria para descomponer la lactosa, y el azúcar permanece sin digerir, lo que causa cólicos y diarrea. En algunos productos comerciales se agrega una enzima llamada lactasa para descomponer la lactosa. **La Sacarosa**, Azúcar ordinaria de mesa, es un disacárido que es el carbohidrato más abundante del mundo. La mayor parte de la sacarosa del azúcar proviene de la caña de azúcar (20% de masa) o de las remolachas (15% de masa). Tanto la azúcar refinada como la no refinada son sacarosa. Algunas estimaciones indican que cada persona en Estados Unidos consume un promedio de 45kg (100lb) de sacarosa cada año, por si misma o en una variedad de productos alimenticios. La sacarosa consiste de moléculas de glucosa y fructosa unidas mediante un enlace. POLISACÁRIDOS Es un polímero de muchos monosacáridos unidos. Tres polisacáridos biológicamente importantes (almidón, celulosa, glucógeno) son polímeros de la glucosa, que sólo difieren en el tipo de enlace glucosidico y la cantidad de ramificación en la molécula. El almidón, una forma de almacenamiento de glucosa en las plantas, está compuesto de dos tipos de polisacáridos. La **amilosa,** que constituye aproximadamente 20% del almidón, consiste de moléculas de glucosa unidas mediante enlaces glucosidicos en una cadena continua. Un polímero típico de la amilasa puede tener de 250 a 4000 unidades glucosa. A veces llamado polímero de cada recta, los polímeros de la amilasa en realidad están enrollados en forma helicoidal. La **amilopectina**, que constituye el 80% del almidón de las plantas, es un polisacárido de cadena ramificada. Los almidones se hidrolizan fácilmente en agua y ácido para producir sacáridos mas pequeños llamados dextrinas, que luego se hidrolizan a maltosa y finalmente a glucosa. En nuestros cuerpos, estos carbohidratos complejos se digieren mediante las enzimas amilasa (en la saliva) y maltasa. La glucosa obtenida proporciona aproximadamente 50% de nuestras calorías nutricionales. El **glucógeno**, un almidón animal, es un polímero de glucosa que se almacena en el hígado y los músculos de los animales. Se usa en nuestras células para mantener el nivel de glucosa en la sangre y proporcionar energía entre comidas. La estructura del glucógeno es muy similar a la de la amilopectina, excepto que el glucógeno es más ampliamente ramificado. En el glucógeno, las ramificaciones ocurren aproximadamente cada 10-15 unidades de glucosa. La **Celulosa** es el principal material estructural de la madera y las plantas. El algodón es casi pura celulosa. En la celulosa, las moléculas de glucosa forman una larga cadena no ramificada similar a la de la amilosa. Las enzimas en nuestra saliva y jugos pancreáticos rompen los enlaces 1-4 glucosídicos de los almidones. No obstante no hay enzimas en los humanos que rompan los enlaces de la celulosa; no podemos digerir la celulosa. Algunos animales como cabras y vacas, e insectos como las termitas, son capaces e obtener glucosa de la celulosa. Sus sistemas digestivos contienen bacterias y protozoarios con enzimas que pueden romper estos enlaces.

Bioquímica

La bioquímica estudia la base molecular de la vida. En los procesos vitales interaccionan un gran número de substancias de alto peso molecular o macromoléculas con compuestos de menor tamaño, dando por resultado un número muy grande de reacciones coordinadas que producen la energía que necesita la célula para vivir, la síntesis de todos los componentes de los organismos vivos y la reproducción celular.

Al conjunto de reacciones que suceden dentro de los seres vivos se le llama metabolismo.

Actualmente se conoce a detalle la estructura tridimensional de las macromoléculas de mayor importancia biológica, los ácidos nucleicos y las proteínas, lo que ha permitido entender a nivel molecular sus funciones biológicas.

Gracias al conocimiento de la estructura de los ácidos nucleicos, se esclarecieron los mecanismos de transmisión de la información genética de generación a generación, y también los mecanismos de expresión de esa información, la cual determina las propiedades y funciones de las células, los tejidos, los órganos y los organismos completos.

Conocer a detalle la estructura de varias proteínas ha sido muy útil en la elucidación de los mecanismos de las reacciones enzimáticas. Prácticamente todas las reacciones que integran el metabolismo son reacciones enzimáticas.

El tipo de especie química y los mecanismos de acción que intervienen en el almacenamiento, replicación y transferencia de la información genética, así como las reacciones que forman el metabolismo son prácticamente idénticas, desde las bacterias hasta los organismos superiores. No todas las células contienen y expresan la misma información, pero las reacciones que sí llevan a cabo, utilizan enzimas practicamente idénticas. De hecho las diferencias y similitudes entre ellas se han utilizado para establecer la secuencia de aparición de las especies. Los virus tienen algunas variantes, por ejemplo; los cromosomas de los retrovirus están constituidos por moléculas de ARN y en algunos fagos (virus que atacan a las bacterias) tienen ADN de una sola cadena. Los virus no cuentan con un metabolismo que les permita vivir en forma autónoma, sólo se pueden reproducir y expresarse dentro de las células que invaden.

Las reacciones que constituyen el metabolismo están localizadas en determinadas estructuras celulares que forman unidades discretas que se llaman organelos. Las reacciones se llevan a cabo en los lugares en donde se encuentran las enzimas que las catalizan. La célula no es un saco sin estructura, sino que es un sistema muy complejo y altamente organizado. En la subsección 1.1.2, denominada Citología, se encontrará la descripción de las estructuras celulares.

En seguida vamos a presentar la información más relevante, para la toxicología, sobre las macromoléculas biológicas en lo que se refiere a su estructura y función. Frecuentemente se mencionará la localización dentro de la célula de los sitios donde se sintetizan y actúan.

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Proteínas Las proteínas son macromoléculas que tienen múltiples funciones en el organismo; controlan las condiciones fisicoquímicas dentro de la célula, forman parte de las estructuras celulares y sobre todo catalizan prácticamente todas las reacciones que tienen lugar en la célula, y en este caso se les denomina Enzimas. La presencia de una enzima y su concentración en un compartimento biológico dado, determina la capacidad de ese compartimento de llevar a cabo una reacción bioquímica y la velocidad a la cual tiene lugar. Se conoce a detalle la estructura de varias proteínas, así como la relación que existe entre esa estructura y la función de varias de ellas. Se conoce también la cinética y los mecanismos de un número considerable de reacciones enzimáticas. Estructura. Las unidades estructurales de las proteínas son los aminoácidos. Todas las proteínas están construidas a partir del mismo conjunto de 20 aminoácidos. El carbono alfa, enmarcado en azul en la figura que sigue, de todos los aminoácidos sostiene un grupo amino, un grupo carboxilo y el residuo característico de cada aminoácido. 

Figura 1.1.1.A- Estructura de un Aminoácido. Los residuos R tienen diferente forma, carga, tamaño, reactividad química y capacidad de formar puentes de hidrógeno. El residuo es una cadena alifática, en el caso de la glicina (Gli), alanina (Ala), valina (Val), leucina (Leu), isoleucina (Ile) y prolina (Pro). En laserina (Ser) y treonina (Thr) el residuo es una cadena hidroxialifática. En los aminoácidos triptofano (Tri), tirosina (Tir) yfenilalanina (Phe) el residuo es una cadena aromática. La lisina (Lis), arginina (Arg) y la histidina (His) tienen residuos básicos y en el ácido aspártico (Asp) y el ácido glutámico (Glu) el residuo es un ácido carboxílico. En la asparangina (Asn) y en laglutamina (Gln) el residuo tiene una función amida y en la cisteina (Cis) y en la metionina (Met) contiene un átomo de azufre. Los aminoácidos se unen uno al otro, vía los grupos alfa amino de un aminoácido con el grupo alfa carboxilo de otro aminoácido. A esta unión se le denomina enlace peptídico y al producto se le denomina péptido. 

Figura 1.1.1.B.- Enlace Peptídico. Si se unen dos aminoácidos se le denomina dipéptido, y si son muchos se le llama polipéptido. Las proteínas están formadas por uno o más polipéptidos. En algunas ocasiones los polipéptidos están formados por más de 100 uniones peptídicas, o sea, son largas cadenas integradas por un número relativamente grande de aminoácidos. A la secuencia en la cual están acomodados los aminoácidos en una cadena peptídica se le denomina estructura primaria y se determina genéticamente. La estructura primaria determina la estructura tridimensional de la proteína, la que a su vez determina su función. 

Figura 1.1.1.C.- Estructura Tridimensional de una Proteína (Citocromo). Los polipéptidos se sintetizan en los organelos citoplasmáticos llamados ribosomas. Los aminoácidos se van uniendo, uno a uno, a la cadena del polipéptido en formación. La selección de cuál aminoácido se integra en un punto dado de la cadena, está determinada por el mensaje genético transportado desde los cromosomas por medio de los ácidos ribonucleicos. Una vez que se termina la construcción de la cadena, el polipéptido se libera al citoplasma donde se dobla sobre sí mismo hasta obtener la estructura tridimensional propia, pudiéndose agrupar con otros polipéptidos para constituir la proteína biológicamente activa. La estructura tridimensional está determinada por las interacciones entre los residuos de los aminoácidos que forman la cadena peptídica. Los grupos lipofílicos tienden a estar en el centro de la molécula y los grupos polares hacia afuera. Los residuos sulfurados forman uniones disulfhidrilo que estabilizan la forma de la proteína. Las uniones del tipo interacciones de van der Waals y los puentes de hidrógeno ayudan a posicionar las cadenas en el espacio, estabilizando la estructura tridimensional. El proceso por medio del cual la proteína adquiere su conformación en condiciones fisiológicas es espontáneo, no está catalizado por ninguna enzima y la conformación final depende exclusivamente de la estructura primaria. Cuando la proteína contiene, además de las cadenas de polipéptidos otros compuestos diferentes, se dice que la proteína es compleja. Ejemplo de proteínas complejas son las glicoproteínas involucradas en las inmunoreacciones, las hemoproteínas como la hemoglobina y la mioglobina involucradas en el transporte de oxígeno y, el citocromo P-450 involucrado en reacciones de óxido/reducción. Enzimas. En su función como enzimas, las proteínas hacen uso de su propiedad de poder interaccionar, en forma específica, con muy diversas moléculas. A las substancias que se transforman por medio de una reacción enzimática se les llama substratos. Los substratos reconocen un sitio específico en la superficie de la proteína que se denomina sitio activo. Al ligarse los sustrato a sus sitios activos en la proteína, quedan orientados de tal manera que se favorece la ruptura y/o formación de determinadas uniones químicas, se estabilizan los estados de transición al mismo tiempo que se reduce la energía de activación. Esto facilita la reacción e incrementa su velocidad varios órdenes de magnitud. La enzimas tienen una gran especificidad, por ejemplo catalizan la transformación de sólo un substrato o grupo funcional, pudiendo discriminar entre dos enantiomorfos. Normalmente el nombre de una enzima se forma con el nombre de la reacción que cataliza o el nombre del sustrato que transforman, terminando el nombre en "asa". Por ejemplo:


 * a las enzimas que transfieren un átomo de oxígeno a un metabolito se les denomina oxigenasas,
 * a las que transfieren un residuo de ácido glucurónico del ácido UDPglucurónico a un metabolito o xenobiótico, se le conoce como UDP glucuronil transferasa,
 * a las enzimas que catalizan la adición de una de las cuatro bases a una molécula de ADN en formación se le denomina ADN sintetasa o ADN polimerasa, las que hidrolizan el ADN se le llama ADNasa, etc.

Frecuentemente en la literatura se refieren en forma genérica a las enzimas que catalizan un tipo de reacción, por ejemplo a las que catalizan la oxidación de los metabolitos vía la transferencia de un átomo de hidrógeno a un determinado receptor, se les conoce como deshidrogenasas. En ocasiones se dice alcohol deshidrogenasa, o aldehído deshidrogenasa, cuando el compuesto que sede el hidrógeno es un alcohol o un aldehído. Sin embargo, en realidad las enzimas son más específicas que eso y actúan sobre un alcohol determinado y no en todos. De hecho, el nombre debería ser más específico y referirlo al nombre del substrato, por ejemplo; si el substrato es etanol la enzima debe de llamarse etanol deshidrogenasa. Hay otro tipo de reacciones en las que las enzimas que las catalizan reciben un nombre genérico, como las quinasas que catalizan la transferencia a un substrato de un ión fosfato del ATP. La glucoquinasa cataliza la fosforilación de glucosa en el carbón 6 para formar glucosa 6 fosfato. Existe un método sistemático, aprobado por las asociaciones internacionales de bioquímica, para integrar el nombre de una enzima, pero el mencionado anteriormente es el que se utiliza en este trabajo. Uniones tóxicos-proteínas. No siempre las interacciones entre las proteínas y los compuestos de relativo bajo peso molecular son del tipo enzima-sustrato. Pueden dar lugar a asociaciones de adición que no producen cambios en la cosntitución química del aducto. Esto sucede en la captación de tóxicos por las proteínas de la sangre y es una función muy importante dentro de los mecanismos de protección del organismo a la presencia de compuestos extraños ya que reduce la concentración de tóxicos libres en el plasma sanguíneo. El tóxico no asociado a proteínas es el que se puede transportar mas fácilmente a los tejidos.

· De acción enzimática: Las enzimas son proteínas que catalizan las reacciones químicas en los seres vivos, acelerándolas generalmente.

· Estructurales: Forman parte de la piel, los huesos, el cabello y los tejidos conectivos, brindándoles soporte; ejemplos de este tipo son el colágeno y la queratina.

· Contráctiles: Afectan el movimiento de los seres vivos. Los músculos están formado por proteínas contráctiles como la miosina, la actina y la tubulina.

· De acción hormonal: Son proteínas de comunicación química que permiten que en los organismos las células, los órganos o los sistemas funcionen de manera precisa, por ejemplo la insulina, que regula la oxidación de glucosa e los tejidos y también el nivel de ese azúcar en la sangre.

· De transporte: Llevan sustancias de un lugar a otro, por ejemplo la hemoglobina, que transporta oxígeno y bióxido de carbono.

· Inmunoglobulinas: Son proteínas de defensa que utiliza el cuerpo para eliminar o neutralizar sustancias extrañas.



Alimentos que contienen proporciones variables de proteína

La carne, pescado, leche, huevos, y las semillas vegetales (legumbres y cereales).

En el proceso de la digestión, las proteínas se descomponen dando como resultado los aminoácidos, los cuales son absorbidos en las paredes intestinales y distribuidos a través de la sangre a los diferentes órganos, tejidos y células, donde son utilizados para construir las proteínas humanas.

Nuestro organismo puede sintetizar algunos aminoácidos a partir de otras sustancias; sin embargo, hay otros que no se pueden obtener de esa manera por lo que sólo se incorporan a partir de los alimentos; son los llamados aminoácidos esenciales.

El valor biológico de las proteínas está en relación con su contenido de aminoácidos esenciales.

La alimentación de las personas debe combinar productos de origen a animal y vegetal; por lo menos un gramo de proteínas por kilogramo de peso debe ingerirse cada día, y de esa cantidad un 40 por ciento debe ser de origen animal.

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