Universidad Ricardo Palma Facultad de Medicina Humana Asignatura: Biología Celular y Molecular CLASE 02: Química de la célula Mg. Blgo. Paulo Cesar Santayana Rengifo paulo.Santayana@urp.edu.pe Al final de la clase, el alumno será capaz de: • Reconocer y explicar la importancia de los bioelementos celulares. • Identificar y explicar la importancia de los enlaces químicos para la formación de moléculas celulares. • Reconocer y describir en conjunto de macromoléculas celulares. Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Logro de la sesión Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Célula epitelial Radiación UV Cuando los fotones de la radiación impactan en las moléculas de agua se produce una ruptura de enlaces generando ROS (aniones superóxido πΆβ− π , radicales hidroxilo ·OH y peróxido de hidrógeno π―π πΆπ ). Facultad de Medicina Humana El agua como mediador del daño celular Carcinogénesis - Melanoma Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Elemento s C,H,O, Agua, π2 , sales N,P,S Compleji dad y orden 1° Los organismos vivos están, casi en su totalidad, formados por compuestos de carbono 2° Las células contienen un 70% de agua, molécula fundamental para las reacciones químicas. 3° La química celular es muy compleja en comparación a otros sistemas químicos conocidos. Facultad de Medicina Humana Química de la célula Célula Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo El átomo Primera capa: 1 orbital (capacidad: 2 electrones) Núcleo Segunda capa: 4 orbitales (capacidad: 8 electrones) Facultad de Medicina Humana La célula y toda la materia, está compuesta por átomos. El átomo es la unidad fundamental de los elementos químicos con capacidad reactiva para formar moléculas. Carbono - 6 Protón - 6 Neutrones - 6 Electrón Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Bioelementos primarios: 99% del peso celular Bioelementos secundarios: 0.9% del peso celular H 99% He Oligoelementos: <0.1% del peso celular Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La-Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac-Lr Rf Db Oligoelementos posiblemente esenciales Facultad de Medicina Humana Elementos químicos de la célula 0.9% Trazas Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Constituyen el 99% del total de átomos presentes en la célula C Carbono H Hidrógeno O Oxígeno N Nitrógeno P Fósforo S Azufre Presente en todas las biomoléculas orgánica Presente en aminoácidos y bases nitrogenadas Presente en nucleótidos y fosfolípidos Presente en aminoácidos azufrados, vitaminas y hormonas Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Bioelementos primarios Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Ca Calcio • Hueso y dientes • Impulso nervioso • Contracción muscular Na Sodio • Equilibrio eléctrico • Impulso nervioso Cl Cloro • Equilibrio eléctrico • Impulso nervioso K Potasio • Equilibrio eléctrico • Impulso nervioso Mg Magnesio • Cofactor • Huesos y dientes Facultad de Medicina Humana Bioelementos secundarios En medio acuoso (citosol – fluido extracelular), siempre se encuentran ionizados. Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Oligoelementos o elementos traza Símbolo Ubicación celular Función celular Hierro Fe Hemoglobina, Transporte de electrones en la mioglobina, mitocondria cadena respiratoria. (Citocromo c) Zinc Zn Núcleo y ribosomas Cobre Cu Mitocondrias (Citocromo Paso final de la cadena de oxidasa) transporte de electrones. Manganeso Mn Matriz mitocondrial Protección contra radicales libres (antioxidante). Yodo I Vesículas secretoras (Tiroides) Regulación del metabolismo basal (hormonas). Cobalto Co Citosol (Vitamina B 12) Síntesis de ADN y formación de glóbulos rojos. Selenio Se Peroxisomas y citosol Cofactor de la glutatión peroxidasa (antioxidante). Flúor F Matriz extracelular Mineralización de tejidos duros (huesos/dientes). Estabiliza factores de transcripción (dedos de zinc). Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Nombre Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Anemia ferropénica Facultad de Medicina Humana La anemia ferropénica se define clínicamente como un trastorno hematológico sistémico derivado de la carencia crítica de hierro (Fe). Esta deficiencia de sustrato desencadena una interrupción en la biosíntesis del grupo hemo, el complejo prostético fundamental que dota de funcionalidad a la hemoglobina. Anisopoiquilocitosis Eritrocitos hipocrómicos Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Hemoglobina Varones: < 13,2 g/dL Mujeres: <11,6 g/dL Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Los átomos muy raras vez se encuentran solos, por el contrario tratarán de agruparse formando moléculas u otros tipos de agregados. Como resultado de estas interacciones, los átomos comparten o intercambian sus electrones. Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Interacciones entre átomos Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Enlace covalente La conformación espacial tetraédrica, es responsable de la actividad biológica. Video de JoVE ENLACE COVALENTE Comparten electrones El número de electrones de la capa más externa determinan la capacidad de reacción. Vacante Núcleo Facultad de Medicina Humana Los átomos que conforman una moléculas están unidos por enlaces covalentes. Este tipo de unión es la que encontramos en la mayor parte de las moléculas biológicas. Video de JoVE Un átomo se estabilizan cuando su capa más externa llena su capacidad (regla del octeto), permitiéndole ser más estable y químicamente poco reactivo. Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Polaridad de las moléculas Molécula polar Molécula no polar o apolar Presenta átomos muy electronegativos: O, N y S Presenta átomos con similares electronegatividades Enlace covalente polar Molécula de agua Metano Enlace covalente no polar Facultad de Medicina Humana La geometría molecular y la polaridad de los enlaces nos permite determinar la polaridad de la molécula. “Algunas moléculas de gran interés biológico contienen regiones polares y no polares, que se comportan en forma distinta, estas les confieren esa características típicas”. Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo El enlace no covalente no es tan fuerte como el covalente, pero el efecto aditivo de varios enlaces no covalentes puede llegar a estabilizar una molécula o un conjunto de átomos. Los no covalentes no comparten electrones. Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Enlaces no covalentes Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Interacciones iónicas o enlace iónico ADN Proteína Grupo fosfato (-) Grupo amino (+) Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Tipo de unión química resultante de la atracción electrostática de largo alcance entre iones de carga opuesta (cationes y aniones). Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Enlace puente de hidrógeno ADN La fuerza aditiva de los enlaces hidrógeno estabilizan la estructura del ADN. ADN ADN Base nitrogenada (ο€-) Base nitrogenada (ο€+) Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Es la fuerza electrostática atractiva entre un átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno unido covalentemente a otro átomo electronegativo. Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Fuerza de Van Der Waals Molécula B Molécula A ο€Atracción entre dipolos ο€+ Virus ο€+ ο€ο€- ο€+ Cuando las moléculas se acercan demasiado la repulsión electrostática anula las fuerzas. Facultad de Medicina Humana Fuerza de atracción no específica entre dos moléculas con dipolos temporales generados por el movimiento rápido de electrones en toda la molécula. Anticuerpo o inmunoglobulina Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Interacciones hidrofóbicas Facultad de Medicina Humana Asociación forzada, cuando dos partículas hidrofóbicas se encuentran en un medio acuoso se atraen entre ellas, impulsadas por las moléculas de agua que las rodean. Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Fuerza de los enlaces químicos Enlace Covalente Mecanismo Comparten electrones Atracción de cargas Fuerza Muy fuerte y estable Débil y reversible Función Permite que las Forma la estructura de moléculas se peguen, las moléculas despeguen y cambien de forma Ejemplo biológico Plegamiento de la proteína o la unión de una enzima a su sustrato Interacción iónica 3 Kcal/mol Enlace puente de Hidrógeno 1 - 2 Kcal/mol I. Van Der Waals 1 - 2 Kcal/mol Estructura molecular de una proteína Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Enlace No Covalente Facultad de Medicina Humana Enlace covalente 90 Kcal/mol Característica Blgo. Paulo César Santayana Rengifo INORGÁNICAS 3% (Pequeñas moléculas) ORGÁNICAS 70% 1% 2% 2% 15% 7% AGUA SALES MINERALES MONOSACÁRIDO DIGLICÉRIDO AMINOÁCIDO NUCLEÓTIDO Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Moléculas de la célula Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Moléculas de la célula Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Características: • Presenta 2 átomos unidos por un enlace covalente (π―π O). • Enlaces covalentes muy polarizado • Los tres átomos de la molécula son adeptos a formar enlaces de hidrógeno Clúster fluctuante Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana El agua Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Funciones biológicas del agua Función biológica / Importancia celular β Solvente Universal Facilita la disociación de electrolitos y el transporte de metabolitos polares. Es el medio donde ocurren las reacciones químicas. β Efecto Hidrofóbico Fuerza impulsora principal para el plegamiento de proteínas y el autoensamblaje de la bicapa lipídica (membranas). β Reactivo Químico Participa directamente en reacciones de hidrólisis (ej. hidrólisis de ATP) y se libera en reacciones de condensación (síntesis de polímeros). Mantiene la temperatura celular constante frente al calor β Amortiguador Térmico liberado por el metabolismo, evitando la desnaturalización de enzimas. β Soporte Mecánico Proporciona turgencia celular, mantiene la forma de la célula y actúa como lubricante en tejidos y articulaciones. β Equilibrio Ácido-Base Define el pH celular (cercano a 7.4), crítico para la carga eléctrica de los aminoácidos y la actividad catalítica. Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Propiedades Blgo. Paulo César Santayana Rengifo La naturaleza anfótera convierte al agua en un anfolito, una sustancia capaz de establecer un equilibrio dinámico de transferencia de protones que define la escala de pH y garantiza la estabilidad química del microentorno celular. Aplicación Biológica Impacto en la Función Celular Amortigua variaciones iniciales de acidez o basicidad Control del pH en el citosol, manteniendo la estabilidad química antes de activar buffers específicos. π―π πΆ + π―π πΆ πΆπ―− Moléculas anfóteras Ion hidroxilo (Base) + π―π πΆ + Ion hidronio (Ácido) π―πͺπ + π―π πΆ πΆπ − + π―π πΆ+ + π΅π―π + π―π πΆ −ππ»4 + πΆπ―− Catálisis enzimática Facilita la hidrólisis de enlaces covalentes (peptídicos, éster, glucosídicos), permitiendo procesos como la digestión y el metabolismo energético. Mantiene la carga eléctrica necesaria para las Estructura y interacciones electrostáticas que estabilizan la plegamiento estructura terciaria y cuaternaria de las proteínas. Facultad de Medicina Humana Naturaleza anfótera del agua Permite una transferencia de carga extremadamente Transporte de rápida a través de canales de agua, vital para la protones bioenergética (cadena de transporte de electrones). Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo El pH intracelular es de 7.35 - 7.45 esto significa que la concentración de protones es de π. πππππ−π π¦π¨π₯/π. Un descenso repentino menor a 6.8 o un ascenso mayor a 7.8 puede resultar letal para la célula humana. ππ― = −π₯π¨π [π―+ ] [π + ]π¦π¨π₯/π pH Fluido pH Fluido extracelular • Sangre arterial 7.4 • Sangre venosa 7.35 • Fluido intestinal 7.35 Fluido intracelular 7.35 -7.45 Orina 4.5 - 8 Ácido gástrico 0.8 Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana pH de los fluidos intra y extra celulares Blgo. Paulo César Santayana Rengifo El interior de una célula está cercano a la neutralidad por la presencia de tampones; ácidos y bases débiles que pueden liberar o captar protones cerca del pH 7 haciendo que el entorno de la célula sea relativamente constante en condiciones diversas. Tampones inorgánicos: Tampones orgánicos: • Tampón Carbónico/Bicarbonato • Tampón aminoácido y proteína πΆπ2 + π»2 π π»2 πΆπ3 π»2 πΆπ3 π»πΆπ3 − + π» + • Tampón Fosfato π»2 ππ4 − + π»2 π Aminoácidos libres y proteína con electrolitos anfóteros Facultad de Medicina Humana Amortiguadores o tampones celulares • Tampón Hemoglobina π»ππ4 = + π»3 π+ Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Sales minerales Sostén en vegetales Constitución de estructuras de sostén y protección Carbonato de calcio: caparazones, dientes, huesos Fosfato de calcio: esqueleto de los vertebrados SALES MINERALES Funciones fisiológicas y bioquímicas Buffer, Regulación enzimática, presión osmótica, pH. Asociadas a moléculas orgánicas Fosfoproteínas, fosfolípidos Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Silicatos: caparazones Blgo. Paulo César Santayana Rengifo En las células hay una constante producción y eliminación de gases (oxígeno y dióxido de carbono), que están relacionados con los procesos de obtención de energía química por lo que también forman parte de la materia viva. Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Moléculas gaseosas Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Moléculas orgánicas o biomoléculas AMINOÁCIDO MONOSACÁRIDO NUCLEÓTIDO DIGLICÉRIDO Metionina Glucosa ATP Fosfatidilcolina Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Son aquellos compuestos que poseen el elemento carbono en su constitución, por lo general son más grandes y complejas que las moléculas inorgánicas. Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Carbono en las moléculas orgánicas Facultad de Medicina Humana La química de la vida gira alrededor de la química del átomo de carbono. Las células están, casi en su totalidad, formados por compuestos de carbono. Cada átomo de carbono se unen a otros para formar grandes moléculas. Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Las moléculas celulares presentan una estructura básica de cadena carbonada a la cual se unen grupos funcionales, los cuales contribuyen en sus propiedades específicas como polaridad y forma tridimensional, así como en sus funciones a nivel celular. Carboxilo Metionina Facultad de Medicina Humana Grupos funcionales de moléculas orgánicas Sulfhidrilo Amino Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Algunas moléculas orgánicas presentan la misma fórmula molecular, pero distinta configuración espacial, esto les permite tener diferentes propiedades físicas y químicas. Ej. Monosacáridos, aminoácidos y lípidos. πͺπ π―π πΆπ Isómeros Isómeros estructurales: Cadena, posición y función Ácido graso Cis Dihidroxiacetona (cetotriosa) Estereoisómeros (Isomería espacial) Gliceraldehído (Aldotriosa) Trans Diastereoisómeros (Isómeros geométricos) Enantiómero (Isómeros ópticos) Cis Dextrógiro (D) Trans Todos los aminoácidos de las proteínas Facultad de Medicina Humana Isomerismo de moléculas orgánicas Todos los monosacáridos de los seres vivos Levógiro (L) Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo D-Gliceraldehído L-Gliceraldehído Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Son estructuras celulares grandes y bien organizadas compuestas de múltiples moléculas pequeñas idénticas o casi idénticas llamadas monómeros, unidos por enlaces covalentes. Biopolímeros Proteína Ácidos nucleicos Polisacáridos Clase de macromolécula Con información Con información Almacenamiento Estructural Ejemplo Enzimas, hormonas, anticuerpos ADN ARN Almidón, glucógeno Celulosa Monómeros repetidos Aminoácidos Nucleótidos Monosacáridos Monosacáridos Número de clases de unidades de repetición 20 4 en ADN 4 en ARN Uno o pocos Uno o pocos Facultad de Medicina Humana Biopolímeros o macromoléculas * Los lípidos no forman grandes polímeros, dos o tres ácidos grasos se unen al glicerol para formar diglicérido o triglicéridos. Pero otros lípidos como los esteroides no forman polímeros. Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo • • 1. 2. 3. 4. Video de refuerzo académico. Responda las preguntas en el foro: Explique la función biológica del yodo en las vesículas secretoras de la glándula tiroides y cómo su deficiencia afecta la regulación del metabolismo basal. Explique cómo la pérdida de líquidos afecta la capacidad del cuerpo para regular la temperatura interna. Explique qué sucede con los enlaces no covalentes cuando un paciente presenta una fiebre sostenida por encima de los 41°C y cómo esto afecta la actividad biológica de las proteínas plasmáticas. Cómo afecta la ruptura de los enlaces covalentes (fosfodiester) del ADN en la síntesis de proteínas y por qué este daño estructural puede dar origen a procesos oncológicos. Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Facultad de Medicina Humana Actividad complementaria 2 (aula virtual) Blgo. Paulo César Santayana Rengifo Bibliografía sugerida β Alberts B, Johnson A, Lewis J, Morgan D, Raff J, Roberts M, Walter P. Biología Celular y Molecular. 6a ed. Barcelona: Ediciones Omega; 2016. β De Robertis E, Hib J. Biología Celular y Molecular. 16a ed. Buenos Aires: Editorial Promed Hipocrático; 2012. β Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser C, Krieger M, Scott M, Zipursky L, Darnell J. Biología molecular y celular. 5a ed. Médica Panamericana; 2005. β TODAS LAS FIGURAS, GIFS, VIDEOS HAN SIDO RECOPILADOS DE LA WEB CON FINES NETAMENTE EDUCATIVOS. Facultad de Medicina Humana β Karp G. Biología Celular y Molecular. Conceptos y Experimentos. 7a ed. Bogotá: Editorial Mc Graw-Hill; 2014. β PROHIBIDO LA PUBLICACIÓN NO AUTORIZADA DE ESTE CONTENIDO. Química de la célula | I Ciclo | Blgo. Paulo Santayana Rengifo Blgo. Paulo César Santayana Rengifo
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