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Principios básicos de bioquímica y metabolismo bacteriano aplicado 1

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PRINCIPIOS BÁSICOS DE
BIOQUÍMICA Y METABOLISMO
BACTERIANO APLICADO AL
PROCESO.
Digestión
PTAR Juan Díaz Panamá
2016
OBJETIVOS DE LA FORMACIÓN
Al final de la formación, usted:
•
•
Estará en capacidad de identificar la estructura
química de los 4 grupos principales de
biomoléculas que forman parte de los sistemas
biológicos.
Comprenderá la función biológica de los 4 grupos
principales de biomoléculas que forman parte de
los seres vivos.
OBJETIVOS DE LA FORMACIÓN
Al final de la formación, usted:
•
•
•
•
Conocerá los grupos de microorganismos que
participan en el proceso de la Digestión
Anaerobia.
Conocerá 6 principios básicos que gobiernan
todas las reacciones bioquímicas.
Conocerá paso a paso los principales procesos
biológicos que ocurren en la Digestión
Anaerobia.
Comprenderá las implicaciones bioquímicas de
los parámetros controlados en el proceso de la
Digestión Anaerobia.
I MÓDULO
BIOMOLÉCULAS
Puntos claves a recordar en este módulo:
•Monómero del cual esta constituido cada Biomolécula.
•Función Biológica de cada tipo de Biomolécula.
RAZONES PARA CONOCER SOBRE LAS BIOMOLÉCULAS, SU
ESTRUCTURA Y SU FUNCIÓN BIOLÓGICA EN NUESTRO
TRABAJO


Los
microorganismos
que
participan
en
diferentes etapas del
proceso de tratamiento
(al igual que nosotros)
están
formados
por
biomoléculas.
Los
microorganismos
que
participan
en
diferentes etapas del
proceso de tratamiento
(al igual que nosotros)
consumen
y
transforman
las
biomoléculas como parte
de su metabolismo.
¿Porqué debo
aprender esto?
¿Para que me
sirve esto como
operador?
INTRODUCCIÓN
¿DE QUE ESTA HECHA LA VIDA?
La vida esta hecha de
CHONPS
Carbono
Hidrógeno
Oxigeno
Nitrógeno
Fósforo
Azufre
SIENDO EL CARBONO EL ELEMENTO PRINCIPAL DE
TODAS LAS FORMAS DE VIDA EN ESTE PLANETA
Características del Carbono
* Permiten la formación de enlaces covalentes entre ellos,
compartiendo electrones, debido a su pequeña diferencia
de electronegatividad. Estos enlaces son muy estables, la fuerza de
enlace es directamente proporcional a las masas de los átomos
unidos.
* Permiten a los átomos de carbono la posibilidad de formar esqueletos
tridimensionales –C-C-C- para formar compuestos con número
variable de carbonos.
* Permiten la formación de enlaces múltiples (dobles y triples) entre C
y C; C y O; C y N. Así como estructuras lineales, ramificadas,
cíclicas, heterocíclicas, etc.
* Permiten la posibilidad de que con pocos elementos se den una
enorme
variedad
de
grupos
funcionales (alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos, aminas, etc.) con
propiedades químicas y físicas diferentes.
BIOMOLÉCULA
DEFINIENDO EL CONCEPTO
Las
Biomoléculas
(también
llamadas
Macromoléculas orgánicas
son moléculas grandes
formadas a partir de la
unión
repetitiva de
moléculas mas pequeñas
idénticas o muy similares.
A las moléculas grandes
se les llama polímeros, y
las moléculas chicas de
las cuales están formadas
se llaman monómeros
Polímero (del griego: poly:
«muchos» y mero: «parte»,
«segmento»).
Un
monómero (del griego mono,
‘uno’, y meros, ‘parte’)
LOS 4 GRUPOS DE BIOMOLÉCULAS
* Glúcidos ( Carbohidratos ).
* Proteínas
* Lípidos
* Ácidos Nucleícos
BIOMOLÉCULAS
LOS GLÚCIDOS
Son biomoléculas
constituidas por C, H, y O (a
veces tienen N, S, o P)
El nombre de glúcido deriva
de la palabra "glucosa" que
proviene del vocablo
griego glykys que significa
dulce, aunque solamente lo
son algunos monosacáridos y
disacáridos.
FUNCIÓN DE LOS GLÚCIDOS
Glúcidos energéticos:
Los monosacáridos y los disacáridos, como la glucosa, actúan como
combustibles biológicos, aportando energía inmediata a las células; es la
responsable de mantener la actividad de los músculos, la temperatura corporal,
la presión arterial, el correcto funcionamiento del intestino y la actividad de
las neuronas. Los glúcidos aparte de tener la función de aportar energía
inmediata a las células, también proporcionan energía de reserva a las células.
Glúcidos estructurales:
Algunos polisacáridos forman estructuras esqueléticas muy resistentes
-Mureína o Peptidoglicano: Componente de las paredes celulares de bacterias.
-Lipopolisacáridos: Componente de la membrana externa de bacterias Gram (-).
-Celulosa: Componente de la pared celular vegetal.
-Quitina: Compone el exo-esqueleto de artrópodos como los insectos y crustáceos y
la pared de células de hongos.
-Mucopolisacáridos: Forman parte de la matriz de tejidos conectivos.
- Además podemos encontrar glúcidos formando parte de la estructura de otras
biomoléculas como protéinas, lípidos, y ácidos nucleicos.
CLASIFICACIÓN DE LOS GLÚSIDOS
LOS MONOSÁCARIDOS

Monosacáridos: Los glúcidos
más simples, están formados
por una sola molécula; no
pueden ser hidrolizados a
glúcidos más pequeños. La
fórmula química general de un
monosacáridos no modificado
es (CH2O)n, donde n es
cualquier número igual o
mayor a tres, su límite es de 7
carbonos.
CLASIFICACIÓN DE LOS GLÚSIDOS
LOS DISACÁRIDOS

Disacáridos:
son
glúcidos
formados por dos moléculas de
monosacáridos y, por tanto, al
hidrolizarse
producen
dos
monosacáridos libres. Los dos
monosacáridos se unen mediante
un enlace covalente conocido
como enlace glucosídico, tras
una
reacción
de
deshidratación que implica la
pérdida de un átomo de hidrógeno
de un monosacárido y un grupo
hidroxilo del otro monosacárido,
con la consecuente formación de
una molécula de H2O, de manera
que la fórmula de los disacáridos
no modificados es C12H22O11
CLASIFICACIÓN DE LOS GLÚSIDOS
LOS OLIGOSACÁRIDOS

Oligosacáridos: están compuestos por tres a nueve moléculas de
monosacáridos que al hidrolizarse se liberan. Los oligosacáridos se
encuentran con frecuencia unidos a proteínas, formando
las glucoproteínas, como una forma común de modificación tras la
síntesis proteica.
CLASIFICACIÓN DE LOS GLÚSIDOS
LOS POLISACÁRIDOS

Los polisacáridos son cadenas, ramificadas o no, de más de diez
monosacáridos, resultan de la condensación de muchas moléculas
de monosacáridos con la pérdida de varias moléculas de agua. Su
fórmula empírica es: (C6 H10 O5)n. Los polisacáridos representan
una clase importante de polímeros biológicos y su función en
los organismos vivos está relacionada usualmente con estructura o
almacenamiento.
AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS
Un aminoácido es una molécula orgánica con
un Carbono central enlazado a un grupo amino (-NH2) y
un grupo carboxilo (-COOH), un átomo de hidrogeno y
una cadena lateral R, quien es quien le confiere su
identidad.
AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS
Las proteínas son moléculas
grandes, de alto peso molecular,
formadas
de
cadenas
de
aminoácidos,
unidos
por
enlaces
peptídicos.
Las
proteínas se forman en los
ribosomas. Mediante el proceso
de la traducción (Síntesis
proteica)
Nota
importante:
En
la
naturaleza hay ciento de miles
de aminoácidos, pero solo 20
aminoácidos son los que están
presente en las proteínas. A
estos 20 aminoácidos se les
llama los 20 aminoácidos
esenciales.
NIVEL DE ORGANIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS
LAS PROTEÍNAS Y SU FUNCIÓN BIOLÓGICA
Las proteínas ocupan un lugar de máxima importancia
entre las moléculas constituyentes de los seres vivos
(biomoléculas). Prácticamente todos los procesos
biológicos dependen de la presencia o la actividad de
este tipo de moléculas. Bastan algunos ejemplos para dar
idea de la variedad y trascendencia de las funciones que
desempeñan.
LAS PROTEÍNAS Y SU FUNCIÓN BIOLÓGICA
1. Catálisis: Está formado por enzimas proteicas que se encargan de
realizar reacciones químicas de una manera más rápida y eficiente. Procesos que
resultan de suma importancia para el organismo. Por ejemplo la pepsina, ésta
enzima se encuentra en el sistema digestivo y se encarga de degradar los
alimentos.
2. Reguladoras: Las hormonas son un tipo de proteínas las cuales ayudan a que
exista un equilibrio entre las funciones que realiza el cuerpo. Tal es el caso de
la insulina que se encarga de regular la glucosa que se encuentra en la sangre.
3. Estructural: Este tipo de proteínas tienen la función de dar resistencia y
elasticidad que permite formar tejidos así como la de dar soporte a otras
estructuras. Este es el caso de la tubulina que se encuentra en el citoesqueleto.
4. Defensiva: Son las encargadas de defender el organismo. Glicoproteínas que se
encargan de producir inmunoglobulinas que defienden al organismo contra
cuerpos extraños, o la queratina que protege la piel, así como
el fibrinógeno y protrombina que forman coágulos.
5. Transporte: La función de estas proteínas es llevar sustancias a través del
organismo a donde sean requeridas. Proteínas como la hemoglobina que lleva
el oxígeno por medio de la sangre.
6. Receptoras: Este tipo de proteínas se encuentran en la membrana celular y llevan
a cabo la función de recibir señales para que la célula pueda realizar su función,
como acetilcolina que recibe señales para producir la contracción.
LOS LÍPIDOS

Los lípidos son un conjunto
de moléculas orgánicas que
están
constituidas
principalmente por carbono e
hidrógeno y en menor medida
por oxígeno. También pueden
contener fósforo, azufre y nitr
ógeno. Debido a su estructura,
son
moléculas hidrófobas (insolubl
es en agua. A los lípidos
también
se
les
llama
incorrectamente grasas, ya que
las grasas son solo un tipo de
lípidos
procedentes
de animales.
LOS LÍPIDOS Y SU FUNCIÓN BIOLÓGICA







Los lípidos desempeñan diferentes tipos de funciones biológicas:
Función de reserva energética. Los triglicéridos son la principal reserva
de energía de los animales ya que un gramo de grasa produce 9,4 kilocalorías en las
reacciones metabólicas de oxidación, mientras que las proteínas y los glúcidos solo
producen 4,1 kilocalorías por gramo.
Función estructural. Los fosfolípidos, los glucolípidos y el colesterol forman
las bicapas lipídicas de las membranas celulares. Los triglicéridos del tejido
adiposo recubren y proporcionan consistencia a los órganos y protegen
mecánicamente estructuras o son aislantes térmicos.
Función
reguladora,
hormonal
o
de
comunicación
celular.
Las vitaminas liposolubles son de naturaleza lipídica (terpenos, esteroides);
las hormonas esteroides regulan el metabolismo y las funciones de reproducción;
los glucolípidos actúan como receptores de membrana; los eicosanoides poseen un
papel destacado en la comunicación celular, inflamación, respuesta inmune, etc.
Función transportadora. El transporte de lípidos desde el intestino hasta su lugar de
destino se realiza mediante su emulsión gracias a los ácidos biliares y a las
lipoproteínas.
Función biocatalizadora. En este papel los lípidos favorecen o facilitan las
reacciones químicas que se producen en los seres vivos. Cumplen esta función las
vitaminas lipídicas, las hormonas esteroideas y las prostaglandinas.
Función térmica. En este papel los lípidos se desempeñan como reguladores
térmicos del organismo, evitando que este pierda calor.
NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLEÍCOS
•
•
•
Los nucleótidos son molé
culas orgánicas formadas
por:
Monosacárido
de
cinco carbonos (pentosa)
Ribosa o Desoxiribosa
Una base nitrogenada.
Grupo fosfato.
NUCLEÓTIDOS Y SUS PARTES
Monosacárido
Grupo Fosfato
Bases Nitrogenadas
LOS NUCLEÓTIDOS Y SU FUNCIÓN BIOLÓGICA


Los
nucleótidos
son
los
monómeros
(bloques
fundamentales) de los ácidos
nucleícos (ADN y ARN) en los
cuales forman cadenas lineales
de miles o millones de
nucleótidos.
Los
ácidos
nucleícos
almacenan la información
genética de los organismos
vivos y son los responsables de
la transmisión hereditaria.
Existen dos tipos básicos,
el ADN y el ARN.
II MÓDULO
LEYES Y PRINCIPIOS QUE RIGEN LAS
REACCIONES BIOQUÍMICAS.
LEYES Y PRINCIPIOS QUE RIGEN LAS
REACCIONES BIOQUÍMICAS.
* Primera ley de la Termodinámica. Ley de la
conservación de la materia y la energía.
* La Entropía.
* Dogma Central de la Biología.
* Modelos de Actividad Enzimática.
LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA Y LA
ENERGÍA
La ley de conservación de la masa, ley de
conservación de la materia o ley de
Lomonósov-Lavoisier es una de las leyes
fundamentales en todas las ciencias
naturales.
Fue
elaborada
independientemente
por
Mijaíl
Lomonósov en 1745 y por Antoine
Lavoisier en 1785.
Se puede enunciar como «En una reacción
química ordinaria, la masa permanece
constante, es decir, la masa consumida de
los reactivos es igual a la masa obtenida de
los productos»
Cuando se enunció la ley de la conservación de
la materia no se conocía el átomo, pero, con
los conocimientos actuales es obvio: puesto
que en la reacción química no aparecen ni
destruyen átomos, sino que solo se forman o
rompen enlaces (hay un reordenamiento de
átomos), la masa no puede variar.
En palabras simples esta ley dice: “ la
materia y la energía no se crea ni se
destruye, solo se transforma…”
ANÉCDOTA GRACIOSA DE LA HISTORIA DE LA
LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA Y LA
ENERGÍA
Los ensayos preliminares hechos por Robert Boyle en 1673 parecían
indicar lo contrario: pesada meticulosa de varios metales antes y
después de su oxidación mostraba un notable aumento de peso. Estos
experimentos, por supuesto, se llevaban a cabo en recipientes abiertos.
La combustión, uno de los grandes problemas que tuvo la química del siglo
XVIII, despertó el interés de Antoine Lavoisier porque éste trabajaba en
un ensayo sobre la mejora de las técnicas del alumbrado público de
París. Comprobó que al calentar metales como el estaño y el plomo en
recipientes cerrados con una cantidad limitada de aire, estos se recubrían
con una capa de calcinado hasta un momento determinado del
calentamiento, el resultado era igual a la masa antes de comenzar el
proceso. Si el metal había ganado masa al calcinarse, era evidente que
algo del recipiente debía haber perdido la misma cantidad de masa. Ese
algo era el aire. Por tanto, Lavoisier demostró que la calcinación de un
metal no era el resultado de la pérdida del misterioso flogisto, sino la
ganancia de algún material: una parte de aire. La experiencia anterior y
otras más realizadas por Lavoisier pusieron de manifiesto que si se tiene
en cuenta todas las sustancias que forman parte en una reacción química
y todos los productos formados, nunca varía la masa.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y LA
ENTROPÍA EXPLICADA EN 3 PUNTOS
* 1 Este principio marca la dirección en la que
deben llevarse a cabo los procesos que involucran
transformación energética y, por lo tanto, la
imposibilidad de que ocurran en el sentido
contrario.
Ejemplo una vez que se quema la gasolina se
produce gases y agua, estos gases y agua no se
pueden volver a unir para formar gasolina.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. LA
ENTROPÍA.
*


2 También establece, en algunos casos, la
imposibilidad de convertir completamente toda la
energía de un tipo a otro sin pérdida de energía.
Ejemplo la Cogeneración: La combustión del biogás
para nuestros fines prácticos es la transformación de
la energía química almacenada en el biogás y
transformarla a energía mecánica (mover los pistones
del cogenerador). Y luego esa energía mecánica se
transforma en energía eléctrica en los dínamos del
cogenerador. En cada paso hay perdida de energía.
Nota: este proceso no es totalmente reversible. Pues
respeta el punto anterior.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. LA
ENTROPÍA.
Calor
Biogás
Se almacena en
el agua caliente
que se re circula
Calor
Movimiento
Electricidad
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. LA
ENTROPÍA.
* 3 En los años 1890 - 1900 el físico austríaco Ludwig
Boltzmann estudio a fondo la entropía, postulando el
tercer punto de la ley de la termodinámica.
Cuando la energía es degradada, los átomos asumen un
estado más desordenado. Y la entropía es un parámetro
del desorden.
Ejemplo:
DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
El dogma central de la biología molecular es un concepto
que ilustra los mecanismos de transmisión y expresión de
la herencia genética tras el descubrimiento de la
codificación de ésta en la doble hélice del ADN. Esto nos
propone que existe una unidireccionalidad en la
expresión de la información contenida en los genes de
una célula, es decir, que el ADN es transcrito a ARN
mensajero y que éste es traducido a proteína, elemento
que finalmente realiza la acción celular
VIH EXCEPCIÓN AL DOGMA CENTRAL DE LA
BIOLOGÍA MOLECULAR
PRIONES EXCEPCIÓN AL DOGMA CENTRAL DE
LA BIOLOGÍA MOLECULAR
Definición: Los priones operan al margen del dogma
central de la biología molecular (un gen se transcribe a
ARNm y se traduce en una proteína). En realidad son
elementos heredables basados en proteínas: los priones
no se perpetúan mediante el cambio de la manera en que
la información genética se transcribe o traduce, sino más
bien actuando directamente en el paso final en la
decodificación de la información genética: el
plegamiento de las proteínas.
http://medmol.es/glosario/prion/
PRIONES EXCEPCIÓN AL DOGMA CENTRAL DE
LA BIOLOGÍA MOLECULAR
DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
MODELOS DE ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
Modelo de llave y cerradura
El primer modelo sugerido para explicar la interacción
enzima-sustrato fue propuesto por el químico Emil
Fisher, denominado modelo llave-cerradura, que supone
que la estructura del sustrato y la del sitio activo son
exactamente complementarias, de la misma forma que
una llave encaja en una cerradura.
MODELO DE ENCAJE INDUCIDO
Estudios
posteriores
sugirieron que el sitio activo
es mucho más flexible que
una
cerradura.
La
interacción física entre las
moléculas de enzima y
sustrato produce un cambio
en la geometría del centro
activo,
mediante
la
distorsión de las superficies
moleculares. Este modelo
llamado
encaje
inducido impondría cierta
tensión a las moléculas
reaccionantes,
facilitando
aún más la reacción
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