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