PROGRAMA DE QUIMICA BIOLOGICA

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1 PROGRAMA DE QUIMICA BIOLOGICA INTRODUCCION: La Química Biológica es el área del conocimiento que estudia las biomoléculas componentes de los seres vivos y la forma en que éstas interactúan respetando las leyes físicas y químicas de la materia inanimada para mantener y perpetuar la vida. Está ubicada en la carrera en un punto de inflexión en el cual confluyen las materias del ciclo básico que estudian las leyes físicas y químicas de la materia inanimada. En este nivel el alumno recibe los elementos que le permitirán interpretar los fenómenos biológicos para su posterior aplicación en las distintas áreas del conocimiento: Microbiología, Biología Molecular, Fisiología, Bioquímica Clínica, entre otras. OBJETIVO GENERAL: Comprender en su verdadera dimensión la complejidad de la composición química y de los procesos bioquímicos de los seres vivos. OBJETIVOS ESPECIFICOS: a) De conocimiento: Adquirir los conceptos básicos acerca de la composición química de los seres vivos y de los procesos que sufren las biomoléculas en el curso del metabolismo celular. b) De habilidades: Alcanzar una formación teórico-práctica adecuada para el estudio de la composición química de los organismos vivos, la determinación de las propiedades fundamentales de sus enzimas y el estudio de sus procesos metabólicos. c) De actitudes: Crear la conciencia de que los complejos procesos bioquímicos que transcurren en los seres vivos constituyen un todo dinámico, cuyo conocimiento se encuentra en pleno desarrollo experimental y despertar la inquietud para contribuir al progreso de las Ciencias Bioquímicas y su proyección a los problemas del medio. METODOLOGIA DE TRABAJO: La asignatura se dicta de manera anual, con una carga horaria de 8 horas semanales (3 horas de clases teóricas y 5 horas destinadas a clases prácticas). - Las clases teóricas se realizan utilizando técnicas expositivas e interrogativas, lectura dirigida y/o medios audiovisuales. - Los trabajos prácticos se desarrollan en 2 clases semanales, una de 2 h y la otra de 3 h de duración. Los alumnos se organizan en grupos con planificación 1

2 orientada, estudios de casos prácticos, trabajos experimentales de laboratorio, debate conjunto de los resultados obtenidos, resolución de problemas y exposición de búsquedas bibliográficas, acceso bioinformático en Internet y prácticas con tutoriales en formato digital. EVALUACION: 1) En el curso de los trabajos prácticos se efectuará un seguimiento individual del alumno. 2) Se toman tres pruebas parciales escritas con un recuperatorio para cada una, consistentes en cuestionarios y problemas. La condición de alumno regular se determina con la aprobación de los laboratorios (80%), todos los parciales o recuperatorios y la asistencia (80%). 3) La evaluación final se realiza por medio de un examen final integrador individual para el caso de los alumnos regulares. En el caso de los alumnos libres, se toma un examen escrito teórico práctico y trabajos prácticos de laboratorio previo al final integrador. BIBLIOGRAFIA GENERAL: Se recomendará un libro de texto básico entre los publicados (disponibles) al comienzo de cada curso y bibliografía complementaria. Textos básicos: - Lehninger, A.L., Nelson, D.L., Cox, M.M. Principios de Bioquímica. Última edición disponible en la biblioteca de nuestra Facultad o - Jeremy M. Berg, John L. Tymocsko and Lubert Stryer. Bioquímica. Última edición disponible en la biblioteca de nuestra Facultad Bibliografía complementaria: - Dixon, M., Webb, E.C. Enzymes. 3rd. ed. Academic Press, New York, Segel, I.H. Behavior and Analysis of Rapid Equilibrium and Steady-State Enzyme Systems, Wiley Classics Library, Metzler, D.E. Biochemistry. Academic Press, New York, Devlin, T.M., ed. Textbook of Biochemistry. 2nd. ed. John Wiley & Sons, Singapore,

3 CONTENIDOS Tema 1. Concepto de Bioquímica. Papel de la investigación científica en el desarrollo de la Bioquímica. Concepto de Bioenergética. Flujo de materia y energía en la biosfera y en la célula. Introducción al estudio del metabolismo intermedio. Los seres vivos como sistemas metabólicos abiertos: aproximaciones experimentales para su estudio. Niveles de organización, alteraciones metabólicas. Organización intracelular y función. Anabolismo, catabolismo, vías anapleróticas y anfibólicas. Control metabólico. Métodos de estudio del metabolismo celular. Metabolismo secundario. Tema 2. Aminoácidos: estructura, clasificación y propiedades. Péptidos: estructura y purificación. Péptidos naturales, clasificación. Secuenciación. Síntesis peptídica. Proteínas: clasificación, estructuras primaria, secundaria, supersecundaria, terciaria y cuaternaria. Propiedades de las proteínas, métodos de separación, métodos analíticos de cuantificación, criterios de pureza, determinación de masa molecular y evolución de las proteínas. Secuenciación. Ejemplos de proteínas globulares y fibrosas. Tema 3. Enzimología. Clasificación. Apoenzimas y cofactores. Definiciones termodinámicas. Interacciones sustrato-enzima. Especificidad de reacción. Sitio activo. Curso de la reacción enzimática. Intermediarios. Complejo enzima-sustrato. Mecanismos de catálisis. Efecto de concentración, catálisis ácido-base, catálisis covalente. Grupos específicos que contribuyen a la catálisis. Cinética enzimática. Efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad de reacción. Velocidad inicial. Linealidad en función del tiempo y de la concentración de enzima. Aproximación de equilibrio rápido y de estado estacionario. Ecuación de Michaelis-Menten. Km y Vmax. Métodos de linealización de la ecuación de Michaelis-Menten. Purificación de enzimas. Velocidad específica. Rendimiento y purificación. Índice de recambio. Unidades enzimáticas. Desviaciones de la ecuación de Michaelis-Menten. Cooperatividad. Ecuación de Hill. Inhibidores. Inhibidores irreversibles y reversibles, completos y parciales. Inhibidores reversibles completos: competitivo, no competitivo, acompetitivo y mixto. Caracterización y determinación de constantes de inhibición. Gráficos primarios, secundarios y de Dixon. Efecto del ph. Efectos reversibles e irreversibles. Diferenciación. Efecto sobre la enzima libre y/o sobre el complejo enzima sustrato. Efecto sobre el sustrato. Modificación de Km y Vmax. Grupos de la enzima implicados. Determinación de la Ka del o los grupos implicados. 3

4 Efecto de la temperatura. Efectos reversibles e irreversibles. Diferenciación. Determinación de la Energía de Activación. Ecuación de Arrhenius. Activadores. Activadores esenciales y no esenciales. Criterios para determinación del mecanismo. Sistemas BI-BI. Mecanismos secuenciales y ping-pong. Diferenciación entre los distintos mecanismos. Determinación de los parámetros cinéticos. Gráficos primarios y secundarios. Regulación de la actividad enzimática. Regulación alostérica. Efecto homotrópico y heterotrópico. Regulación por modificación covalente: fosforilación, adenilación, uridilación, formación puentes disulfuro. Regulación de la concentración de enzima. Aplicación a vías metabólicas. Cofactores. Coenzimas y grupos prostéticos. Vitaminas. Nucleótidos como cofactores: Distintas rupturas del ATP. Coenzimas transferidoras de hidrógeno: NAD y NADP, FMN y FAD. Función biológica. Mecanismos de reacción. Potenciales de reducción. Ejemplos. Propiedades espectrofotométricas. Coenzima A: estructura y función. Ejemplos. Otras proteínas transportadoras de grupos acilo. Biotina: mecanismo de reacción. Carboxilasas y transcarboxilasas. Tiamina pirofosfato. Reacciones enzimáticas que involucran tiamina. Piridoxal fosfato y piridoxamina fosfato: función general. Reacciones de transaminación, racemización y decarboxilación. Tetrahidrofolato: transferencia de unidades de un carbono. Tema 4. Hidratos de Carbono. Definición, estructuras, clasificación, propiedades, funciones y distribución biológica. Oligosacáridos, homo- y hetero polisacáridos: estructuras, clasificación, propiedades y funciones. Glicólisis y catabolismo de hexosas. Etapas de la glicólisis. Rendimiento energético. Enzimas implicadas: ubicación subcelular, propiedades, complejos multienzimáticos. Fosforilación a nivel de sustrato. Importancia de los intermediarios. Formación de 2,3 bifosfoglicerato. Puntos de regulación de la vía. Regulación alostérica y por modificación covalente: hexoquinasa, fosfofructoquinasa I y piruvato quinasa. Hidrólisis de disacáridos. Enzimas implicadas. Catabolismo de las diferentes hexosas: fructosa, manosa. Metabolismo de la galactosa. Nucleósido-difosfo-azúcares. Destinos del piruvato. Fermentación y respiración. Rendimiento energético. Efecto Pasteur. Fermentación láctica y alcohólica. Otros ejemplos de fermentaciones. Tema 5. Ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Estructura de la mitocondria. Transportadores. Complejo de la piruvato deshidrogenasa. Ubicación sub-celular. Enzimas que lo conforman. Cofactores que participan. Enzimas implicadas en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos: ubicación 4

5 subcelular, propiedades, estéreoespecificidad de las reacciones. Isoenzimas. Fosforilación a nivel de sustrato. Destino de los cofactores reducidos. Balance energético. Regulación alostérica y por modificación covalente. Vías anapleróticas y reacciones que consumen intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Tema 6. Ciclo del glioxilato. Enzimas participantes. Localización. Función. Regulación coordinada con el ciclo de los ácidos tricarboxílicos en bacterias. Importancia del ciclo en plántulas en germinación. Ruta de las pentosas fosfato. Etapas. Función. Enzimas implicadas: ubicación subcelular, propiedades. Distintas estequiometrías dependiendo de la necesidad celular. Regulación de la vía. Gluconeogénesis. Importancia. Órganos implicados. Enzimas participantes: ubicación subcelular. Precursores de la glucosa. Ciclo de Cori. Puntos de regulación de la vía. Regulación alostérica y por modificación covalente. Regulación coordinada de la glicólisis y la gluconeogénesis. Acción del glucagón, adrenalina e insulina. Metabolismo del glucógeno. Glucógeno: estructura y localización. Degradación: glucógeno fosforilasa y enzimas desramificantes. Regulación alostérica y por modificación covalente. Regulación diferencial en hígado y músculo. Síntesis: participación de los nucleósidodifosfo-azúcares. Glucógeno sintasa y enzimas ramificantes. Glucogenina. Regulación coordinada con la glucogenolisis. Integración del metabolismo de hidratos de carbono. Metabolismo específico de tejido: hígado, músculo, cerebro. Bases bioquímicas de la diferenciación. Regulación hormonal coordinada y enzimas claves. Tema 7. Lípidos. Definición. Nomenclatura. Clasificación, estructura, función y distribución de los distintos tipos de lípidos. Degradación metabólica de los lípidos: hidrólisis de los triacilgliceroles por lipasas dependiente de AMP. Degradación de los ácidos grasos por la remoción secuencial de fragmentos de 2 carbonos (ß oxidación). Otras formas de degradación: α- y ω-oxidación. Degradación de ácidos grasos saturados e insaturados y de número par e impar de carbonos. Degradación mitocondrial y microsomal de los ácidos grasos, similitudes y diferencias. Rendimiento energético de la oxidación de los ácidos grasos. Cuerpos cetónicos: su formación, función y características. Síntesis de ácidos grasos: formación de malonil-coa, rol del ACP, ciclo de elongación y estequiometría de la síntesis de ácidos grasos. Complejos multienzimáticos. Descripción de las enzimas accesorias requeridas para la elongación e insaturación de ácidos grasos. Control de la síntesis de ácidos grasos. Biosíntesis de fosfolípidos y triacilgliceroles, rol del fosfatidato. Rol del CDP-diacilglicerol en la formación de fosfoglicéridos. Vías de síntesis de los fosfolípidos. 5

6 Tema 8. Oxidaciones biológicas. Proteínas que catalizan reacciones de oxidoreducción. La cadena respiratoria. Localización en mitocondrias. Fraccionamiento en complejos. Descripción y mecanismo de las enzimas y coenzimas que intervienen. Inhibidores de la cadena respiratoria. Fosforilación oxidativa. Concepto. Estequiometría. Índice P/O: su determinación. Control respiratorio. Desacoplantes e inhibidores de la fosforilación. Estados metabólicos mitocondriales. Mecanismo de síntesis de ATP. Fotosíntesis. Definición y ecuación general. Localización del proceso fotosintético. Fases del proceso fotosintético. Estructura y función de las clorofilas y pigmentos accesorios. Eventos primarios de la fotosíntesis. Fotosistemas. Centros de reacción. Transporte fotosintético de electrones. Fotólisis del agua y generación de NADPH. Fotofosforilación, mecanismo. Desacoplantes e inhibidores. Asimilación fotosintética del carbono. Ciclo reductivo de las pentosas fosforiladas, descripción de la vía, análisis de los distintos componentes y su regulación. Vías auxiliares para la asimilación del carbono atmosférico, plantas C 4, y CAM. Fotorespiración. Tema 9. Metabolismo de aminoácidos y otros compuestos nitrogenados: Ciclo del nitrógeno: fijación biológica de nitrógeno, reacción y mecanismo de la nitrogenasa. Conversión de nitrato y nitrito en amonio y su incorporación a compuestos orgánicos. Metabolismo central de aminoácidos. Glutamato deshidrogenasa y, Glutamina sintetasa, regulación. Transaminasas, mecanismo de reacción. Otras reacciones de desaminación y reacciones de decarboxilación. Degradación de los aminoácidos. Formas de excreción del nitrógeno (organismos amoniotélicos, ureotélicos y uricotélicos). Ciclo de la urea y su interconexión con el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Regulación. Ciclo de la glucosa-alanina. Biosíntesis de aminoácidos no esenciales. Ciclo del metilo activo. Compuestos nitrogenados relacionados. Tema 10. Nucleótidos. Las unidades monoméricas: bases, nucleósidos, nucleótidos. Estructura y clasificación. Biosíntesis y degradación de bases púricas y pirimidínicas y su regulación. Formación de ácido úrico. Recuperación de bases provenientes de la ingesta o de la degradación de ácidos nucleicos endógenos. Síntesis de dntp. Regulación. Síntesis de dttp e importancia de su inhibición. Tema 11. Ácidos nucleicos. Estructura y propiedades del ADN. Reglas de Chargaff. Modelo de Watson y Crick. Experiencias y determinaciones que apoyan el modelo de Watson y Crick. Tipos de ARN: ARN mensajero, ribosomal y de transferencia. Otros tipos de ARN. Estructura y funciones 6

7 del ARN. Desnaturalización del ADN, efecto hipercrómico. Hidrólisis química y enzimática del ADN y del ARN. Secuenciación. Biosíntesis de ácidos nucleicos. Replicación en procariotas: ADN polimerasas, ADN ligasa, ADN topoisomerasas, ADN helicasas. Otras proteínas que intervienen. Diferencias con la duplicación en eucariotas. Etapas de la replicación. Características. Transcripción en bacterias: ARN polimerasa. Características y etapas. Diferencias con la transcripción en eucariotas. Transcripción y modificaciones postranscripcionales de ARN ribosomales y de transferencia. Tema 12. Código genético: Características generales. Pruebas experimentales. Biosíntesis proteica. Generalidades. Papel del ARN de transferencia, ARN mensajero y ARN ribosomal. Etapas de la biosíntesis: activación de los aminoácidos, iniciación, elongación y terminación. Modificaciones postraduccionales. Inhibidores de la biosíntesis proteica. Destino de las proteínas. Degradación de proteínas. TEMAS A DESARROLLAR EN LOS TRABAJOS PRACTICOS 1.- Búsqueda bibliográfica. Introducción. Laboratorio: Manejo de bases de datos. Acceso bioinformático en Internet. 2.- Péptidos y proteínas. Laboratorio: Cuantificación, separación, purificación, criterios de pureza. Resolución de problemas prácticos. 3.- Enzimología. Laboratorio: Determinación de actividad enzimática, parámetros cinéticos, inhibidores, efecto de ph y temperatura. Tabla de purificación. Resolución de problemas prácticos. 4.- Hidratos de carbono. Laboratorio: Cuantificación e identificación. Resolución de problemas prácticos. 5.- Metabolismo de hidratos de carbono. Laboratorio: Efecto de diferentes compuestos sobre el consumo de glucosa por la vía glucolítica. Resolución de problemas prácticos. 6.- Lípidos. Laboratorio: Cuantificación, identificación y cromatografía. Resolución de problemas prácticos. 7.- Respiración mitocondrial. Laboratorio: Transporte de electrones mitocondrial. Efecto de inhibidores y desacoplantes. Resolución de problemas prácticos. 7

8 8.- Fotosíntesis. Laboratorio: Transporte de electrones y medida de la actividad de enzimas fotosintéticas. Resolución de problemas prácticos. 9.- Metabolismo de compuestos nitrogenados. Laboratorio: Enzimas del metabolismo de aminoácidos en distintos tejidos. Resolución de problemas prácticos Ácidos nucleicos. Laboratorio: Extracción y cuantificación de ADN. Electroforesis y determinación de la temperatura de fusión. Resolución de problemas prácticos. 8