BIOFISICA

OBJETIVOS GENERALES

Profundizar en el conocimiento de los fundamentos físicos y físico-químicos de los procesos biológicos. En especial se abordarán aquellos en los que tienen lugar transformaciones de energía, transporte a través de membranas o poros y procesos bioeléctricos. Se describirán los métodos experimentales utilizados para su estudio así como, en algunos casos, las teorías que los apoyan .

PROGRAMA TEÓRICO

Introducción:

Tema 1. Presentación de la asignatura. Definición de Biofísica. Objetivos de su estudio. Relación de la Biofísica con otras disciplinas: la Física y la Química. Perspectivas de futuro. Apartados y métodos biofísicos

Bioenergética:

Tema 2. Concepto ácido-base. Disociación del agua. Acidos y bases fuertes. Concepto de pH. Medida del pH. Acidos y bases débiles. Constante de acidez, Ka. Concepto de pKa. Ecuación de Henderson-Hasselbach. Neutralización de un ácido débil: curva de valoración. Tampones ácido-base. Acidos polipróticos. Propiedades ácido-base de los aminoácidos y proteínas.

Tema 3. Principios de Termodinámica aplicados a los procesos biológicos. Importancia de la energía para los seres vivos. Fuentes de energía: luz y reacciones de óxido-reducción. Metabolismo energético. La Termodinámica de los sistemas en equilibrio y en no-equilibrio. Primera ley de la Termodinámica: energía interna. Calor de reacción a presión constante: entalpía. Segunda ley de la Termodinámica: entropía. Relación entre energía libre, entalpía y entropía. Energía libre y equilibrio químico. Energía libre en procesos irreversibles. Acoplamiento entre reacciones endergónicas y exergónicas.

Tema 4. La luz como fuente de energía. Naturaleza de la luz. El Sol como fuente de energía. Origen y distribución espectral de la radiación solar. Energía solar en la biosfera. Interacción de la luz con la materia. Captación de la energía luminosa por los seres vivos. Naturaleza y distribución de lo pigmentos biológicos.

Tema 5. Compuestos ricos en energía. Definición. Aspectos temodinámicos y cinéticos. Tipos de enlaces ricos en energía. Energía libre de hidrólisis en condiciones fisiológicas. Definición de carga energética de la célula. Relación entre estructura química y potencial bioenergético. El uso de ATP como unidad energética de la célula. Sistemas de generación de energía.

Tema 6. Los compuestos redox como fuente de energía biológica. Origen de la energía biológica. Potenciales redox. Ecuación de Nerst. Curva de valoración redox. Potencial normal. Potencial normal a pH 7. Escala de potenciales. Tampones redox. Medida de potenciales: el electrodo de hidrógeno. Diferencia de potencial entre dos pares redox. Cambio de energía libre entre dos sistemas redox. Energía libre y constante de equilibrio. Determinación de los potenciales redox de compuestos de interés biológico. Transportadores de electrones de interés biológico. Cofactores redox.

Tema 7. Transferencia de electrones entre proteínas. Proteínas transportadoras de electrones. Mecanismo de transferencia de electrones. Mecanismos de reconocimiento molecular entre proteínas. Energía de reorganización. Acoplamiento electrónico. Dependencia de la velocidad de transporte de electrones con respecto a la fuerza iónica del medio.

Tema 8. La diferencia de concentración de iones como otra forma de energía. Potencial electroquímico. Fuerza protón motriz. Relación entre cambio de energía libre y diferencia de potencial. Relación entre la fuerza protón motriz y la diferencia de potencial. Relación entre la fuerza protón motriz y el cambio de energía libre.

Mecanismos de transporte

Tema 9. Estructura de las membranas biológicas. Características y composición de las membranas biológicas. Integración de las proteínas en las membranas biológicas. Tipos de proteínas de membrana. Propiedades termodinámicas de las membranas biológicas. Modelo de mosaico fluido.

Tema 10. Transporte a través de membranas biológicas. Fenómenos de transporte a través de membranas: difusión simple, difusión facilitada. Aspectos cinéticos y termodinámicos. Métodos de estudio del transporte. Estrategias para el aislamiento de proteínas de membrana. Estudio en células intactas y en vesículas. Liposomas: características, métodos de preparación. Aplicación de liposomas en medicina.

Tema 11. Mecanismos de transporte. Tipos principales de proteínas transportadoras de membrana. Sistemas de transporte pasivo. Transporte activo primario. Bomba Na+/K+. Bomba de Ca2++. Bombas de protones: estómago, halobacterias, ATPasa Fo/F1. Proteínas de unión. Transporte activo secundario: permeasa, simportes, traslocación de grupos

Transducción de energía en sistemas biológicos

Tema 12. Transducción de la energía. Concepto de transducción de la energía. Orgánulos transductores de le energía: la mitocondria y el cloroplasto. Obtención de preparaciones activas. Partículas submitocondriales. Composición de las membranas fotosintéticas. La membrana púrpura: composición y estructura.

Tema 13. Fosforilación a nivel de sustrato. Descripción de las reacciones. Aprovechamiento de la energía. Aspectos termodinámicos. Aspectos mecanísticos de los enzimas gliceraldehido-3-P deshidrogenasa, piruvato quinasa y a-cetoglutarato deshidrogenasa.

Tema 14. La cadena respiratoria de bacterias. Teoría quimiosmótica de Mitchel. La cadena respiratoria de bacterias. El caso de las bacterias desnitrificantes. Las bacterias nitrificantes. Las bacterias formadoras de metano.

Tema 15. Fosforilación oxidativa. Los componentes de la cadena respiratoria. Ordenación secuencial de los componentes. Reacciones de transferencia de electrones y liberación de energía. Desacoplantes e inhibidores de la cadena respiratoria. Mecanismo de reacción de la citocromo oxidasa: bombeo de protones. Mecanismo de acción de la ATP sintasa: síntesis de ATP.

Tema 16. Fosforilación fotosintética. Absorción de luz. Interacción y transferencia de energía luminosa en los pigmentos. Reacciones fotoquímicas. Los centros de reacción PS I y PS II. Sistemas de antena. Transferencia de electrones. El esquema Z de la fotosíntesis. Transporte cíclico y no cíclico. Generación de potencial electroquímico de protones en los cloroplastos. El complejo citocromo b6/f: síntesis de ATP. Otros transportadores de electrones. Reacciones acopladas. Transformación de la energía luminosa en Halobacterium. Mecanismos de aprovechamiento de la energía en Halobacterium. Estructura de la bacteriorrodopsina. Captación de la luz por la bacteriorrodopsina y bioenergética del proceso. La halorrodopsina y el transporte de iones.

Fenómenos Bioeléctricos

Tema 17. Potencial de Membrana. Gradiente iónico y potencial eléctrico de membrana. Células excitables. Cálculo del Potencial Eléctrico de Membrana. Potencial de reposo: generación por Canales de reposo de K+. Movimiento de iones a través de membranas biológicas. Potencial de acción. Las propiedades eléctricas pasivas de la membrana del axón. Modelo de Hodgkin y Huxley: cambios de conductancia durante la actividad. Medida experimental del potencial eléctrico de una membrana.

Tema 18. Canales iónicos. Características y tipos de canales iónicos. Canales regulados por voltaje, por ligando y por mensajero . Técnicas para el estudio de corrientes iónicas en biomembranas: pinzamiento zonal de membrana y pinzamiento de voltaje. Propiedades Moleculares de los canales iónicos regulados por voltaje. Permeabilidades relativas y selectividad. Cinética de los canales de sodio purificados. Sensibilidad al voltaje de los canales de sodio y potasio.

Tema 19. Transmisión del impulso nervioso: Neuronas. Circuitos nerviosos. El potencial de acción y la conducción de impulsos nerviosos. Despolarización-repolarización de membrana y canales regulados por voltaje. La mielinización aumenta la velocidad de conducción de impulsos. Sinapsis y transmisión del impulso nervioso. Sinapsis eléctrica y química: transmisión neuromuscular, placa motriz. Neurotransmisores. Transmisión sináptica y el receptor nicotínico de la acetilcolina.

Tema 20. Recepción sensorial. Fotorreceptores de vertebrados. Fotorreceptores y variaciones de la energía luminosa en el medio ambiente de los seres vivos. Características anatómicas de los fotorreceptores de vertebrados. Conos y bastones. La rodopsina, proteína fotorreceptora de los bastones. Eventos iniciales de la fototransducción: formación de rodopsina activada. Mecanismo de fototransducción en vertebrados. Fase de excitación. Generación de la señal nerviosa. Fase de adaptación a la luz y recuperación. Visión en color, conos.

Tema 21. Motores moleculares. Los soportes de los motores moleculares: la actina y la tubulina. El músculo. Estructura del músculo esquelético estriado. La molécula de miosina. Contracción del músculo. Regulación de la contracción muscular. El sistema actina-miosina en al movimiento celular. El sistema de tubulina-quinesina /dineina. Movimiento de vesículas. División celular. Los motores rotatorios: el flagelo bacteriano y la ATP sintasa.

CLASES DE PROBLEMAS

Al final de cada capítulo se dedicarán las clases que sean convenientes a resolver los problemas cuyo enunciado se le facilitará al alumno previamente.

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CRITERIOS DE CALIFICACION

Se hará un sólo examen al final del curso que cubrirá todos los aspectos desarrollados en la asignatura: teoría y problemas. Se valorará la actitud demostrada en clase, especialmente en el desarrollo de los problemas y la preparación de seminarios..

PROFESORADO

Dr. Carlos Gómez-Moreno. Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Celular.

Dr. Milagros Medina. Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Celular.

BIBLIOGRAFIA

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Los Elementos y Moléculas de la Vida. Introducción a la Química Biológica y Biología Molecular. M. Losada, M.A. Vargas, M.A de la Rosa y F.J. Florencio. Editorial Rueda, S.L., Madrid. (1998)

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