BIOQUÍMICA

La bioquímica es una ciencia que estudia la composición química de los seres vivos, especialmente las proteínas,carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos, además de otras pequeñas moléculas presentes en las células y las reacciones químicas que sufren estos compuestos (metabolismo) que les permiten obtener energía (catabolismo) y generar biomoléculas propias (anabolismo). La bioquímica se basa en el concepto de que todo ser vivo contiene carbono y en general las moléculas biológicas están compuestas principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre.

La bioquímica es una ciencia experimental y por ello recurrirá al uso de numerosas técnicas instrumentales propias y de otros campos, pero la base de su desarrollo parte del hecho de que lo que ocurre en vivo a nivel subcelular se mantiene o conserva tras el fraccionamiento subcelular, y a partir de ahí, podemos estudiarlo y extraer conclusiones.

La bioquímica y los nutrientesEn el estudio de las reacciones químicas, una de las especialidades de la bioquímica se encuentra en el análisis de los nutrientes, los cuales se dividen en cinco grupos específicos: proteínas, grasas, hidratos de carbono, vitaminas y minerales; en ellos se incluyen 50 sustancias que según parece son indispensables para conseguir una salud equilibrada y un crecimiento normal.

Nuestro organismo requiere de la energía para poder realizar cualquier actividad, incluso para efectuar el mero mecanismo de respirar. Gracias a la invención del calorímetro, los investigadores pueden conocer cuáles son los nutrientes que aportan la cantidad de energía que un organismo necesita; cabe mencionar que de acuerdo a la actividad que se realice las demandas energéticas difieren.

El estudio de los bioquímicos consiste en saber cuánta energía aporta cada uno de estos nutrientes y gracias a ello es posible saber que 1 gramo de proteína o de hidrato de carbono puro produce 4 calorías mientras que 1 gr de grasa pura produce 9.





Cabe aclarar que cada nutriente cumple con una función particular:


* Las proteínas son las encargadas de producir tejido corporal y de sintetizar las enzimas, y la cantidad de proteína recomendada para una persona adulta es de 0,8 gramos por kilo de peso;


* Los minerales se encargan de la reconstrucción estructural de los tejidos corporales y colaboran con la acción de los sistemas enzimáticos (contracción muscular, reacciones nerviosas y coagulación de la sangre). Los minerales fundamentales son el calcio, el fósforo, el magnesio, el hierro, el sodio y el potasio;


* Las vitaminas son las que ayudan a mejorar la forma de absorción de las proteínas, los hidratos de carbono y las grasas. Existen muchos tipos de vitaminas, siendo las más importantes aquéllas que participan en la formación de las células de la sangre, de las hormonas y del hígado;


* Los hidratos de carbono son los principales nutrientes para el aporte de energía ya que se encuentran en la mayor cantidad de alimentos, así como también en bebidas alcohólicas. Durante el proceso de metabolismo los hidratos de carbono se queman con el fin de obtener energía;


* Las grasas aportan al organismo más del 50% de la energía, y son un combustible de tipo compacto que se almacena perfectamente para ser utilizado cuando sea necesario. Si bien en un ambiente natural son nutrientes indispensables (permiten crear reservas durante los períodos de comida abundante para consumir al momento de la escasez), en nuestras sociedades modernas donde siempre hay alimentos a nuestras disposición, se han convertido en una causa fundamental de los problemas de salud.


Señalaremos por último que sin la bioquímica ciertas ramas consideradas esenciales para la medicina no existirían, como la nutrición, ya que gracias a los aportes de esta ciencia es que ésta puede estudiar más a fondo el funcionamiento de nuestro organismo y proponer distintas variantes para la alimentación que mejoren la salud de los individuos.

PROTEINAS

Las proteínas son macromoléculas (moléculas muy grandes), que se forman o nacen a partir de la unión de otro tipo de moléculas, que llevan por nombre aminoácidos. Estas grandes moléculas son la principal fuente de nutrición para que se puedan formar de la mejor manera los músculos del cuerpo, además tienen la propiedad de regenerar y formar células nuevas y transportar oxígeno.

Estas macromoléculas se forman a partir de una estructura lineal de moléculas de aminoácidos que tienen la facultad de unirse a través de enlaces peptídicos. Cada tipo de proteína tiene funciones específicas, por ejemplo algunas sirven de transporte, es decir, se encargan de llevar diversas sustancias a la sangre como es el caso de la hemoglobina que traslada el oxígeno a los tejidos y además se encarga de recolectar el dióxido de carbonopara llevarlo a los pulmones y que así pueda ser eliminado. Otro es el caso de las proteínas que se encargan de la genética, estableciendo la replicación del ADN. Existen proteínas defensivas como los anticuerpos, también están las reguladoras como la insulina necesarias para regular la glicemia o nivel de azúcar que está presente en la sangre. Por otra parte están las catalizadoras que permiten algún proceso bioquímico, como las enzimas digestivas que ayudan al organismo a obtener a partir de ellas los diversos nutrientes que necesita mediante el proceso de digestión.

Existe una clasificación de las proteínasdependiendo de las propiedades físicas y químicas que ésta presente, en primer lugar están las proteínas simples llamadas también holoproteidos, las cuales cuentan con una composición únicamente de aminoácidos, por otra parte se tienen a las proteínas conjugadas o heteroproteidos, aparte de estar formada por aminoácidos también cuenta con la presencia de diversas sustancias y por último están las proteínas derivadas que se forman por desnaturalización o desdoblamiento de algún otro compuesto.

El cuerpo obtiene las proteínas que necesita a través de la alimentación, es importante resaltar que diferentes tipos de alimentos proporcionan diferentes tipos de proteínas, el consumo delácteos, verduras, carnes y legumbres aportan distintas proteínas útiles para el desarrollo del organismo.

HIDRATO DE CARBONO Y CARBOHIDRATOS

Hidratos de carbono

Los hidratos de carbono son un macronutriente o nutriente energético, que tienen la principal misión de aportar energía al organismo para que pueda desarrollar adecuadamente todas sus funciones. Los componentes de los hidratos de carbono se encuentran principalmente en alimentos de origen vegetal.

Los alimentos ricos en hidratos de carbono (cereales y derivados, legumbres, tubérculos…) son alimentos básicos que han supuesto la base alimentaria de la humanidad a lo largo de la historia. Son también conocidos como carbohidratos, glúcidos o azúcares, aludiendo a su sabor dulce; sin embargo, este término sólo es útil para los monosacáridos y disacáridos, que sí son, en su mayoría, dulces, pero no lo es si se refiere a otros como el almidón.Los hidratos de carbono representan la energía de más fácil y rápida utilización por parte del organismo y también de reserva (glucógeno). Es la manera en que la mayor parte de las células del organismo utilizan la energía, pero especialmente algunas células que son glucodependientes como las células cardíacas y sobre todo las células del sistema nervioso central.

Funciones de los carbohidratosComo hemos mencionado, la principal función de los hidratos de carbono es la energética. Algunos hidratos de carbono como la ribosa y la desoxirribosa tienen una función estructural al formar parte de los ácidos nucleicos.Necesidades de carbohidratosLos carbohidratos aportan 3,75 kcal por kg de peso. En la práctica se redondea a 4 kcal. Suponen el 50 a 60% del VCT (valor calórico total) de la dieta, es decir, aproximadamente unos 300 g al día.

Principales fuentes alimentarias de hidratos de carbono

•       Cereales y todos sus derivados.
•       Legumbres (garbanzos, lentejas, judías).
•       Tubérculos (patata, boniatos).
•       Frutas.
•       Verduras y hortalizas.
•       Lácteos en forma de lactosa.
•       Todos los alimentos manufacturados que contienen sacarosa y/o otros     hidratos de carbono (fructosa, edulcorantes como el sorbitol y el         manitol): bollería, pastelería, refrescos, chicles, caramelos, gominolas, galletas, chocolates, todo tipo de dulces como los mazapanes, el turrón, entre otros.

Subgrupos de nutrientes Monosacáridos Los monosacáridos están formados por una sola molécula de carbohidratos. Dentro de los monosacáridos, los más interesantes, desde el punto de vista de la alimentación, son las hexosas formadas por 6 átomos de carbono.Disacáridos Están formados por la unión de dos monosacáridos.Polisacáridos Están formados por la unión de una gran cantidad de moléculas (más de 10), que poseen un componente principal como lo es la glucosa.

LIPIDOS

Los lípidos son un conjunto de moléculas orgánicas (la mayoría biomoléculas) que están constituidas principalmente por carbono e hidrógeno y en menor medida por oxígeno. También pueden contener fósforo, azufre y nitrógeno. Debido a su estructura, son moléculas hidrófobas (insolubles en agua), pero son solubles en disolventes orgánicos como la bencina, el benceno y el cloroformo. A los lípidos también se les llama incorrectamente grasas, ya que las grasas son solo un tipo de lípidos procedentes de animales.
Los lípidos cumplen funciones diversas en los organismos vivientes, entre ellas la de reserva energética (como los triglicéridos), estructural (como los fosfolípidos de las bicapas) y reguladora (como las hormonas esteroides).lípidos simples.
los lípidos se clasifican en do dos grupos lípidos simplesLos lípidos son sustancias orgánicas que se encuentran en los alimentos. Estos cumplen funciones específicas e importantes dentro del buen funcionamiento orgánico. Pero no todos los lípidos son iguales y cumplen las mismas funciones. En este caso puntual, brindaré información acerca de qué son los lípidos simples y cuál es su importancia.
lípidos complejos

Son un grupo numeroso de lípidos compuestos, importantes en la estructura de las membranas y derivados del ácido fosfatídico, que tienen como alcohol al glicerol y que incluyen las lecitinas, cefalinas, plasmalógenos y algunos otros lípidos menos frecuencia.

EQUILIBRIO ACIDO-BASICO

La información abordada en este capítulo corresponden a sangre arterial obtenida anaeróbicamente y procesada en breve plazo. Las muestras de sangre venosa no son útiles porque su composición varía según la actividad metabólica del territorio de donde proviene la  muestra.
La concentración de hidrogeniones (H⁺) en los líquidos del organismo es una de las variables biológicas más estrechamente controladas. Esto se debe a que la producción de estos iones por el metabolismo es cuantiosa, a la par que cambios relativamente pequeños en su concentración pueden producir trastornos graves en múltiples órganos y enzimas : un aumento en la concentración de H⁺ que se traduzca por una caída del pH por bajo de 7,20 produce depresión del SNC, disminución de la contractilidad cardíaca, disminución de la respuesta inotrópica miocárdica a catecolaminas, hiperkalemia, arritmias, etc. y si cae a 6,9 es incompatible con la vida. Un pH sobre 7,55 causa serios trastornos y sobre 7,8 lleva a la muerte.
El equilibrio ácido-básico es un proceso complejo en el cual participan múltiples órganos para mantener relativamente constantes una serie de balances interrelacionados, tales como: pH, equilibrio eléctrico, equilibrio osmótico y volemia. Si se producen cambios en alguno de estos elementos, la respuesta del organismo será tratar de volverlos a sus límites normales, afectando en un mínimo a otros equilibrios.
Dado que el equilibrio ácido-básico es un tema de fisiología general, en este capítulo solamente revisaremos algunos aspectos generales, para comprender el rol del sistema respiratorio en este equilibrio.

CONCEPTO DE ÁCIDO
ROL DEL APARATO RESPIRATORIO

Supongamos que tenemos una solución acuosa de HCl. Además del agua, existirán en ella tres tipos de partículas: iones hidrógeno o protones, iones cloruro y moléculas de HCl, que se encuentran en equilibrio según la siguiente ecuación:

Analizando esta ecuación de izquierda a derecha, se puede constatar la característica definitoria de ácido, cual es la de entregar hidrogeniones a la solución en que se encuentra.

CONCENTRACIÓN DE HIDROGENIONES

La concentración de H⁺ libres en la sangre se puede expresar en diferentes formas y varía habitualmente entre 44 y 36 millones de hidrogeniones por litro. La forma más usada de expresar estas cantidades es el pH que es el logaritmo negativo de la concentración de H⁺ lo que significa que el valor normal, expresado en unidades de pH oscila entre 7,36 y 7,44., como veremos más adelante.

MANTENCIÓN DEL EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE

En condiciones normales, la producción y eliminación de hidrogeniones están muy equilibradas, de manera que el pH se mantiene casi constante. Aunque la producción de H⁺ aumente marcadamente, como sucede en el ejercicio, el organismo logra mantener una concentración de hidrogeniones relativamente estable gracias a la existencia de mecanismos tampones y a la acción reguladora del aparato respiratorio y del riñón. 

SOLUCIONES TAMPÓN
Son soluciones que contienen una mezcla de sustancias químicas que limitan las variaciones del pH , producidas al agregarse un ácido o una base. Generalmente están formadas por la combinación de un ácido débil y una sal del mismo.
Uno de los tampones más importantes del organismo es la mezcla de ácido carbónico y bicarbonato de sodio. Supongamos que agregamos un ácido fuerte, por ejemplo HCl, a esta solución tampón:

Como veremos en el capítulo siguiente, el aparato respiratorio dispone de sensores exquisitamente sensibles a las variaciones de pH. Su estimulación por un aumento de la concentración de hidrogeniones, como ocurre por la producción de ácido láctico en el ejercicio, determina un incremento de la ventilación que elimina una mayor cantidad de CO₂, lo que tiende a mantener constante el pH. A la inversa, una caída de la concentración de hidrogeniones deja de estimular la ventilación. Lo valioso de este mecanismo en su rapidez , pero es limitado porque la ventilación tiene también   otras exigencias que cumplir.

ROL DEL RIÑÓN

El riñón participa en la regulación del equilibrio ácido básico por dos mecanismos principales. Por una parte, es capaz de regular la cantidad de bicarbonato urinario, ya que puede excretar los excesos de este ion o reabsorber el bicarbonato filtrado. Por otra parte, el riñón es capaz de excretar hidrogeniones en la forma de H₃PO₄ o de NH4⁺. Durante este proceso se genera nuevo bicarbonato, lo que hace posible el reemplazo de aquel que se consumió al tamponar los ácidos fijos. La acidemia tiende a aumentar la excreción urinaria de hidrogeniones y la retención de bicarbonato, mientras que la alcalemia tiene los efectos contrarios. Estas funciones compensatorias son lentas, ya que demoran entre 12 y 72 horas en alcanzar su máxima eficiencia. Por lo tanto, el riñón participa en la mantención del equilibrio ácido-básico a largo plazo.

EVALUACIÓN DEL EQUILIBRIO ÁCIDO-BÁSICO
La evaluación del equilibrio ácido bases, tanto en fisiología como en clínica, se basa en la reacción de Henderson-Hasselbach
pH es el cologaritmo negativo de la concentración de hidrogeniones y pK es el logaritmo negativo de la constante de disociación del ácido carbónico. La relación entre bicarbonato y ácido carbónico refleja , como vimos antes, el comportamiento del sistema tampón del organismo. Dado que la concentración de H₂CO₃ es difícil de medir  y es igual a la P_aCO₂ multiplicada por 0,03, que es el coeficiente de solubilidad de CO₂, la formula se puede rescribir::

COLESTEROL

El colesterol, una sustancia pegajosa producida por el hígado y contenida en algunos alimentos, es necesaria para fabricar la vitamina D y algunas hormonas, construir las membranas celulares y crear sales biliares, que ayudan a digerir la grasa. De hecho, nuestro hígado produce aproximadamente 1.000 miligramos de colesterol al día, una cantidad suficiente como para no tener que ingerir ni una sola patata frita con queso en toda la vida. Pero es difícil evitar por completo el colesterol, ya que lo contienen muchos alimentos.La existencia de una cantidad excesiva de colesterol en el organismo puede evolucionar a problemas de salud graves, como las enfermedades cardíacas. Hay muchos factores que contribuyen a tener el colesterol alto, pero la buena noticia es que puedes hacer un montón de cosas para controlarlos.El colesterol es el principal esterol del organismo humano. Los esteroles son un tipo de grasas naturales presentes en el organismo.El colesterol se encuentra en nuestro cuerpo formando parte de membranas celulares, lipoproteínas, ácidos biliares y hormonas esteroideas.El principal trastorno que provoca el colesterol en el organismo cuando se encuentra en exceso lo constituye la producción de depósitos de grasas en arterias vitales, causando aterosclerosis, accidente, cerebrovascular y enfermedad vascular periférica.


El colesterol es también un importante constituyente de los cálculos biliares.

GLÚCIDOS

Los glúcidos, también llamados azúcares o sacáridos, son un grupo de biomoléculas orgánicas muy abundante en la naturaleza. Concretamente la celulosa, el principal componente de la madera, que es de naturaleza glucídica, quizás sea la biomolécula más abundante en la biosfera. Los glúcidos se definen sencillamente desde el punto de vista químico como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, o bien sustancias que por hidrólisis dan lugar a este tipo de compuestos. Los polihidroxialdehídos son compuestos orgánicos en los que todos los átomos de carbono están unidos a un grupo hidroxiloexcepto uno de ellos que forma parte de un grupo aldehído, mientras que las polihidroxicetonas son compuestos orgánicos en los que todos los átomos de carbono están unidos a un grupo hidroxilo excepto uno que forma parte de un grupo cetona. Muchos glúcidos responden a fórmulas empíricas que se pueden escribir como (C H2O)n, por lo que antiguamente se pensó que eran algún tipo de combinación de carbono y agua y se les llamó hidratos de carbono. Hoy sabemos que esta denominación es químicamente engañosa, pero quizás esté demasiado arraigada como para que sea abandonada definitivamente; de todos modos no se recomienda su uso.

Existen dos clases principales de glúcidos:

a) Monosacáridos.- También llamados osas. Son azúcares simples, no hidrolizables, que consisten en una sola unidad de polihidroxialdehído o polihidroxicetona. Se clasifican a su vez en aldosas y cetosas.

b) Ósidos.- Son azúcares complejos que, cuando sufren hidrólisis, liberan monosacáridos. Están formados por un número variable de monosacáridos unidos covalentemente entre sí. Algunos ósidos se componen exclusivamente de monosacáridos y se denominan holósidos, mientras que otros contienen además otros componentes de naturaleza no glucídica y se denominan heterósidos.

En el siguiente recuadro aparece una clasificación de los distintos tipos de glúcidos.

MONOSACÁRIDOS

Los monosacáridos son los azúcares más sencillos, pues no pueden descomponerse por hidrólisis para dar lugar a otros azúcares más simples. En la naturaleza se encuentran en estado libre, desempeñando importantes funciones, pero también se encuentran formando parte de otros azúcares más complejos, los ósidos, de los cuales son sus sillares estructurales.

La estructura básica de todos los monosacáridos es una cadena de átomos de carbono no ramificada en la que todos ellos están unidos por enlaces simples. Uno de estos átomos de carbono está unido a uno de oxígeno por un enlace doble formando un grupo carbonilo; todos los demás están unidos a grupos hidroxilo. Si el grupo carbonilo se encuentra en un extremo de la cadena carbonada el monosacárido es un aldehído y recibe el nombre de aldosa; si el grupo carbonilo se encuentra en cualquier otra posición el monosacárido es una cetona y recibe el nombre de cetosa (Figura 7.1). Los monosacáridos naturales tienen entre tres y ocho átomos de carbono, aunque los de siete y ocho son relativamente raros. Según tengan 3, 4, 5, 6... carbonos se denominan respectivamente triosas, tetrosas, pentosas, hexosas.... Existen aldosas y cetosas para cada una de estas longitudes de cadena. 

La nomenclatura de los monosacáridos se resume en la siguiente tabla: