Bioquimica 2019 - Módulo de bioquímica veterinaria PDF

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Módulo de bioquímica veterinaria...

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Universidad Nacional Agraria Facultad de Ciencia Animal Departamento de Medicina Veterinaria

MATERIAL EDUCATIVO Índice

MÓDULO: Bioquímica Veterinaria Autor: Lic. Frankling Alexander Calero Montano

Universidad Nacional Agraria Facultad de Ciencia Animal Departamento de Medicina Veterinaria

I._ Introducción al módulo. II._ Competencias e indicadores del módulo. III._ Unidad I: Funciones biológicas de los minerales y las enzimas en los vertebrados. 3.1. Introducción al módulo 3.2. Sesión 1: Metabolismo hidromineral 3.3. Sesión 2: Enzimas IV._ Unidad II: Metabolismo de las hormonas y vitaminas en los vertebrados. 4.1. Sesión 3: Hormonas 4.2. Sesión 4: Vitaminas V._ UNIDAD III: Reacciones metabólicas de las biomoléculas en el organismo mono gástrico y poli gástrico. 5.1. Sesión 5: Metabolismo de los carbohidratos en el organismo monogástrico. 5.2. Sesión 6: Gluconeogenesis 5.3. Sesión 7: Metabolismo de carbohidratos en el organismo poligástrico. 5.4. Sesión 8: Metabolismo de las proteínas en monogástrico y poligástricos. 5.5. Sesión 9: Continuación 5.6. Sesión 10: Metabolismo de lípidos. VI. UNIDAD IV: Reacciones bioquímicas especializadas en el organismo animal 6.1. Sesión 11: Reacciones bioquímicas de la digestión. 6.2. Sesión 12: Reacciones bioquímicas del aparato respiratorio 6.3. Sesión 13: Reacciones bioquímicas del aparato urinario. 6.4. Sesión 14: Bioquímica de la glándula mamaria.

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I._ Introducción al módulo La Bioquímica es la ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones que experimentan los componentes químicos de los seres vivos (las macromoléculas), en especial las proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y glúcidos, además de la acción de algunas moléculas que intervienen en el mecanismo de acción y de reacción de las mismas con el fin de obtener energía y generar otros subproductos. Esta ciencia se fundamenta en los principios generales de la química general, la química orgánica y la biología, por lo cual es de gran importancia dominar los conceptos generales de estas ciencias para alcanzar un mejor desempeño de las competencias que se pretenden alcanzar en este módulo. La vida, como etapa superior del desarrollo de la materia, se caracteriza por el alto grado de organización y complejidad de los compuestos que se encuentran formando parte de sus estructuras. Esta alta complejidad se manifiesta a todos los niveles, desde las moléculas más desarrolladas, pasando por las células, hasta los órganos y los sistemas. A este nivel de complejidad alcanzado por la vida, el hombre intenta establecer armonía en su calidad de vida, por cuanto la bioquímica tiene un amplio desempeño en la medicina, desde la composición química de los tejidos, órganos y sistemas, hasta el comportamiento de las biomoléculas y el análisis de los procesos biológicos fundamentales para la salud humana y animal. Con este módulo se pretende que el estudiante identifique las reacciones y procesos bioquímicos que transcurren en los vertebrados con el fin de utilizar prácticas que promuevan el bienestar animal, al comprender como un organismo procesa los elementos esenciales para la vida. Por tanto en esta dirección se analizaran las trasformaciones de la energía por la interacción biológica de: los minerales, enzimas, hormonas, vitaminas, carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos en los sistemas monocavitario y policavitario de interés en la medicina veterinaria.

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II._ Competencias e indicadores del módulo No.

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Unidad de Competencia

Identifica las reacciones y procesos bioquímicos que transcurren en los vertebrados con el fin de utilizar prácticas que promuevan el bienestar animal, al comprender como un organismo procesa los elementos esenciales para la vida.

Sub-competencias

Indicadores

1. Comprende las principales funciones de los minerales y enzimas, utilizando el fundamento bioquímico, con el fin de comprender su importancia biológica en el organismo animal.

1.1. Explica secuencialmente el mecanismo de acción de los minerales para comprender su importancia biológica en los animales.

2. Diferencia las reacciones bioquímicas más comunes de las hormonas y vitaminas con el propósito de vincular su acción con el bienestar animal.

2.1. Identifica las hormonas que participan en los procesos biológicos a través de sus interacciones, para asociarlas a la salud animal.

3. Identifica las reacciones metabólicas más importantes que sufren las biomoléculas, para comprender como un organismo monogástrico y poligástricos procesa los elementos esenciales para la vida, enfatizando aquellos procesos que influyan la salud animal.

2.1. Identifica las rutas metabólicas más relevantes en los sistemas monogástrico y poligástrico, para la comprensión de los procesos de transformación de las biomoléculas.

1.2. Describe correctamente la función de una enzima, con el propósito de comprender su interacción en el organismo animal.

2.2. Define la importancia biológica de una vitamina a través de sus reacciones bioquímicas, para relacionar su interacción con la salud animal.

2.2. Explica secuencialmente las reacciones metabólicas con la finalidad de vincularlas a la dinámica biológica que influya en la salud animal.

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4. Comprende los procesos bioquímicos especializados de los vertebrados, para vincularlo con prácticas que promuevan el bienestar animal.

4.1. Describe correctamente las reacciones bioquímicas que ocurren en los sistemas y aparatos especializados de los vertebrados para asociarlo al comportamiento del organismo animal.

4.2. Identifica las irregularidades más comunes que se originan en los procesos bioquímicos especializados con el fin de vincularlas con prácticas que promuevan el bienestar animal.

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III._ Unidad I: Funciones biológicas de los minerales y las enzimas en los vertebrados. Subcompetencia 1: Comprende las principales funciones de los minerales y enzimas, utilizando el fundamento bioquímico con el fin de comprender su importancia biológica en el organismo animal. 3.1. _Sesión 1 3.1.1. _ Introducción a la unidad El metabolismo de los minerales que ingresan al cuerpo inciden radicalmente en las formulas moleculares de las biomoléculas más complejas (proteínas, lípidos, carbohidratos), pero si tienen participación en los procesos bioquímicos de importancia biológica de los sistemas, por ejemplo: el hierro en la hemoglobina, el magnesio en la clorofila, la bomba Na-K de algunas rutas metabólicas de suma importancia y los iones metálicos que participan en la actividad de las enzimas. Los minerales representan de 4.3 a 4.7 % de la masa total de los animales superiores así un animal de 100 Kg tiene aproximadamente unos 4.5 Kg de minerales. Los cuales se pueden determinar por el análisis de cenizas (análisis de laboratorio). Para hacer más comprensivo el estudio de esta unidad es necesario recordar las unidades de concentración presente en una disolución donde comúnmente se utiliza el mol por litros (mol/L) y miliequivalente-litro (mEq/L) que expresan los miliequivalente gramos de una sustancia disuelta en un litro de solución. Recientemente se usa el termino Osmolaridad (osmol/L) que equivale a mol/L. En soluciones no electrolíticas osmolaridad equivale a molaridad, en caso contrario equivale a molaridad por el número de partículas disociadas. Estas expresiones de concentración se usan para referirnos a las propiedades osmóticas de las disolusiónes, que dependen del número de partículas disueltas. Entre los aniones inorgánicos el ion fosfato 𝑃𝑂4−2 ocupa el lugar predominante en el metabolismo intermediario. No hay que olvidar que el agua es otro componente de gran importancia por ser el medio en el cual se llevan los procesos metabólicos, debido a la demanda continua de la célula para operar el metabolismo. Las siguientes tablas muestran las concentraciones de los minerales presentes en un animal sano. Tabla 1: Minerales presentes en un hombre sano de 60 Kg en unidades de g Macroelementos Calcio Fósforo Potasio Azufre Sodio Cloro Magnesio Hierro Cinc

Masa en g 1200 600-900 280 230 115 115 25 4 2

Microelementos Cobre Iodo Manganeso Flúor Cobalto Selenio Molibdeno vanadio

Masa en mg 100-150 20-50 12-20 5-10 Trazas Trazas Trazas Trazas

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3.1.2. _ Composición inorgánica del organismo animal Según la cantidad de minerales presentes en el organismo, estos se pueden clasificar en macroelementos que representan el 3% de masa corporal y microelementos llamados también elementos traza. Estos minerales se encuentran en las siguientes formas:  como iones (aniones y cationes). En el organismo animal se presentan como un solo átomo o por grupo de átomos y la suma de ambos siempre será igual. Estos iones se encuentran localizados en el líquido intracelular y extracelular.  en forma de sales no disociadas.  combinaciones de compuestos orgánicos. Tabla 2: minerales encontrados en el organismo animal Macroelementos Calcio (Ca) Fósforo (P) Sodio (Na) Potasio (K) Cloro (Cl) Magnesio (Mg) Azufre (S)

Microelementos Hierro (Fe) Cobre (Cu) Cinc (Zn) Manganeso (Mn) Cobalto (Co) Molibdeno (Mo) Iodo (I) Selenio (Se) Vanadio (V) Cromo (Cr) Bario (Ba) Fluor (F) Bromo (Br) Niquel (Ni)

Tóxicos Plomo (Pb) Arsénico (As) Cadmio (Cd) Mercurio (Hg)

Otros Rubidio (Ru) Boro (B) Sílice (Si) Litio (Li) Plata (Ag) Oro (Au) Estaño (Sn) Bismuto (Bi) Aluminio (Al)

Tabla 3: Iones de cationes y aniones del plasma sanguíneo Cationes 𝑵𝒂+ 𝑲+ 𝑪𝒂+𝟐 𝑴𝒈+𝟐 𝑪𝒍− 𝑯𝑪𝑶𝟑− 𝑯𝑷𝑶− 𝟒 y 𝑯𝟐 𝑷𝑶𝟒− Proteínas Ac. Orgánicos Otros

Mg/100 mL 326 18.6 10 1.3 369.2 146 3.4

Milimol/L 142 4.3 2.5 0.55 104 24 1.1

mEq/L 142 4.3 5 1.1 104 24 2

Osmol/L 142 4.3 2.5 0.55 104 24 1.1

7000

2.5

2.5

-

5.5

14 6 5.9

5.5

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Tabla 4: iones del líquido intracelular Cationes 𝑵𝒂+ 𝑲+ 𝑪𝒂+𝟐 𝑴𝒈+𝟐

mEq/L 10 148 2 40

Aniones 𝑯𝑪𝑶−𝟑 Proteínas Fosfatos

mEq/L 8 136 56

Una forma de clasificar también los minerales es la siguientes:  Sales en estado sólido, cristalizados, no ionizadas como las hidroxi-, flúor-, y cloro-apatitas (compuestos de fosfato y calcio) que se encuentran en los huesos y dientes.  Sales en estado iónico, disueltas en medios intracelulares y en líquidos extracelulares: 𝑵𝒂+, 𝑲+ , 𝑪𝒂+𝟐, 𝑴𝒈 +𝟐, 𝑪𝒍−, 𝑯𝑪𝑶𝟑− , 𝑯𝑷𝑶𝟒− , entre otros.  Componentes inorgánicos de compuestos orgánicos, como el azufre de la cisteína y la metionina y el hierro de la hemoglobina. Entre las funciones mas importantes de los minerales tenemos:  Contribuyen al mantenimiento del pH sanguíneo por construir sistemas amortiguadores, como los carbonatos y los fosfatos de sodio y potasio.  El fosforo y el calcio en forma de carbonatos son responsable de la dureza de los huesos y tejidos duros del organismo  Los Macroelementos ionizados participan en el equilibrio electrolítico. También en las diferencias de potencial eléctrico que generan el impulso nervioso  Intervienen en los fenómenos osmóticos, de tanta importancia en el flujo, la absorción y la secreción de los líquidos hístidicos.  El hierro es el macroelemento indispensable para la hemoglobina de la sangre.  En los procesos de biocatálisis como activadores de las enzimas como el Mg, Cu, Zn. 3.1.3. _ Distribución, circulación y balance del agua en el organismo animal. En los humanos aproximadamente de 65 a 40 Kg de su peso es agua. Es decir, el 61% esto equivale a 40 litros de agua de los cuales 25 son LIC y 15 de LEC por la cual la cuarta parte del volumen extracelular corresponde al plasma sanguíneo. El agua es el vehículo de todos los elementos requeridos para las células, así como los producidos o los que son eliminados por la misma. Una de las propiedades físicas que se puede retomar de módulos anteriores es que el agua es una sustancia polar soluble en muchos compuestos con grupos funcionales polares que hacen posible su solubilidad con otras sustancias como: glúcidos, aldehídos, cetonas, alcoholes etc. Incluso cuando las propiedades de las sustancias son hidrófobas (como el caso de los lípidos) esta es soluble solo con los extremos hidrófilos.

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Imagen 1: micelas en solución acuosa

Desde el punto de vista fisiológico animal el agua constituye el 70% del peso en los mamíferos, con un porcentaje mayor en los animales acuáticos y anfibios y un porcentaje inferior en los insectos. También se presentan variaciones en la edad, puesto que un animal más joven contiene más agua que un animal adulto. No todos los sistemas dentro de una misma especie contienen igual contenido de agua:  Sangre: 80%  Cerebro: 78%  Hígado: 60-80%

 Músculo estirado: 72-78%  Piel: 66%  Huesos: 20-25%

El agua exógena es variable en animales en animales de producción láctea y los que tienen dieta a base de concentrados, ingieren más agua que los que no experimentan estas condiciones de producción. También el agua contenida en los alimentos es variable puesto que una dieta en concentrado puede tener 10% de agua, mientras que una dieta en forraje tierno puede tener hasta 90-95% de agua. El agua endógena o metabólica es producida específicamente por la oxidación de los productos ingeridos; es un agua sintetizada por las células, por ejemplo: 1 kg de proteínas produce 460 mL de agua; 1 Kg de glúcidos produce 600 mL y 1 Kg de grasa produce 1,070 mL de agua. Los lípidos son las biomoléculas que más agua producen, lo cual son de gran importancia para animales como los camellos que pueden vivir varios días sin ingerir agua, producto de la oxidación de la grasa. 3.1.4. _ Distribución Líquido extracelular (LEC) Distribución Liquído intracelular (LIC) 50%

Liquído intravascular (LIV): la sangre y la linfa. 5% Liquído interticial (LI): liquído que recubre las células. 15%

Líquido transcelular (LTC): líquido cefaloraquideo, el humor acuoso y el vitreo, secreciones digestivas la orina y otros. 2%

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Estos líquidos presentan variaciones en cuanto a los diferentes constituyentes orgánicos disueltos en ellos: el LIC es rico en 𝑲+ , proteínas, 𝑴𝒈 +𝟐, 𝑯𝟐 𝑷𝑶𝟒− , glucógeno y otros componentes orgánicos; el LEC contiene mayor cantidad de 𝑪𝒂+𝟐, 𝑪𝒍−. En caso del LIV tienen altas concentraciones de proteínas. 3.1.5. _ Fuentes de agua para el organismo animal

Agua visible Agua oculta

•Se encuentra de manera ostensible (agua de tomar, leche, aldos, jugos), esto equivale a 1,200 mL de consumo. •Corresponde al agua que esta en los alimentos en los que ella no está de manaera ostensible como: verduras, cereales, carnes.

• Se origina de los hidrógenos provenientes de los metabolitos y el oxígeno respiratorio en los procesos oxidativos que oscila en unos Agua de 300 mL. oxidación

3.1.6. _ Circulación del agua Los líquidos circulan por los compartimentos antes mencionados y es regulada por factores físicos y químicos y bajo la dirección del sistema neurohormonal. La entrada fundamental está representada por la absorción y la salida por la excreción renal y otras vías de eliminación. Estos dos procesos están relacionados con el sistema vascular; El LIV está en contacto directo con estos dos procesos, mientras que el LI está entre el plasma y el LIC. Así los líquidos y las sustancias disueltas en los mismos excepto las proteínas se encuentran circulando constantemente en estos tres espacios. De modo que el agua pasa al agua producto de la absorción, al LI, y de aquí a la célula y a la inversa. En este mecanismo interviene la presión hidrostática (que va disminuyendo a medida que avanza el líquido en el sistema circulatorio) del LIV y del LI, así como la presión coloidosmótica del LIV, el LI y el LIC. La presión coloidosmótica es la encargada de retener agua en los vasos. Cuando las proteínas son bajas en el sistema circulatorio, la presión coloidosmótica baja, por lo cual se dificulta el retorno de los líquidos a los vasos y se produce el adema. La circulación del agua está relacionada con la existencia de algunos minerales iónicos. La circulación entre LI y el LIC está regulada por la presión coloidosmótica. En el LIC está presión se mantiene por las proteínas, el 𝑲+ , 𝑺𝑶−𝟐 𝟒 y otros iones. A su vez la presión coloidosmótica del LI está determinada por el 𝑪𝒍− y el 𝑵𝒂+. una pérdida considerable de potasio haría hipotónico el medio intracelular ocasionando deshidratación o hiperhidratación celular, la pérdida de iones del LI produciría un efecto contrario.

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3.1.7. _ Eliminación del agua  Eliminación pulmonar: Pérdidas de vapor de agua exhalado (400 mL). Esta representa un gasto sensible en los animales que no sudan.  Excreción fecal: aproximadamente 200 mL.  Transpiración inaparente: evaporación de vapor de agua por la piel (400 mL).  Sudoración: depende de la temperatura y humedad ambiente y de la actividad del sujeto. Puede ser prácticamente nula o de varios litros.  Excreción urinaria: aproximadamente 600 mL.  En menor grado por secreciones nasales y salivares, oculares, ópticas, vaginales y en la eyaculación. 3.1.8 Amortiguadores de los líquidos corporales y su importancia biomédica Para dar inicio al estudio de los amortiguadores corporales es necesario recordar las reacciones ácido-base estudiado en otros cursos de química. El agua tiene características ácido-base cuando esta se disocia formando los iones [H+] y [OH-]. También es importante recordar que en términos de concentración en términos químicos de estos dos iones es igual, por tanto: [𝑯+ ] = [𝑶𝑯−] = 𝟏𝒙𝟏𝟎−𝟏𝟒 Un ácido y una base según Brönsted son: Ácido: sustancia capaz de donar un protón (𝑯+) Base: sustancia capaz de aceptar un protón (𝑯+) Según lo anterior debemos recordar que existen ácidos fuertes como el HCl que donan protones o ácidos débiles como el ácido carbónico que también los dona ( 𝑯𝟐 𝑪𝑶𝟑 ). Las bases por otra parte las bases captan protones (hidrogeniones) como el ión bicarbonato 𝑯𝑪𝑶𝟑− Teniendo en cuenta lo anterior podemos retomar el término pH que mide la concentración de iones [𝑯+]. En este sentido el organismo animal contiene un gran número de sustancias disueltas en los líquidos corporales y estos pueden ser alterados debido al aumento de la concentración de estos iones a nivel sanguíneo, renal, intracelular o extracelular. Por lo antes mencionado el organismo debe de tener un equilibrio ácido-base óptimo para las actividades cotidianas del mismo y su autorregulación. El pH fisiológico esta entre 7.35 – 7.45 normalmente (arterialmente), por tanto:

Acidosis cuando el pH < 7.35 Alcalosis cuando el pH > 7.45 Ahora bien, El pH arterial es de 7.40. En términos de [𝑯+] este es de 4.0 x 10-5 (mEq/L), ósea 0.00004 mEq/L (40 nEq/L) Los datos mostrados nos muestran que las concentraciones de iones hidrógeno son mínimos (con respecto a otros iones como el Na (142 mEq/L), pero con consecuencias clínicas muy significativas en el organismo, por lo cual el equilibrio ácido-base en el organismo es muy riguroso dond...