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1 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica BIOMOLECULAS HIDRATOS DE CARBONO Introducción Los carbohidratos son los compuestos orgánicos más abundantes en la naturaleza. Casi todas las plantas y animales sintetizan y metabolizan carbohidratos, usándolos para almacenar energía y suministrarla a sus células. Las plantas sintetizan carbohidratos a través de la fotosíntesis, una serie compleja de reacciones que emplean la luz solar como la fuente de energía para convertir dióxido de carbono y agua en glucosa y oxígeno. Muchas moléculas de glucosa pueden entrelazarse entre sí para formar ya sea almidón para almacenamiento de energía o celulosa como material de soporte de la planta. La mayoría de los organismos vivos oxidan la glucosa a dióxido de carbono y agua para proveer la energía necesaria a sus células. Las plantas pueden recuperar las unidades de glucosa del almidón cuando lo necesitan. De hecho, el almidón es la unidad de almacenamiento de la energía solar de las plantas para su uso posterior. Los animales también pueden almacenar energía en forma de glucosa uniendo muchas moléculas entre sí para formar glucógeno, otra forma del almidón. La celulosa forma las paredes celulares de las plantas y forma su marco estructural. La celulosa es el componente principal de la madera, un material duro pero flexible que soporta el gran peso del roble, y permite que el sauce se doble con el viento. Casi todos los aspectos de la vida humana involucran a los carbohidratos de una forma u otra. Como otros animales, usamos el contenido energético de los carbohidratos en nuestros alimentos para producir y almacenar energía en nuestras células. La ropa está hecha de algodón y lino, dos formas de celulosa. Otras telas se fabrican manipulando celulosa para convertirla en las fibras semisintéticas rayón y acetato de celulosa. En la forma de madera, usamos la celulosa para construir nuestros hogares y como combustible para calentarlos. Incluso esta página está hecha de fibras de celulosa. Desde el punto de vista de su composición, son sustancias ternarias (formadas por tres elementos). Suelen incluirse en el grupo, sustancias derivadas que son cuaternarias (C, O, H, N) y no responden a la formula general, como N-acetilglucosamina que pertenece a los aminoazúcares. Desde el punto de vista de su constitución (estructura) los glúcidos son compuestos polifuncionales. Formalmente se dice que son aldehídos o cetonas polihidroxilados, según las estructuras propuestas por Emil Fischer, a fines del siglo pasado; aunque se conoce con certeza que casi todos los azúcares de 4 o más átomos de C existen en moléculas con estructuras cíclicas ( hemiacetales , acetales, hemicetales , cetales) y que no presentan grupo carbonilo libre. Clasificación: Hay dos grandes grupos a) No Hidrolizables u Osas: Son los monosacáridos o azúcares simples. Este grupo a su vez se divide según el número de C de la molécula - triosas (3 at. carbono) -tetrosas (4 at. carbono) -pentosas (5 at. carbono) 2 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica -hexosas (6 at. carbono) que a su vez, se diferencian según en la estructura de Fischer presenten función aldehído o cetona: aldotriosas o cetotriosas, aldotetrosas o cetotetrosas, etc. b) Hidrolizables u Osidos: Por hidrólisis dan origen a otros glúcidos menores. La subdivisión de este grupo atiende al número de moléculas de monosacáridos que el ósido produce al hidrolizarse. Los oligosacáridos son los que producen menos de 10 moléculas de osas y los polisacáridos los que producen un número mayor. Entre los oligosacáridos son importantes los disacáridos (por hidrólisis dan dos moléculas de monosacáridos): sacarosa, maltosa, celobiosa, etc. Entre los polisacáridos: almidón, glucógeno, celulosa, etc. 3 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica Monosacáridos Estructuras: Se presentan bajo las dos configuraciones descriptas por las fórmulas de proyección de Fischer, esto es D- o L-. La configuración designada como D-, define a la estructura cuyo carbono asimétrico de número más alto tiene su hidroxilo a la derecha, en la fórmula de proyección de Fischer. Las fórmulas de proyección son convenientes cuando se desea indicar la estructura de los monosacáridos, así como las configuraciones relativas de sus carbonos asimétricos alcohólicos (CHOH), pero son inadecuadas para expresar las relaciones especiales entre los átomos o grupos, en la molécula. Los monosacáridos pueden tener, según Fischer, configuración D- o L-. Un azúcar D, es aquel en cuya estructura el carbono asimétrico más alejado del C-1 tiene el grupo -OH a la derecha, en la fórmula de proyección de Fischer. Las fórmulas de proyección son convenientes cuando se desea indicar la estructura de los monosacáridos, así como las configuraciones relativas de sus carbonos asimétricos. El estudio de las propiedades físicas y químicas de los azúcares indica que existen en forma cíclica, formando anillos hemiacetálicos (para las aldosas, y hemicetálicos para las cetosas) de 5 o 6 átomos, uno de los cuales es oxígeno. Estas representaciones fueron sistematizadas por Haworth y reciben el nombre de estructuras “furanósa” o “piranósa”, respectivamente. 4 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica Disacáridos Están constituidos por dos unidades de monosacárido unidas por un enlace de tipo glicosídico. El enlace glicosídico se forma cuando un carbohidrato reacciona con un compuesto hidroxílico. Cuando interviene la glucosa, el enlace se denomina específicamente glucosídico. La hidrólisis de un disacárido en medio ácido, o por acción enzimática, libera los dos monosacáridos, que pueden ser iguales o diferentes. 1.- Disacáridos reductores: -Maltosa: 4-O-(α-D-glucopiranosil)-α-D-glucopiranosa El enlace glicosídico se produce entre el C-1 de una molécula de glucosa y el C-4 de otra molécula de glucosa. Se obtiene por hidrólisis parcial del almidón. Por hidrólisis ácida o enzimática (maltasa), la maltosa produce dos moléculas de Dglucosa. -Celobiosa: 4-O-(β-D-glucopiranosil)-β-D-glucopiranosa: Se obtiene por hidrólisis parcial de la celulosa. Y su hidrólisis libera dos moléculas de D-glucosa. Nótese que la única diferencia con la maltosa, desde el punto de vista químico, es la configuración del carbono 1 de cada unidad de glucosa. Lactosa: 4-O-(β-D-galactopiranosil)-α-D-glucopiranosa 5 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica Azúcar presente en la leche. Por hidrólisis libera D-galactosa y D-glucosa. Tanto la maltosa, como la lactosa y la celobiosa tienen el OH hemiacetálico libre y son , por lo tanto, reductores. 2.- Disacáridos no reductores: Sacarosa: 4-O-(α-D-glucopiranosil)-β-D-fructofuranosido Es el azúcar de mesa, el disacárido más abundante de la naturaleza. La hidrólisis de la sacarosa da una mezcla de glucosa y fructosa. Además, al estar unidos los carbonos anoméricos entre sí, por la unión glicosídica se trata de un azúcar no reductor. El enlace glicosídico ocurre entre el hidroxilo del C-1 de la glucosa y el hidroxilo del C-2 de la β- D-fructosa. Es un enlace α-(1→2). No experimenta las reacciones de los aldehídos y cetonas porque en la molécula de sacarosa, al no haber OH anomérico libre, no puede abrirse ninguno de los anillos para formar la estructura de cadena abierta. Por eso no experimenta tampoco mutarrotación. Polisacáridos Son glúcidosde alto peso molecular, constituidos por un elevado número de unidades de monosacáridos, unidos mediante enlaces glicosídicos, en largas y complejas cadenas. Los polisacáridos constituidos por solo un monosacárido se denominan homopolisacaridos (almidón, glucógeno, celulosa, inulina, quitina, etc). Los polisacáridos constituidos por más de un monosacárido se denominan heteropolisacáridos (hemicelulosa, ácido hialurónico, sulfato condritina, peptidoglucanos, gomas, mucílagos, etc). Los polisacáridos difieren entre sí en sus estructuras, así como en sus monosacáridos componentes. La mayor parte de los polisacáridos tienen funciones biológicas como polisacáridos de reserva o como polisacáridos estructurales. Almidón Sirve como alimento de reserva para la nutrición de las plantas. Las plantas almacenan la molécula energética glucosa en la forma de almidón. Se encuentran almacenados en las células (en los cloroplastos) dentro de paquetes citoplasmáticos, llamados gránulos, principalmente en semillas y tubérculos. Es especialmente abundante en maíz, papa y trigo. Por hidrólisis total, da solo glucosa; en etapas intermedias se obtienen, sucesivamente, dextrinas (amilodextrina, eritrodextrina, acrodextrina), luego maltosa y finalmente glucosa. Los almidones naturales son polímeros de α-D-Glucosa, y las uniones entre las unidades de glucosa son 1,4-αglucosídicas, y la unidad que se repite es 6 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica la maltosa (α- D- galactopiranosil-α-D-glucopiranosa)n El granulo de almidón está compuesto por una porción dispersable en agua, llamada amilosa (aprox. 20%) y por una fracción menos dispersable conocida como amilopectina. Ambas subunidades están compuestas por α-D-glucosa, por lo que han de diferir solo en su estructura: -Amilosa: compuesto de largas cadenas lineales, no ramificadas, de unidades de glucosa. La cadena se va torciendo, en forma helicoidal, a medida que se adiciona una unidad Una vuelta de hélice está compuesta por 6 unidades de glucosa. Hay entre 60 y 300 unidades de glucosa por cada macromolécula de polisacárido (PM: 10.000-50.000). La amilosa no es verdaderamente soluble en H2O, sino que forma micelas -Amilopectina: Su peso molecular promedio es de 300.000, lo que corresponde a unas 1800 unidades de glucosa por cada macromolécula. Su estructura es la de una cadena ramificada, las ramas de la cadena principal (1 cada 25 glucosas) se originan por enlaces glucosídicos α(1→6) Glucógeno Es la forma de reserva energética de los animales. También se almacenan en las células, en vesículas, principalmente en hígado y también en músculo. Su estructura es similar a la amilopectina, con ramificaciones α(1→6), pero las ramificaciones son más frecuentes ( 1 cada 10) Las moléculas de glucógeno son mayores que las de almidón y contienen hasta 600.000 residuos de glucosa. Estos polisacáridos no son reductores debido a que el extremo reductor se “pierde” entre los muchos extremos no reductores. Otro polisacárido de reserva en vegetales es la Inulina Celulosa Las paredes de las células vegetales están compuestas mayoritariamente el polisacárido estructural celulosa. La madera contiene aproximadamente 50% de celulosa y el algodón casi el 100%.Es un homopolisacárido lineal de residuos de glucosa conectados por enlaces β-(1→4). Los enlaces α dan una conformación rígida, extendida, y la glucosa siguiente a girado 180º en relación a la vecina. Los grupos OH ecuatoriales están unidos por puentes de hidrogeno, formando firmes cadenas poliméricas o fibrillas. Las fibrillas son insolubles en agua (y en solventes orgánicos) y confieren rigidez y resistencia. No es reductor. Mientras que su hidrólisis total solo da D-glucosa, la hidrólisis parcial da también celobiosa, por esto,se puede considerar como un polímero de de β-D-glucosa. Su peso molecular varia entre 50.000 a 1.000.000 (300 a 6.000 unidades). Los humanos, entre otros animales, no poseemos la enzima para hidrolizar el enlace β-(1→4) por lo que no podemos asimilar la glucosa de la celulosa. Esta constituye la fibra de los alimentos 7 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica PROTEINAS Los prótidos o proteínas, son moléculas complejas de gran importancia biológica debida a las múltiples funciones que pueden desempeñar. Constituyen en forma primordial las estructuras celulares vegetales y animales; y las reacciones químicas que ocurren en el interior de las mismas, se producen principalmente por acción de enzimas de estructura proteica. Las proteínas forman la base de las moléculas con función específica en el organismo, por ej. la hemoglobina, el fibrinógeno plasmático (principal responsable de la coagulación sanguínea), etc. Las proteínas son sustancias cuaternarias (C, O, H, N). Algunas tienen también otros elementos como S,P, Fe, etc. Son macromoléculas que resultan de la unión de muchas moléculas pequeñas que guardan el mismo patrón estructural (unidades básicas), llamadas aminoácidos. Al analizar la secuencia de unidades que compone una proteína natural de origen animal o vegetal , se han encontrado 20 clases diferentes de aminoácidos que constituyen la materia prima básica de construcción de todas ellas. Una proteína difiere de otra en el orden mediante el cual se enlazan los aminoácidos, y de esto resultan diferencias macroestructurales que estudiaremos más adelante. No todos los 20 aminoácidos están presentes en una proteína determinada; por lo general, algunos de éstos predominan en abundancia al hacer el análisis de composición porcentual de la biomolécula. En general los aminoácidos que constituyen las proteínas son α-aminoácidos.(tienen un grupo amino y un grupo acido carboxílico unido al C-2 o Cα). La cadena lateral R es distinta para cada aminoacido. Clasificación de los aminoácidos: Neutros (monoaminocarboxílicos) Integran este grupo como subclases, aminoácidos alifáticos o acíclicos, aminoácidos aromáticos (homocíclicos, heterocíclicos), aminoácidos sulfurados, aminoácido cíclico También los aminoácidos neutros se pueden clasificar en base a la polaridad (más importante biológicamente): aminoácidos polares y aminoácidos no polares Ácidos (monoamino-dicarboxilicos): con carga neta negativa Básicos (diamino-monocarboxilicos): con carga neta positiva Péptidos Cuando dos o más moléculas de aminoácido se unen, por reacción del carboxilo de una molécula con el grupo amino de la otra, etc., tiene lugar la formación de moléculas de mayor tamaño, que también tienen, al menos un carboxilo y un grupo amino; reciben el nombre genérico de péptidos. La unión entre dos unidades de aminoácido se establece mediante una unión amida, que lleva el nombre de enlace peptídico. Este enlace tiene una geometría particular ya que es plano (los átomos de N y C y los cuatro átomos unidos a ellos se encuentran en el mismo plano), este se debe a que la unión C-N tiene cierto carácter de doble enlace. 8 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica La unión de aminoácidos puede conducir a dipéptidos, tripeptidos, tetrapeptidos o polipéptidos, según el número de unidades de aminoácido enlazadas. La cadena resultante posee un carboxilo libre en un extremo y un grupo amino libre en el otro extremo, por lo que la condensación puede seguir ocurriendo indefinidamente. Por esta razón se encuentra que las proteínas pueden llegar a ser moléculas de altísimos pesos moleculares Los valores más bajos están alrededor de 5000, mientras que los más altos pueden llegar a ser del orden de 1000000. Propiedades de las proteínas Fenómenos de solubilización e insolubilización La solubilidad de las proteínas globulares depende de cuatro factores importantes: a) Efecto delpH: Cada proteína tiene un punto isoeléctrico (pH de su disolución a la cual la carga neta de la macromolécula es cero); en ese punto no se producen repulsiones eléctricas entre moléculas vecinas, y se favorece la asociación que conduce a la precipitación de la proteína. A pH diferente al correspondiente al punto isoeléctrico, las repulsiones entre moléculas impiden la precipitación de la proteína. b) Acción de la concentración salina: A bajas concentraciones de sal disuelta; aumenta, por lo general, la solubilidad de las proteínas. Este efecto es más acusado para sales de cationes divalentes que para sales de cationes monovalentes. A mayores concentraciones disminuye la solubilidad, y a muy altas concentraciones las proteínas pueden precipitarse, casi cuantitativamente. El (NH4)2SO4 es la sal de elección para realizar la precipitación por salado. c) Efecto del disolvente: La adición a una solución acuosa de proteína, de un solvente orgánico neutro, miscible con el agua (por ej. alcohol etílico, acetona), disminuye la solubilidad de la mayor parte de las proteínas que tienden a insolubilizarse. Se atribuye este comportamiento a fenómenos de solvatación de las moléculas de las proteínas. d) Efecto de la temperatura: entre 0 y 40 0C, la mayor parte de las proteínas sufre un aumento de su solubilidad en agua, al aumentar la temperatura. Por sobre 40 oC (40-50 oC) comienzan a desnaturalizarse, insolubilizándose, si el pH de la solución se halla en la neutralidad. Desnaturalización Cuando las proteínas son sometidas a la acción de ciertos agentes que trastornan su organización, se alteran sus propiedades físicas, químicas y biológicas naturales, y se dice que las proteínas se desnaturalizan. Cuando esto ocurre, pierden las estructuras secundaria y terciaria (y cuaternaria si la tuviere), La pérdida de estructura varia, según el agente desnaturalizaste; la transformación puede ser reversible, o irreversible (que es el caso más común). Entre los agentes desnaturalizantes mas comunes están: calor, ácidos, álcalis, solventes miscibles en agua, soluciones concentradas de electrolitos. La desnaturalización no involucra perdida de estructura primaria. Precipitabilidad Las proteínas pueden precipitarse de sus soluciones acuosas llevando el pH al valor del punto isoeléctrico correspondiente. Y también si, fuera ese valor de pH, se le agregan iones de carga opuesta a las de las macromoléculas. A pH mayor que el del punto isoeléctrico (la molécula sostiene cargas negativas) son precipitadas por adición de sales 9 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica de metales pesados (Fe III, Hg II). A pH por bajo del punto isoeléctrico, son precipitados por adición de aniones tales como tricloroacetato, tiosalicilato, fosfotugstato, etc. Clasificación de proteínas: 1- Según su composición pueden clasificarse en proteínas "simples" y proteínas "conjugadas". Las "simples" son aquellas que al hidrolizarse producen únicamente aminoácidos, mientras que las "conjugadas" son proteínas que al hidrolizarse producen también, además de los aminoácidos, otros componentes orgánicos o inorgánicos. La porción no protéica de una proteína conjugada se denomina "grupo prostético". Las proteínas cojugadas se subclasifican de acuerdo con la naturaleza de sus grupos prostéticos. 2-Según su conformación Se entiende como conformación, la orientación tridimensional que adquieren los grupos característicos de una molécula en el espacio, en virtud de la libertad de giro de éstos sobre los ejes de sus enlaces. Existen dos clases de proteínas que difieren en sus conformaciones características: "proteínas fibrosas" y "proteínas globulares". Las proteínas fibrosas se constituyen por cadenas polipeptídicas alineadas en forma paralela. Esta alineación puede producir dos macroestructuras diferentes: fibras que se trenzan sobre si mismas en grupos de varios haces formando una "macrofibra", como en el caso del colágeno de los tendones o la α-queratina del cabello; la segunda posibilidad es la formación de láminas como en el caso de las β- queratinas de las sedas naturales. Las proteínas fibrosas poseen alta resistencia al corte por lo que son los principales soportes estructurales de los tejidos; son insolubles en agua y en soluciones salinas diluidas y en general más resistentes a los factores que las desnaturalizan. Las proteínas globulares son conformaciones de cadenas polipeptídicas que se enrollan sobre si mismas en formas intrincadas como un "nudillo de hilo enredado". El resultado es una macroestructura de tipo esférico. La mayoría de estas proteínas son solubles en agua y por lo general desempeñan funciones de transporte en el organismo. Las enzimas, cuyo papel es la catálisis de las reacciones bioquímicas, son proteínas globulares. 3- Según su función: La diversidad en las funciones de las proteínas en el organismo es quizá la más extensa que se pueda atribuir a una familia de biomoléculas. Enzimas: Son proteínas cuya función es la "catálisis de las reacciones bioquímicas". Algunas de estas reacciones son muy sencillas; otras requieren de la participación de verdaderos complejos multienzimáticos. El poder catalítico de las enzimas es extraordinario: aumentan la velocidad de una reacción, al menos un millón de veces. 10 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica Las enzimas pertenecen al grupo de las proteínas globulares y muchas de ellas son proteínas conjugadas. Proteínas de transporte y almacenamiento: Muchos iones y moléculas específicas son transportados por proteínas específicas. Por ejemplo, la hemoglobina transporta el oxígeno y una porción del gas carbónico desde y hacia los pulmones, respectivamente. Las apolipoproteinas transportan los trigligeridos y al colesterol. En la membrana mitocondrial se encuentra una serie de proteínas que transportan electrones hasta el oxígeno en el proceso de respiración aeróbica. La Ferritina almacena Fe y la Mioglobina O2 Proteínas del movimiento coordinado: El músculo está compuesto por una variedad de proteínas fibrosas (ej. Actina y Miosina). Estas tienen la capacidad de modificar su estructura en relación con cambios en el ambiente electroquímico que las rodea y producir a nivel macro el efecto de una contracción muscular. Otras son las proteinas de los flagelos y las cilias. Proteínas estructurales o de soporte: Las proteínas fibrosas como el colágeno y las α- queratinas constituyen la estructura de muchos tejidos de soporte del organismo, como los tendones y los huesos. Anticuerpos: Son proteínas altamente específicas que tienen la capacidad de identificar sustancias extrañas tales como los virus, las bacterias y las células de otros organismos. Proteínas receptoras: Son proteínas que participan activamente en el proceso de recepción de señales hormonales y de los impulsos nerviosos como en el caso de la "rodapsina" presente en los bastoncillos de la retina del ojo. Hormonas, Neuropeptidos: Hormonas: son proteínas y péptidos que participan en la regulación de procesos metabólicos (Ej Insulina); Neupeptidos: moléculas que actúan sobre neuronas (Ej. Endorfinas, que inhiben el dolor). Ribosomas, Proteínas reguladoras: Proteínas que intervienen en la decodificación de la información celular. Las proteínas de ribosomas se unen a ARN y son necesarios en traducción y otras desempeñan algún papel en la regulación (activación o inhibición) de la expresión de genes para lo cual se unen al ADN. Son elementos importantes dentro del proceso de transmisión de la información genética Diferentes órdenes estructurales de las proteínas: Al estudiar la conformación y la estructura tridimensional de las proteínas fibrosas y globulares se han encontrado diferentes órdenes estructurales de las cadenaspolipeptídicas que las conforman. Para tratar de explicar esto de una forma sencilla, realicemos el siguiente ejercicio mental: si fuésemos tan pequeños como un átomo y pudiésemos simular un acercamiento a una proteína globular, inicialmente, "desde lejos ", percibiríamos una fibra enrollándose sobre si misma como un ovillo de hilo enredada. A medida que nos vamos acercando notamos que la fibra no es una secuencia lineal sino una estructura helicoidal, como un resorte, y finalmente, al lograr el mayor acercamiento, podremos ver la secuencia de aminoácidos que conforman la hélice y que se unen entre sí mediante enlaces peptídicos. Los órdenes estructurales de las proteínas se han clasificado así: 1-Estructura Primaria: Corresponde a la secuencia de aminoácidos, que en el caso de polipéptidos de corta longitud, se trata de una fibra casi lineal. 2-Estructura Secundaria: esta estructura aparece a medida que la longitud de las cadenas polipeptídicas va aumentando y también está determinada por las condiciones fisicoquímicas del medio en el que se halla la proteína. Las cadenas de aminoácidos, por su naturaleza, poseen numerosos centros polares, tanto en el enlace peptídico, como en 11 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica los grupos "R" sustituyentes del carbono alfa de cada aminoácido; por esto, la fibra suele enrollarse formando una hélice que se estabiliza principalmente mediante la formación de numerosos puentes de hidrógeno entre sus grupos peptídicos polares. La estructura formada se conoce como "hélice alfa" y es estable a temperaturas relativamente bajas: ambiente o menor. Las cadenas polipeptídicas pueden también alinearse formando filas de tiras paralelas, que se estabilizan entre sí por enlaces de hidrógeno. Estas estructuras forman finalmente una lámina plegada conocida como "lámina beta". Además de la diferencia conformacional entre la hélice-α y la lámina-β, los puentes de Hidrogeno que estabilizan la hélice-α son intra- cadena" , mientras que, en el caso de la lámina-β, estos enlaces son "inter- cadenas". Existen otras zonas donde la organización secundaria es al azar, estas sirven de union de las estructuras antes mencionadas 3-Estructura Terciaria: Corresponde a la estructura tridimensional de la mayoría de las proteínas globulares. Las helices-α y las hojas α se vuelven a enrollar en diferentes direcciones formando estructuras tridimensionales compactas. Dichas estructuras se estabilizan mediante atracciones electrostáticas e interacciones hidrofóbicas (también puentes de hidrógeno) de los grupos que no participan en la estabilización de las estructuras secundarias. En algunos casos también hay interacciones covalentes de puentes disulfuro (-S-S-) para estabilizar la estructura 3ria. Cabe mencionar que en general se pliegan de tal manera que no haya moléculas de H2O en el interior, formado este casi exclusivamente por residuos hidrofóbicos no polares. La superficie (en contacto con el H2O) contiene principalmente residuos hidrofílicos y cargados (ionizables). 4-Estructura Cuaternaria: algunas proteínas (especialmente las enzimas) están compuestas por varias subunidades (cadenas peptídicas separadas con estructura terciaria). Estas estructuras se han denominado convencionalmente "Estructuras cuaternarias" y deben su nombre más a su carácter oligomérico, que a alguna diferencia de fondo en cuanto a su conformación, en relación con las proteínas de estructura terciaria. Las subunidades que conforman el oligoméro se estabilizan entre si mediante interacciones hidrofóbicas principalmente. La hemoglobina de la sangre es un ejemplo de este tipo de estructuras: está conformada por cuatro subunidades de mioglobina. 12 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica LIPIDOS 1-Composición, características y clasificación Los lípidos son biomoléculas orgánicas formadas por C, H y O pudiendo contener además N, P y S. Este grupo de sustancias naturales desde el punto de vista de su estructura química, es muy heterogéneo (esteres, amidas, alcoholes cíclicos superiores, libres o esterificados, vitaminas liposolubles de estructura terpénica o de estructura esteroidea); las sustancias que lo constituyen, tienen en común su alta solubilidad en solventes orgánicos y su escasa o nula solubilidad en agua. De esta manera pueden ser extraídos a partir de los materiales naturales en que se encuentran (tejidos vegetales o animales), por medio de solventes orgánicos, por ejemplo éter, cloroformo, éter de petróleo, etc. Se clasifican en: 2. Ácidos grasos Generalmente no se encuentran libres si no que se obtienen por la hidrólisis de otros lípidos. Están formados por una larga cadena hidrocarbonada y un grupo carboxilo (- COOH). Tienen un número par de átomos de carbono, generalmente entre 12 y 24. Pueden ser saturados o insaturados y suelen adoptar formas de zig-zag: • Saturados: Si todos los enlaces son simples. Ácido palmítico: CH3 – (CH2)14 – COOH Abunda en la manteca y el cacao y su punto de fusión es muy alto: 62,85ºC Ácido esteárico: CH3 – (CH2)16 – COOH • Insaturados: si tienen algún doble o triple enlace. Ácido Oleico: CH3 – (CH2)7– CH = CH– (CH2)7–COOH 2.1. Propiedades de los ácidos grasos 2.1.1. Propiedades físicas 13 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica a) Son bipolares o anfipáticos: La larga cadena hidrocarbonada es hidrófoba y el grupo carboxilo es hidrófilo. Ejemplo: Ácido linoleico Debido a esta propiedad, cuando se encuentran en medio acuoso, los grupos hidrófilos se orientan hacia las moléculas de agua mientras que los hidrófobos se alejan de esta. Así se explica la formación de películas superficiales de ácidos grasos formando bicapas, monocapas y micelas. Las cadenas se unen mediante fuerzas de Van der Waals. b) Punto de fusión: Es la cantidad de energía necesaria para romper los enlaces entre las moléculas. El punto de fusión de los ácidos grasos insaturados es menor que el de los saturados y asciende cuando aumenta el número de carbonos que posee la molécula. Por eso los animales homeotermos tienen preferentemente ácidos grasos saturados. c) Isomería cis-trans: Sólo la poseen los ácidos grasos insaturados debido a la configuración espacial que adoptan respecto al doble enlace. • Configuración cis: Los R1 y R2 de la cadena alifática se sitúan al mismo lado del doble enlace. • Configuración trans: Los R1 y R2 se sitúan en lados contrarios. La mayoría presentan configuración cis, lo que obliga a torcer la cadena formando cadenas dobladas o curvadas. 14 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica 3. Lípidos saponificables Son aquellos que por hidrólisis dan ácidos grasos y por tanto pueden realizar la reacción de saponificación en presencia de álcalis o bases, dando lugar a una sal de ácido graso llamada jabón. 3.1. Lípidos simples u hololípidos Son ésteres de ácidos grasos y un alcohol. 3.1.1. Acilglicéridos Se llaman también glicéridos y son ésteres de un alcohol polivalente, la glicerina, con uno, dos o tres ácidos grasos. Se forma un monoglicérido si se une un único ácido graso, un diglicérido si se unen dos y un triglicérido si se unen tres. Las grasas constituyen la principal reserva energética de los seres vivos. Son insolubles en agua y pueden ser de dos tipos: a) Aceites: Están formados por ácidos grasos insaturados por lo que a temperatura ambiente son líquidos. Son propios de los vegetales. b) Grasas: están formados mayoritariamente por ácidos grasos saturados por lo que a temperatura ambiente sonsólidos. Son propios de los animales. Por hidrogenación (añadir hidrógenos) los ácidos grasos insaturados pierden los dobles enlaces y se saturan, pasando al estado sólido. Esto se utiliza en la industria para la fabricación de margarinas. Nomenclatura Las grasas se nombran con el nombre del ácido graso terminado en –ina y el prefijo que indica el número de ácidos grasos que tiene salvo mono. Ejemplos: Dioleina, oleina, trioleina, palmitoestearina, dipalmitoestearina. 3.1.2. Céridos Son ésteres de un ácido graso con un alcohol monovalente lineal de cadena larga. Ejemplo: la cera de la abeja: ácido palmítico + alcohol miricílico (C30H61OH) Tienen función protectora y de revestimiento. Son insolubles en agua y forman láminas impermeables protectoras (piel, pelo, plumas, hojas y frutos,…). 3.2. Lípidos complejos o heterolípidos 15 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica Son moléculas compuestas por componentes lipídicos y otros no lipídicos. Se encuentran formando la bicapa lipídica de las membranas celulares por lo que también se les llama lípidos de membrana. 3.2.1. Fosfolípidos: glicerofosfolípidos o fosfoglicéridos Están formados por: 1 glicerina + 2 ácidos grasos + 1 ácido fosfórico, que constituye el ácido fosfatídico, que es la unidad estructural de los fosfoglicéridos del cual derivan los distintos tipos al unirse a un alcohol aminado Los principales aminoalcoholes son: etanolamina, colina y serina. Los ácidos grasos constituyen la parte hidrófoba y el resto la hidrófila, por tanto son bipolares, de ahí que se sitúen en la membrana en bicapa. Abundan en el cerebro. 3.2.2. Fosfolípidos: esfingofosfolípidos o fosfoesfingolípidos Están formados por 1 alcohol: esfingosina + 1 ácido graso + 1 ácido fosfórico + 1 alcohol aminado La esfingosina y el ácido graso constituyen la ceramida, que es la unidad estructural de los esfingolípidos y que es la parte hidrófoba. Abundan en el tejido nervioso. 16 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica 3.2.3. Glucolípidos: Esfingoglucolípidos Están formados por una ceramida unida a un glúcido. Pueden ser: a) Cerebrósidos: El glúcido es un monosacárido: la glucosa o galactosa. Abundan en las membranas de las neuronas y vainas de mielina. b) Gangliósidos: El glúcido e un oligosacárido complejo. Abundan en las neuronas y glóbulos rojos. Se encuentran en la cara externa de las membranas. 3.2.4. Glucolípidos: Gliceroglucolípidos Están formados por 1 glicerina + 2 ácidos grasos + 1 monosacárido. Forman parte de las membranas bacterianas. 3.3. Comportamiento de grasas y fosfolípidos en medio acuoso La parte hidrófila de los fosfolípidos se dispone cara el exterior relacionándose con el medio acuosos mediante puentes de hidrógeno y fuerzas electrostáticas. Las cadenas hidrófobas se empaquetan en el interior de la bicapa y presentan interacciones hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals. Las bicapas lipídicas tienden a cerrarse sobre sí mismas con las cadenas hidrófobas orientadas hacia el aire y las hidrófilas enfrentadas con una película de agua en el centro de la bicapa formando una pompa de jabón. Si se bate una gota de aceite con agua se forma una emulsión transitoria, pero poco a poco las gotas de aceite suben a la superficie y se reúnen de nuevo. Si al agua se le añade un poco de jabón, cada gota de aceite se reviste de una membrana que impide que se reúna con las demás gotas y forma micelas. REACCIONES DE IMPORTANCIA PERICIAL QUE INVOLUCRAN BIOMOLÉCULAS A) Conceptos básicos: El LUGAR DEL HECHO es el espacio físico en el que se ha producido un acontecimiento susceptible de una investigación científica criminal con el propósito de establecer su naturaleza y quiénes intervinieron. Puede estar integrado por uno o varios espacios físicos interrelacionados por los actos del acontecimiento investigado. Se caracteriza por la presencia de elementos, rastros y/o indicios que puedan develar las circunstancias o características de lo allí ocurrido. El LUGAR DEL HECHO se denomina ESCENA DEL CRIMEN cuando la naturaleza, circunstancias y características del acontecimiento permitan sospechar la comisión de un delito. El aseguramiento del lugar del hecho o escena del crimen requiere conservar en forma original el espacio físico en el que aconteció el hecho con la finalidad de evitar cualquier alteración, manipulación, contaminación, destrucción, pérdida o sustracción de los elementos, rastros y/o indicios que allí se encontraren. Se deben seguir PROTOCOLOS DE PRESERVACIÓN DEL LUGAR DE HECHO 17 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica Se considera INDICIO a todo objeto, elemento o instrumento, huella, marca, rastro, señal, vestigio o cosa que se usa y/o se produce en la comisión de un hecho delictivo, susceptible de llevar por vía de inferencia al conocimiento de otro hecho desconocido. La PRUEBA CIENTÍFICA es la que se obtiene generalmente, a partir de indicios que son estudiados por disciplinas de las ciencias forenses, cuyas bases del conocimiento son ciencias exactas (física, química, toxicología, genética, estadística, geología, ingeniería, etc.). En la metodología de la investigación científica del delito se recomienda seguir los siguientes pasos: • la protección del lugar de los hechos, • la observación preliminar del lugar (pronta respuesta), • la fijación del lugar, • la inspección detallada del lugar de los hechos, • la recolección de indicios, y • el suministro de indicios al laboratorio. La RECOLECCIÓN DE INDICIOS es el proceso que se efectúa después de haber observado y fijado el lugar de los hechos y se lleva a cabo con tres operaciones fundamentales, que son: levantamiento, embalaje y rotulado. El SUMINISTRO DE INDICIOS al laboratorio se realiza una vez efectuada la recolección de cada indicio. Para ello se procederá al embalaje individual de los mismos según su naturaleza. Se emplearán las técnicas de aseguramiento y preservación previstas en los procedimientos o buenas prácticas de uso específico de cada una de las especialidades periciales que hubieran sido convocadas. B) Determinaciones de importancia pericial que involucran biomoléculas 1) Investigación de manchas de sangre. La sangre es un tejido líquido que recorre el organismo, a través de los vasos sanguíneos, transportando células y todos los elementos necesarios para realizar sus funciones vitales. En el lugar del hecho podemos hallar manchas de sangre frescas, manchas secas y manchas en elementos fácilmente transportables (recipientes de vidrio, papel, prendas, etc).Las manchas de sangre levantadas en el lugar del hecho deben ser remitidas al Laboratorio para su análisis. La secuencia de análisis de manchas de sangre dependerá del estado en que se encuentren dichas manchas (si está seca, si es sangre fresca, si se encuentra en una prenda, etc). --Hemotipificación. Grupo Sanguíneo. El grupo sanguíneo es un sistema de clasificación de la sangre humana basado en los componentes antigénicos de los glóbulos rojos. -Sistema ABO: es el más importante de los diversos sistemas de clasificación de la sangre.Se fundamenta en la presencia de antígenos en la membrana de los glóbulos rojos, denominados aglutinógenos A y B, y de la presencia anticuerpos o aglutininas específicos de cada antígeno en el suero. Los cuatro tipos sanguíneos que se contemplan en esta clasificación son el A, el B, el AB y el O. 18 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica Las personas con grupo sanguíneo A tienen glóbulos rojos con antígenos A en la superficie de sus glóbulos rojos y anticuerpos contra los antígenos B en el suero de su sangre. Las personas del grupo sanguíneo B tienen glóbulos rojoscon antígenos B en la superficie de sus glóbulos rojos y anticuerpos contra los antígenos A en el suero de su sangre. Las personas del grupo sanguíneo AB tienen ambos antígenos en sus glóbulos rojos y ningún anticuerpo en su suero. Las personas del grupo 0 no tienen antígenos en la superficie de sus glóbulos rojos y ambos anticuerpos en su suero. La especifidad antigénica está determinada por el monosacárido terminal reducido de la cadena. Ese azúcar inmuno-dominante será el mayor punto de contacto con el sitio de combinación de la aglutinina correspondiente. Las muestras de sangre frescas se estudian por pruebas directas, ya que los glóbulos rojos se encuentran íntegros. En las muestras de sangre secas la hemotificación es indirecta, ya que la evidencia del antígeno presente en los fragmentos de membrana se logra con el auxilio de paneles de glóbulos rojos intactos de grupos conocidos. -Sistema Rhesus: Para la determinación del “Factor Rh” se procede de forma similar, utilizando el antisuero “anti-D”. A diferencia del sistema ABO y algunos otros, los antígenos del sistema “Rhesus” están confinados en la superficie del hematíe. El factor D es marcadamente más inmunogénico que los otros, por tal motivo, al tipificar, se evalúa la presencia ó ausencia de este factor, clasificando al sujeto como Rh(+) ó Rh(-). 2- Investigación de manchas de semen: El semen, esperma o líquido seminal, es el producto de secreción del aparato genital masculino, que aparece en el hombre después de la madurez sexual. Los elementos que con más frecuencia se remiten al laboratorio con el objeto de buscar manchas de semen son: las prendas de vestir de la víctima, del acusado, o sospechoso, hisopos o líquidos de lavado vaginal, o exudados vaginal y rectal. En el caso de 19 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica concurrir al lugar del hecho, se busca, además, en sabanas, colchones, toallas, alfombras, pisos, papeles o telas que hayan sido usadas para higienizarse, etc. Los estudios se realizan sobre diversos medios o materiales, por lo que para asegurar su hallazgo, se debe seleccionar los ensayos correctos para cada tipo de muestra: visualización del espermatozoide, métodos que se basan en la búsqueda de compuestos que no son específicos del semen (colina, espermina, fosfatasa acida) y la determinación del Antígeno Prostático Específico (PSA), que es una proteína específica del plasma seminal. El antígeno prostático específico (PSA) es una glicoproteína que se produce en la próstata. Se secreta al fluido seminal para hacerlo más líquido y alcanza concentraciones de entre 0,2 y 3,0 mg/ml. Este antígeno específico prostático está presente también en sangre, leche materna, saliva, sangre menstrual, orina, y líquido vaginal; pero en menos de 4 ng/ml. 3- Revelado de huellas latentes: El revelado de la huella dactilar latente puede lograrse con una amplia gama de procesos ópticos, físicos y químicos. Las huellas dactilares encontradas en el lugar de los hechos o reveladas en el laboratorio se clasifican por parte de algunos examinadores como visibles, latentes o impresiones negativas, aunque los tres tipos se asocian habitualmente con el término impresión latente. La composición del sudor que es depositado cuando la cresta de fricción en la piel hace contacto con una superficie es una mezcla compleja. Estudios han identificado cientos de compuestos presentes en el sudor humano. La producción del sudor: Tres glándulas primarias contribuyen a la producción del sudor. Estas son las glándulas sudoríparas (ecrinas y apocrinas) y las glándulas sebáceas. Cada glándula contribuye a una única mezcla de compuestos químicos. Estos compuestos exudan desde los poros hacia las crestas de fricción o son transferidos a las crestas de fricción a través del tocamiento de un área (por ejemplo, la frente, el antebrazo, etc.). La glándula ecrina produce una secreción que es mayormente agua pero contiene muchos compuestos en cantidades detectables. La glándula ecrina también secreta compuestos orgánicos. Los aminoácidos son de primaria importancia para el revelado del detalle de la cresta de impresión latente. Las proteínas también se encuentran en el sudor ecrino. Los lípidos también han sido detectados en el sudor ecrino. Estudios reportaron cantidades detectables tanto de ácidos grasos como de compuestos de esterol. En las secreciones de las glándulas apocrinas se habrían aislado proteínas, hidratos de carbono, colesterol, hierro y esteroides. Los compuestos primarios presentes en las secreciones sebáceas son lípidos. Una impresión latente es una mezcla de algunas o todas las secreciones de los tres tipos de glándulas.. Características de los reactivos dactiloscópicos: Reactivo de partículas pequeñas (SPR): La misma es una técnica bien conocida para revelar huellas digitales sea en superficies mojadas, oleosas y texturadas, aunque es principalmente recomendado para utilizar en superficies no porosas.El reactivo se adhiere a las grasas depositadas sobre la huella. 20 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica Ninhidrina: Este reactivo fue usado primariamente en superficies porosas. Es útil para revelar huellas antiguas. La Ninhidrina es un químico que reacciona con los aminoácidos hallados en la transpiración y forma un producto azul- violeta que es conocido como púrpura de Ruhemann. Cianoacrilato: La vaporización de cianoacrilato es una forma excelente de hallar huellas digitales latentes y fijarlas en el lugar para su análisis. Huellas contaminadas con sangre: Numerosos métodos de teñido son usados para revelar o realzar huellas latentes contaminadas con sangre. Estos métodos dependen de la capacidad del reactivo para teñir los componentes proteicos de la sangre para formar una impresión más visible, comúnmente azul oscuro o negro. Entre estos métodos se encuentran el Negro de amida, Leuco-cristal violeta, azul de Coomassie, y fucsina ácida. Revelador físico: El revelador físico consiste en un reactivo basado en nitrato de plata que reacciona con el cloruro de sodio presente en la fracción lipídica de los residuos que se encuentran en la huella digital. También es útil en superficies porosas y fue utilizado tradicionalmente sobre superficies húmedas o superficies que han sido previamente humedecidas (donde todos los elementos solubles en agua han sido removidos). Iodo: Se trata de uno de los métodos de revelado más tradicionales los cuales son generalmente utilizados sobre materiales porosos tales como papel o cartones y son generalmente aplicados antes de la Ninhidrina o o el procesamiento con Nitrato de Plata. Fue utilizada primariamente sobre superficies porosas pero también puede utilizarse en superficies lisas duras. Los cristales de yodo al calentados subliman generando vapores de iodo que se adhiere a la huella (grasas y agua) tornándose color marrón amarillento. La huella se desvanece luego de unos pocos minutos. Puede fijarse con una solución de almidón. Otros elementos: Rojo del Nilo (Huellas lipídicas): El rojo del Nilo reacciona con las grasas y aceites (lípidos) presentes en el componente sebáceo de la huella latente. Negro de Sudan: El método de negro de Sudan para el revelado de huellas digitales se basa en la presencia de aceites y otros componentes sebáceos en la huella latente. El resultado es una huella azul oscuro. Cristal Violeta: Este químico es ideal para revelar huellas latentes en el lado adhesivo de una cinta adhesiva. Se trata de un tinte proteico que tiñe las porciones grasas de las excreciones sebáceas dando una coloración violeta profundo. También puede adherirse a huellas sangre. 21 Tecnicatura en Balística y Documentología Química Orgánica Bibliografía: -Wade, L.G.(2012)QuímicaOrgánica. Volumen 2. 7ma. Edición.Editorial Pearson. -Autino, J.C., Romanelli,G.; Ruiz,D.M. (2013)Introducción a la Química Orgánica. Editorial de la UNLP -Caro, P. (200).Manual de Química Forense. Editorial La Rocca. Buenos Aires. Argentina -Manual de actuación en el lugar del hecho y/o escena del crimen.(Incluye Protocolo unificado de los Ministerios Públicos de la República Argentina. Guía para el levantamiento y conservación de la evidencia).(2017)Programa Nacional de Criminalística. Ministerio de Justicia y Derechos humanos-Presidencia de la Nación.
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