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Biología, unidad 3: Biomoléculas Índice Introducción a la química de la vida...........................................................................................2 1. Biomoléculas inorgánicas.........................................................................................................3 1.1 El agua........................................................................................................................................ 3 1.2. Sales o nutrientes minerales...................................................................................................8 2. Introducción a las Biomoléculas orgánicas............................................................................9 3. Biomoléculas orgánicas: lípidos............................................................................................11 3.1. Características generales de los lípidos...............................................................................11 3.2. Tipos de lípidos....................................................................................................................... 12 4. Biomoléculas orgánicas: glúcidos o carbohidratos............................................................17 4.1. Características generales de los glúcidos............................................................................17 4.2. Clasificación de los glúcidos..................................................................................................18 5. Biomoléculas orgánicas: proteínas.......................................................................................24 5.1 Introducción............................................................................................................................. 24 5.2 Aminoácidos............................................................................................................................ 24 5.3 Unión peptídica....................................................................................................................... 25 5.4 Estructura de las proteínas....................................................................................................27 5.6 Función biológica de las proteínas........................................................................................30 6. Biomoléculas orgánicas: ácidos nucleicos...........................................................................31 6.1 Introducción............................................................................................................................. 31 6.2 Nucleótidos.............................................................................................................................. 32 6.5 Ácido ribonucleico o ARN.......................................................................................................37 6.6 Ácido desoxirribonucleico o ADN..........................................................................................38 Apéndices.....................................................................................................................................39 Introducción a la materia, elementos, átomos...........................................................................39 Las moléculas y su estructura......................................................................................................40 Página 1 de 47 Uniones químicas.......................................................................................................................... 40 El átomo de carbono..................................................................................................................... 42 Moléculas orgánicas...................................................................................................................... 43 Grupo funcional............................................................................................................................. 44 Las reacciones químicas...............................................................................................................45 Vitaminas........................................................................................................................................ 46 Introducción a la química de la vida Es posible que una de las primeras preguntas que te hayas hecho al comenzar a estudiar esta materia, Biología, sea ¿por qué debo estudiar química? ¿Será importante? La respuesta que tenemos es que la Biología es fundamental para comprender muchos fenómenos que ocurren a nuestro alrededor, y para responder interrogantes como: ¿por qué hay más seres vivos en zonas donde abunda el agua? ¿Por qué varía menos la temperatura en zonas cercanas a grandes fuentes de agua que en zonas que carecen de ella, como los desiertos? ¿Por qué no podemos mezclar agua y aceite? ¿Por qué nuestra piel se arruga al envejecer? ¿Por qué nos parecemos a nuestros padres o abuelos o a un primo? ¿Cómo es que una semilla tiene la información necesaria para hacer una planta similar a las plantas de las cuales se generó? Muchas de las respuestas a estas preguntas son de naturaleza química. Si bien la biología estudia a los seres vivos, es fundamental tener algunos conocimientos de química, ya que se trata de una disciplina que estudia aquellos componentes que forman la materia de la que está hecho todo. Al fin y al cabo, todo está formado por compuestos químicos, inclusive los seres vivos. Desde un punto de vista químico, todos los seres vivos tenemos características similares, compartimos una misma composición química, un patrón de reacciones metabólicas y funciones básicas. Somos parecidos a nuestros predecesores, incorporamos materia, crecemos, utilizamos energía para llevar a cabo nuestros procesos vitales, reaccionamos ante estímulos externos e internos, nos reproducimos y nos morimos. ¿Cómo es que todos funcionamos con los mismos patrones químicos y metabólicos? Tiene mucho que ver con la materia de la cual estamos hechos, con que estos elementos se unen para formar el mismo tipo de moléculas y que todas tienen un “lenguaje” metabólico Página 2 de 47 común1. Y si bien, algunas de las características que tenemos dependen mucho de nuestra química, cada nivel de organización es mucho más que la suma de las características de sus partes. No se puede explicar a los seres vivos solo describiendo la química y la física de sus partes, ya que hay también una interacción entre características y propiedades que surgen de cada nuevo nivel de organización de los seres vivos, empezando por las células. Los seres vivos diferimos en composición respecto del mundo que nos rodea. Mientras que la corteza terrestre presenta más de 100 elementos (átomos) diferentes, los seres vivos estamos conformados en un 99% por sólo 6 elementos, carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Esos elementos tienen la particularidad de poder establecer uniones químicas muy estables denominadas enlaces covalentes y formar así estructuras denominadas moléculas. En este material desarrollaremos aspectos generales de la química de la vida que nos permitirán comprender los patrones comunes a todos los seres vivos y la naturaleza química de sus moléculas, a las que llamaremos de aquí en más biomoléculas2: • Biomoléculas inorgánicas, como el agua y las sales, y • Biomoléculas orgánicas, como los lípidos, los glúcidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. 1. Biomoléculas inorgánicas 1.1 El agua Cuando los astrónomos buscan planetas donde pueda haber vida, buscan rastros de agua. El agua es fundamental para la vida tal cual la conocemos. Sin ella, los seres vivos de nuestro planeta morirían. Sabemos que el agua cubre aproximadamente el 70% de nuestro planeta y eso es solo en su estado líquido, hay más aún en forma de hielo y vapor. Es la única sustancia que puede estar en los tres estados de agregación de la materia en la naturaleza. Esta sustanciaconstituye alrededor del 65 al 75% de la composición de un ser vivo. Aunque se trata de una pequeña molécula, insípida e incolora, presenta propiedades únicas que la hacen insustituible para el mantenimiento de la vida en nuestro planeta. Muchas de sus propiedades y características se deben a su estructura: dos átomos de hidrógeno unidos por una unión covalente (unión fuerte) a un átomo de oxígeno. Como los 1La hipótesis actual postula que esto se debe a que todos los seres vivos provenimos del mismo antecesor común. Este tema lo abordaremos cuando veamos Evolución. 2El término Biomoléculas puede referirse 1) solo las moléculas orgánicas como proteínas, lípidos, glúcidos y ácidos nucléicos, o bien, 2) referirse a todas las moléculas que están en los seres vivos: biomoléculas orgánicas (proteínas, lípidos, glúcidos y ácidos nucléicos) y biomoléculas inorgánicas (agua y sales). Página 3 de 47 átomos de oxígeno e hidrógeno varían mucho en su electronegatividad, los electrones de los hidrógenos suelen estar más tiempo alrededor del núcleo del oxígeno, lo que genera una densidad de carga negativa cerca del núcleo del oxígeno, mientras que tendremos densidad de carga positiva alrededor de los átomos de hidrógeno. Este desplazamiento de densidades de carga tiene como consecuencia que el agua sea una molécula polar, pues tiene dos polos – uno positivo y otro negativo– (ver Figura 1.1). Figura 1. Esquema de la estructura de una molécula de agua y ubicación de las densidades de carga en una molécula de agua. Que el agua sea una molécula polar determina muchas de sus características como molécula y sus interacciones entre moléculas. A diferencia de una molécula apolar o no-polar, cuyas características estudiaremos más adelante en este mismo documento. Las moléculas de agua forman uniones puente de hidrógeno entre sí. La polaridad de las moléculas de agua permite que interactúen entre sí, ya que las zonas con densidades negativas ( -) de una molécula son atraídas por las zonas con densidades positivas ( +) de ɗ ɗ otra molécula (Figura 2). Figura 2. Esquema de dos moléculas de agua unidas por una unión puente de hidrógeno. Página 4 de 47 La unión de tipo puente de hidrógeno es débil con respecto a las uniones covalentes; sin embargo, cada molécula de agua puede formar hasta cuatro puentes de hidrógeno con otras moléculas similares por lo cual se genera una estructura estable. La estructura, su polaridad y su capacidad de interaccionar con otras moléculas le confieren al agua características y propiedades emergentes3 que permiten que sea una sustancia única que hace posible la vida sobre la Tierra. Tal como se observa en la Figura 3, las propiedades del agua que permiten la vida incluyen: • la cohesión entre moléculas, • su capacidad de moderar la temperatura, • su expansión al congelarse y • su versatilidad como solvente. En la naturaleza, las propiedades del agua permiten por ejemplo en el caso de la cohesión, que ascienda el agua por el xilema (tejido especializado para ello) de los árboles, permitiendo que el agua llegue a cada una de las hojas. Su capacidad como solvente universal también permite, en el mismo ejemplo de las plantas, que las sales o nutrientes minerales vayan disueltas en el agua a todas las hojas. Es esta misma fuerza de unión entre moléculas lo que produce que masas de agua no genere una variación abrupta de la temperatura de un ambiente. También aumentan el calor que debiera absorber una masa de agua líquida antes de evaporarse (lo que no sería igual si en vez de agua nuestras células estuviesen llenas de alcohol). Además su bipolaridad le confiere su gran capacidad como solvente, ya que muchas sustancias pueden solubilizarse en ella interactuando con sus densidades de carga positiva o negativa. 3Propiedades que emergen de ese nivel de organización de la materia. Tiene las propiedades de sus componentes y nuevas que surgen de la interacción de las partes. Ejemplo: los átomos de hidrógeno y oxígeno por separado no tienen las mismas propiedades que la molécula de agua ni que muchas moléculas de agua juntas que interactúan entre si. Página 5 de 47 Figura 3. Diagrama de características del agua, sus propiedades e importancia biológica. Experiencia: Si quisiéramos probar la capacidad termorreguladora del agua, o sea que puede absorber grandes cantidades de calor sin evaporarse ni cambiar significativamente su temperatura. ¿Cómo deberíamos hacer el experimento? Te proponemos una opción posible, también hay otras. Colocamos un recipiente de metal vacío (en realidad, lleno de aire) sobre el fuego, en pocos minutos aumentará mucho la temperatura, sin embargo, si dentro de ese mismo recipiente hay agua, dejándolo durante el mismo tiempo, apenas modificará la temperatura. ¿Por qué sucedió esto? No habrá gran variación de la temperatura, pues el agua absorbe ese calor, amortiguando el cambio de temperatura. Ni el agua ni la olla aumentan mucho la temperatura con respecto a la inicial. A esto lo llamamos efecto termorregulador. La capacidad del agua de ser solvente universal agrupa al resto de las moléculas en tres tipos, según su capacidad de ser disueltas en agua. Las sustancias serán hidrofílicas (hidro, agua; fílicas, afinidad) si pueden interactuar con el agua, hidrofóbicas si no se mezcla con agua o moléculas anfipáticas si dentro de la misma molécula posee regiones que pueden interactuar con el agua y otras regiones que rechazan al agua. Así, todas aquellas moléculas polares con carga eléctrica (positiva o negativa) o aquellas que presenten un gran número de uniones covalentes polares, son hidrofílicas e interactúan con el agua. Por el contrario, aquellas moléculas en las que predominan las uniones covalentes no polares, son hidrofóbicas y no interactúan con el agua no pudiendo solubilizarse; por lo tanto, se separan de ella (ver Figura 4). Página 6 de 47 Figura 4. Cuadro de relaciones entre categorías, estructura y propiedades de las moléculas en relación con el agua. Las moléculas anfipáticas se denominan así por tener un doble comportamiento frente al agua. Los jabones y los detergentes -por ejemplo- se sirven de esta propiedad para “limpiar” o solubilizar el aceite, ya que establecen por un lado interacciones con el agua (mediante su región hidrofílica) y con el aceite (por medio de la región hidrofóbica). En la Figura 5 puede observarse la interacción de las moléculas de agua con moléculas polares, con iones, y con moléculas anfipáticas. En el diagrama se observa la formación de una micela, que es una estructura compleja con un interior hidrofóbico y una cubierta exterior hidrofílica. Figura 5. Diagramas de interacción con el agua según la naturaleza de la molécula. Los colores son similares a los de la Figura 4, donde el color rojo representa moléculas polares o hidrofílicas y el color verde representa moléculas apolares o hidrofóbicas. Página 7 de 47 Sustancias hidrofílicas Moléculas polares Sustancias iónicas Interactúan con el agua Sustancias hidrofóbicas Moléculas no polares No se mezclan con el agua Sustancias anfipáticas Moléculas con partes polares y partes no polares Solo la parte polar interactúa con el agua 1.2. Sales o nutrientes minerales Los seres vivos estamos conformados por biomoléculas inorgánicas como agua y sales y biomoléculas orgánicas como lípidos, glúcidos, proteínas y ácidos nucléicos. Estas sales están compuestas por elementos como el nitrógeno (N), fósforo (P) y el potasio (K), sodio (Na), hierro (Fe), calcio (Ca), silicio (Si), zinc (Zn), cobalto (Co), cobre (Cu), flúor (F), entre otros. Algunos son esenciales para la vida y a otros, se los denomina beneficiosos. Dentro de los nutrientes minerales esenciales, si se analiza la cantidad que se encuentra en los seres vivos, podríamos clasificarlos en macronutrientes (se encuentra en grandes cantidades) y micronutrientes (se encuentra en muy pequeñas cantidades otrazas). Las concentraciones encontradas van desde los gramos a los nanogramos (10-9 gramos). Los nutrientes minerales son de gran importancia para los seres vivos. Algunos de ellos cumplen su función biológica por sí solos, y otros la cumplen combinándose con las biomoléculas orgánicas de las cuales estamos hechos. Por ejemplo, el P es parte de ácidos nucleicos y fosfolípidos y el N es parte de proteínas. Por su parte, otros minerales proporcionan un medio iónico adecuado donde puedan ocurrir las reacciones metabólicas, o intervienen como coenzimas, ayudando a las enzimas (proteínas que llevan a cabo reacciones). Algunos, a su vez, intervienen procesos de transporte, o son los iones que transmiten el impulso nervioso o la señal a través de una neurona o una célula cardíaca, etc. Página 8 de 47 Tabla 1. Ejemplos de iones y sus funciones biológicas. 2. Introducción a las Biomoléculas orgánicas Las biomoléculas orgánicas son los compuestos carbonados de lo que está formada la materia de los seres vivos. Están compuestos principalmente de carbono (C) y otros compuestos como hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Su estructura y su ordenamiento de átomos define sus grupos funcionales (si son ácidos, alcoholes, aldehídos, etc.), su función y reactividad. Son de cuatro tipos: • los lípidos, • los hidratos de carbono o glúcidos, • las proteínas y • los ácidos nucleicos. El carbono es el átomo que compone la estructura básica de todos los moléculas orgánicas de los seres vivos. Gracias a eso, nosotros podemos alimentarnos de las plantas y otros animales. Los organismos que descomponen las hojas caídas de un bosque pueden degradar estos compuestos en materia y energía para poder crecer y volver a generar compuestos que forman parte de la tierra. En la naturaleza existen más de 100 tipos de elementos químicos que forman lo que nos rodea. Sin embargo el 99% del peso de los seres vivos está formado de sólo 6 elementos: • C (carbono), • H (hidrógeno), • O (oxígeno), • N (nitrógeno), • P (fósforo) y • S (azufre). Página 9 de 47 El carbono puede, a diferencia de otros elementos, formar grandes moléculas de átomos unidos fuertemente por enlaces covalentes con otros átomos de carbono u otros elementos. Estas combinaciones de átomos de carbono entre sí y con otros elementos permite una gran variedad de compuestos diferentes cuya funcionalidad dependerá de sus estructuras carbonadas y de sus grupos funcionales que definirán su reactividad y propiedades. Dos moléculas con la misma cantidad de carbonos, oxígenos e hidrógenos pueden ser compuestos distintos según el ordenamiento de sus átomos. Por ejemplo, con 3 carbonos, 6 hidrógenos y un oxígeno se puede formar un aldehído, una cetona, o un alcohol, cuya reactividad y propiedades serán distintas. Sin embargo y por suerte para simplificar su entendimiento y estudio, a todas las biomoléculas podemos agruparlas en los cuatro tipos de biomoléculas ya mencionados. Las biomoléculas, además pueden ser moléculas relativamente sencillas, formadas por unos pocos átomos de carbono, o pueden ser macromoléculas, moléculas grandes formadas por cientos de átomos de carbono. Existen complejos macromoleculares, formados por la asociación de distintos tipos de macromoléculas. Las Biomoléculas también pueden ser moléculas pequeñas que se repiten en estructura constituyendo unidades denominadas monómeros o polímeros si se trata de la unión covalente de una gran cantidad de monómeros (ver Figura 6). Reciben diferentes denominaciones dependiendo de la cantidad de monómeros que se unen. Si la macromolécula es la unión de muchos monómeros se llamará polímero. Dentro de la composición de los seres vivos, encontramos muchas macromoléculas poliméricas, por ej el ADN. Las moléculas de ADN (ácido desoxirribonucleico) son moléculas enormes, formadas por la unión covalente de unidades llamadas nucleótidos. Página 10 de 47 Figura 6. Monómeros y polímeros de las biomoléculas orgánicas. En las próximas secciones de este material abordaremos los aspectos relevantes de los cuatro tipos de biomoléculas orgánicas. Para empezar, estudiaremos a los lípidos, que son el único grupo de moléculas que no se caracteriza por formar polímeros, sino por su solubilidad en agua. 3. Biomoléculas orgánicas: lípidos 3.1. Características generales de los lípidos Los lípidos son biomoléculas orgánicas que se caracterizan por su insolubilidad en agua. Dentro de la célula cumplen distintos roles: algunos lípidos permiten almacenar energía o bien actuar como combustible celular (triglicéridos y ácidos grasos), mientras que otros cumplen una importante función estructural ya que son los principales componentes de las membranas biológicas (fosfolípidos, glucolípidos y colesterol). Por otro lado, otro grupo interviene como mensajero celular, de manera de establecer la comunicación entre las células (por ejemplo las hormonas lipídicas como los estrógenos, la progesterona y la testosterona). Los lípidos son un grupo heterogéneo de biomoléculas que comparten una característica fundamental que es su insolubilidad en agua. Esto se debe a que las uniones covalentes que se establecen entre sus átomos son predominantemente del tipo no polar. Página 11 de 47 3.2. Tipos de lípidos 3.2.a. Ácidos grasos En relación con su estructura, tal como se observa en la Figura 7, los ácidos grasos son biomoléculas que presentan un grupo carboxilo (grupo ácido) y una cadena carbonada (por lo general con número par de carbonos). Figura 7. Estructura de una ácido graso donde se observa la cadena carbonada (no polar) y el grupo carboxilo (polar). El grupo carboxilo es un grupo funcional polar (ya que presenta uniones covalentes polares, mientras que la cadena carbonada es de naturaleza NO polar (ya que predominan las uniones covalentes no polares). Ya que presentan una parte polar y una no polar, las moléculas de ácidos grasos son débilmente anfipáticas, por lo que, al estar en contacto con el agua, se organizan formando micelas. En relación con las funciones de los ácidos grasos, se trata de moléculas que pueden funcionar como combustibles celulares alternativos, pues pueden ser degradados para obtener energía pero también pueden ser utilizados para sintetizar otros lípidos más complejos, como los triglicéridos, los fosfoglicéridos y los glucolípidos. 3.2.b. Triglicéridos Son lípidos formados por la unión de ácidos grasos y glicerol. También se los denomina grasas neutras. Estos compuestos son totalmente insolubles en agua (Figura 8). Su estructura está esquematizada en la Figura 8. Página 12 de 47 Figura 8. Esquema de formación de un triglicérido. Si los ácidos grasos que forman el triglicérido son en su mayoría saturados, a temperatura ambiente estos triglicéridos son sólidos y reciben el nombre de grasas. Este tipo de triglicéridos son más comunes en células animales. En cambio, si el triglicérido presenta en su estructura ácidos grasos insaturados, a temperatura ambiente estará al estado líquido por lo que reciben el nombre de aceites. Este tipo de triglicéridos son más comunes en células vegetales. Dentro de las funciones de los triglicéridos, la principal es funcionar como reserva de energía a largo plazo. 3.2.c. Fosfolípidos y glucolípidos Como su nombre lo indica son lípidos en cuya estructura encontramos fósforo. El elemento fósforo en las células se encuentra formando un ión negativo (anión) que se denomina fosfato. Este anión está formado por la unión de fósforo y átomos de oxígeno e hidrógeno (Figura 9). Página 13 de 47 Figura 9. Esquema de un grupo fosfato. Este grupo fosfato se puede unir a distintos lípidos formando fosfoglicéridos y fosfoesfingolípidos. En ambos casos el grupo fosfato suele unirse a otro grupo y le otorga a la molécula de lípido polaridad, haciendo que estos lípidos sean anfipáticos. Estructuralmente, los glucolípidos son lípidos que están unidosa una o más moléculas de monosacáridos (glúcidos), tal como se observa en la Figura 10. Los monosacáridos son moléculas polares por lo que también transforman a estos lípidos en anfipáticos. Figura 10. Esquema de las estructuras de los fosfolípidos y glucolípidos. En estas moléculas anfipáticas se observa la región polar de la molécula en rojo y las regiones no polares en verde. Respecto de su función, se encuentran formando las bicapas lipídicas de las membranas biológicas. Las cabezas polares de estos lípidos interactúan con el agua y las colas no polares interactúan entre sí ocultándose del agua, estableciendo de esta forma monocapas o bicapas (Figura 11). Es decir, tienen función estructural. Página 14 de 47 Figura 11. Disposición espacial de los fosfolípidos. Las cabezas polares interactúan entre sí por medio de puentes de hidrógeno y las colas no polares interactúan por medio de interacciones hidrofóbicas. Todas estas interacciones son muy débiles, de manera que se rompen con facilidad, pero debido a que se presentan en un gran número, hacen que las membranas sean estructuras fluidas y estables (Figura 12). Figura 12. Esquema de la formación de vesículas 3.2.d. Esteroides Los esteroides corresponden a un conjunto de moléculas con estructura química cíclica conformadas fundamentalmente por carbono e hidrógeno (Figura 13). 3.2.d.I. Colesterol Es un esteroide presente en las células animales. Es un lípido ligeramente anfipático, por lo que lo encontramos formando parte de las membranas celulares de dichas células. Página 15 de 47 Figura 13. Estructura de la molécula de colesterol. 3.2.d.II. Funciones del colesterol El colesterol forma parte de las membranas de las células animales, es decir, tiene función estructural. Además el colesterol en nuestro organismo, actúa como precursor de otros esteroides importantes como las hormonas esteroides (hormonas sexuales: estrógenos y andrógenos, hormonas corticales: cortisol), ácidos biliares y vitamina D. 3.2.d.III. Lipoproteínas (colesterol bueno y malo…) 3.2.d.IV. Estructura de las lipoproteínas Las lipoproteínas son, como su nombre lo indica, asociaciones de un gran número de moléculas de lípidos y de proteínas (son agregados macromoleculares). Debido a su carácter hidrofóbico, los lípidos no pueden circular libres en la sangre (la cual está formada fundamentalmente por agua). Para que sea posible transportar los lípidos a todas las células de nuestro organismo a través de la sangre, el hígado asocia los distintos lípidos con proteínas específicas formando estas lipoproteínas. Dependiendo de la cantidad relativa de lípidos y proteínas podemos clasificar a las lipoproteínas en: • Quilomicrones (QM) • Lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL, por “very low density lipoprotein”) • Lipoproteínas de densidad intermedia (IDL, por “intermediate density lipoprotein”) • Lipoproteínas de baja densidad (LDL, por “low density lipoprotein”) • Lipoproteínas de alta densidad (HDL, por “high density lipoprotein”). Página 16 de 47 Dentro de estas asociaciones encontramos todo tipo de lípidos, incluido el colesterol (Figura 3.10). Comúnmente nos referimos al colesterol como “bueno” o “malo” según a qué tipo de lipoproteína se encuentre asociado. Figura 14. Estructura y clasificación de las lipoproteínas. 3.2.d.V. Función de las lipoproteínas Transporte de lípidos hidrofóbicos o anfipáticos como ser colesterol y triglicéridos a través de la sangre. 4. Biomoléculas orgánicas: glúcidos o carbohidratos 4.1. Características generales de los glúcidos Los glúcidos, carbohidratos o hidratos de carbono son uno de los cuatro grupos de biomoléculas orgánicas que se encuentran en los seres vivos. Todos utilizamos los glúcidos como fuente de energía, pero -además- los glúcidos llevan a cabo otras funciones como por ejemplo intervienen en la estructura celular, participan en el reconocimiento de moléculas y la comunicación intercelular, además de formar parte de moléculas mucho más complejas de vital importancia (por ejemplo formando parte de los ácidos nucleicos). Los glúcidos son un grupo de biomoléculas que están formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno, en una proporción de aproximada de 1 átomo de carbono por cada 2 de hidrógeno y 1 de oxígeno, es decir Cn(H2O)n; de ahí que se los denomina también carbohidratos (denominación que significa “carbono con agua”, aunque no es una idea apropiada ya que no se trata de carbonos unidos al agua, tal como veremos). Página 17 de 47 Al presentar un gran número de grupos polares, los glúcidos son moléculas altamente hidrofílicas, y pueden interactuar con el agua. A continuación, presentamos una clasificación de los glúcidos en función de su tamaño. 4.2. Clasificación de los glúcidos Según su extensión, se los clasifica en: • Monosacáridos • Oligosacáridos • Polisacáridos 4.2.a. Monosacáridos Monosacáridos (mono=uno, sacárido=azúcar) componen el grupo de glúcidos más sencillos. Están formados por cadenas de 3 a 8 carbonos. Poseen en su estructura un grupo funcional aldehído o cetona y varios grupos funcionales hidroxilos (Figura 15). Figura 15. Estructura de los monosacáridos. Tanto los grupos hidroxilos como el grupo aldehído y cetona son grupos polares, lo que permite que los monosacáridos interactúen con el agua por medio de la formación de puentes hidrógeno y se disuelven en ella (Figura 16). Figura 16. Formación de puentes de hidrógeno por parte de los monosacáridos Aquellos monosacáridos que presentan un grupo aldehído, reciben el nombre de aldosas. Los que presentan un grupo cetona, se denominan cetosas (Figura 17). Página 18 de 47 Aldosas cetosas Figura 17. Estructura general de las aldosas y las cetosas Los monosacáridos de 5 y 6 carbonos pueden presentar estructura lineal o estructura cíclica (figura 18). Figura 18. Estructura lineal y cíclica de los monosacáridos 4.2.b. Funciones de los monosacáridos La función más importante de los monosacáridos es la de actuar como combustible celular. La glucosa es el principal combustible celular ya que es usada en la respiración celular para obtener energía a partir de su degradación. Página 19 de 47 Sin embargo, los monosacáridos cumplen otras funciones. Son componentes de glúcidos más complejos, como oligosacáridos y polisacáridos. Otros tienen función estructural o bien función de intermediarios metabólicos (Tabla 2). Tabla 2. Principales funciones de los monosacáridos. 4.3. La unión glucosídica Una de las funciones de los monosacáridos es la de formar glúcidos más complejos. Para lograr esto, los monosacáridos, especialmente los que poseen 6 átomos de carbono, se unen entre sí en forma covalente por medio de las llamadas “uniones glucosídicas”. En la unión glucosídica participan los OH de dos monosacáridos (Figura 19). Figura 19. Esquema de la formación de una unión glucosídica. Página 20 de 47 De esta manera es posible formar cadenas de monosacáridos, de distinta longitud. Cada monosacárido será entonces una unidad (monómero). 4.4. Oligosacáridos Oligosacáridos (oligo=pocos, sacárido=azúcar) son glúcidos formados por la unión de 2 hasta 10 unidades de monosacáridos, unidos por medio de uniones glucosídicas. Cuando los oligosacáridos están formados por dos unidades de monosacáridos, reciben el nombre de disacáridos. Dentro de este grupo podemos mencionar a la sacarosa (azúcar común, Figura 20), que es un disacárido de especial importancia; se encuentra exclusivamente en el mundo vegetal y es uno de los productos directos de la fotosíntesis que estos realizan, constituyendo la principal forma de transporte de azúcares desde las hojas hacia otras partes de la planta. La lactosa es un disacárido que se encuentra en la leche de los mamíferos. Figura 20. Esquema de una molécula de sacarosa. Otro grupo de oligosacáridos importantes lo constituyen los oligosacáridos de membrana. Estos oligosacáridos están formados por varias unidades de monosacáridosy se encuentran unidos a lípidos o proteínas de las membranas biológicas y cumplen importantes funciones en los procesos de reconocimiento de la superficie celular (Figura 21). Figura 21. Disposición de los oligosacáridos de membrana. Página 21 de 47 4.4.b. Funciones de los oligosacáridos Tabla 3. Estructura y función de los principales oligosacáridos. 4.5. Polisacáridos Los polisacáridos (poli=muchos, sacárido=azúcar) son polímeros, es decir, están formados por cientos de unidades de monosacáridos unidos por uniones glucosídicas. Pueden estar formadas por un mismo tipo de monosacáridos, en cuyo caso reciben el nombre de homopolisacáridos (homo=igual/sacárido=azúcar) o bien por dos monosacáridos distintos que se unen alternadamente, los heteropolisacáridos (hetero=distinto/ sacárido=azúcar). En las Tablas 4 y 5 se resumen los principales polisacáridos en los seres vivos, y se indica su función. Homopolisacárido Monómero Función biológica Glucógeno Glucosa Reserva de energía en animales. Se almacena fundamentalmente en hígado y el tejido muscular. Almidón Glucosa Reserva de energía en vegetales. Se almacena fundamentalmente en tubérculos y semillas. Celulosa Glucosa Estructural en vegetales. Forma parte de la pared celular de las células vegetales. Página 22 de 47 Quitina Glucosamina (glucosa modificada que posee además de OH un grupo NH2) Estructural, forma parte del exoesqueleto de artópodos y forma parte de la pared celular en los hongos. Tabla 4. Principales homopolisacáridos y sus funciones biológicas. Heteropolisacárido Monómero Función biológica Glucosaminoglucanos (GAGS) (familia de heteropolisacáridos) Distintos tipos de derivados de glucosas Estructural en animales. Son los principales componentes de la matriz extracelular del tejido conectivo Peptidoglucano Distintos tipos de derivados de glucosa Estructural en bacterias. Forman parte de la pared celular de las bacterias Tabla 5. Principales heteropolisacáridos y sus funciones biológicas. Página 23 de 47 5. Biomoléculas orgánicas: proteínas 5.1 Introducción Dentro del grupo de las biomoléculas, las proteínas son las que mayor número de funciones biológicas realizan, determinando tanto la forma de la célula como su función específica. Son las responsables de la organización de la célula, de la síntesis de todos y cada uno de los componentes, así como también de la degradación de los mismos. Intervienen en las respuestas inmunológicas, permiten la comunicación entre células y también actúan como reguladores del metabolismo. Cada ser vivo posee un conjunto específico de proteínas, codificadas por su material genético y que le permiten así llevar a cabo estas tareas. Desde el punto de vista químico, las proteínas son biomoléculas formadas por largas cadenas lineales de aminoácidos unidas en forma covalente por medio de uniones peptídicas. Estas cadenas se pliegan adquiriendo una estructura tridimensional que es la que permite cumplir con sus funciones biológicas. 5.2 Aminoácidos Son las unidades (monómeros) que forman las distintas proteínas. Como su nombre lo indica, un aminoácido es una molécula orgánica que posee un grupo funcional amino (NH2) y un grupo funcional carboxilo (ácido, COOH) ambos grupos están unidos a un mismo carbono que llamamos carbono alfa (α), el resto de las valencias de este carbono se completan con un átomo de hidrógeno (H) y un resto o cadena carbonada variable (R). Página 24 de 47 Figura 22.Estructura de los aminoácidos. En la naturaleza existen 20 aminoácidos distintos, los cuales se diferencian entre sí, sólo en la estructura del R. Figura 23. Ejemplos de diferentes grupos R de los aminoácidos. Dado que la naturaleza de los grupos R es variable, cada aminoácido se comportará de manera distinta frente al agua. Aquellos aminoácidos cuyos R sean no polares o apolares, serán hidrofóbicos, aquellos que presenten R polares, serán hidrofílicos. Esto es de vital importancia ya que determinará la forma tridimensional de la proteína. 5.3 Unión peptídica La unión peptídica, es una unión covalente entre los aminoácidos, lo que permite la formación de las cadenas polipeptídicas. Para que se forme está unión o enlace, debe reaccionar el grupo ácido de un aminoácido con el grupo amino de otro, como resultado de esta reacción se libera una molécula de agua y se forma un dipéptido. Página 25 de 47 Figura 24. Esquema de la unión peptídica. El dipéptido formado posee dos extremos distintos, el extremo Aminoterminal (el primer aminoácido de la cadena=y el extremo Carboxiloterminal (el último aminoácido de la cadena). Figura 25. Esquema de un dipéptido y sus extremos. El agregado sucesivo de aminoácidos en el extremo carboxiloterminal resultará entonces en la formación de una cadena de aminoácidos. De acuerdo a la longitud de esa cadena de aminoácidos podremos obtener: • Péptidos: cadenas de unos pocos aminoácidos • Polipéptidos: cadenas formadas por muchos aminoácidos Página 26 de 47 Una proteína es un molécula que puede estar formada por una o varias cadenas polipeptídicas. 5.4 Estructura de las proteínas La hemoglobina, que transporta el oxígeno, la actina y la miosina, que permiten la contracción muscular, el colágeno que otorga resistencia a nuestros tendones, la queratina de nuestras uñas y cabello, la insulina que regula la cantidad de glucosa en sangre, son todos ejemplos de proteínas, cada una con una función específica. Ahora bien, todas las proteínas resultan de la unión de muchos aminoácidos por medio de uniones peptídicas. Todas las proteínas están formadas por los mismos 20 aminoácidos, entonces ¿qué es lo que diferencia a una proteína de otra? La respuesta está en su secuencia de aminoácidos, es decir, el orden en que los aminoácidos se van disponiendo uno a continuación del otro en cada tipo de proteína. Dicha secuencia, está determinada genéticamente en el ADN de cada ser vivo. Esta secuencia única y característica que presenta cada proteína, determina que adopte una estructura tridimensional, ya que la cadena de aminoácidos se va plegando sobre sí misma debido a interacciones que se dan entre los aminoácidos. De esta forma cada proteína presenta una estructura tridimensional que llamamos conformación nativa que será la responsable de la función biológica de esa proteína Para entender mejor la estructura de las proteínas vamos a distinguir 4 niveles estructurales: 5.4.a Estructura primaria Llamamos así a la secuencia de aminoácidos, la cual está determinada en el ADN. Esta secuencia es la que define el resto de los niveles estructurales. Está mantenida por las uniones peptídicas. Página 27 de 47 Figura 26. Estructura primaria de las proteínas X e Y. Se observa que las proteínas X e Y difieren en la cantidad, tipo y orden de los aminoácidos que las conforman. 5.4.b. Estructura secundaria Es la que resulta del plegamiento de los aminoácidos a medida que se va formando la cadena. Este plegamiento puede ser regular, en forma de alfa hélice o beta plegada o bien un plegamiento irregular o aleatorio. Este plegamiento está determinado por la secuencia y el tipo de aminoácidos presentes en la estructura primaria. Esta estructura se estabiliza por medio de puentes de hidrógeno entre distintos aminoácidos. Figura 27. Estructura secundaria de una proteína. 5.4.c Estructura terciaria Es la disposición espacial que adopta la proteína, luego de adquirir la estructura secundaria. Esta estructura se estabiliza debido a interacciones puente hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y uniones del tipo puente disulfuro entre los R de los aminoácidos. Figura 28. Estructura terciaria de una proteína. Página 28 de 47 5.4.d Estructura cuaternaria Algunas proteínas pueden presentar esta estructura. Esta estructura se alcanza cuando la proteína está formada por dos o más cadenas polipeptídicas que interactúan entre sí por medio de uniones no covalentes. A las proteínas quepresentan esta estructura se las denominan proteínas oligoméricas. Figura 29. Niveles estructurales de las proteínas. Para que una proteína realice su función biológica es necesario que conserve su estructura o conformación nativa, es decir la forma final que adopta esa proteína. Si por algún motivo pierde esa conformación la proteína pierde su función biológica. Video de modelo animado donde se observan las distintas estructuras espaciales que va adoptando una proteína hasta su plegamiento definitivo (niveles primario, secundario, terciario y cuaternario). El siguiente hipervínculo contiene una animación relacionada con la estructura de las proteínas: https://youtu.be/lijQ3a8yUYQ (Protein Structure) 5.5. Desnaturalización e hidrólisis de una proteína 5.5.a Desnaturalización La desnaturalización es la pérdida de la conformación nativa debido a la ruptura de las estructuras secundaria, terciaria y si es que la posee, también la cuaternaria. Este proceso puede ocurrir por acción del calor, la presencia de ácidos o bases como así también por la de sustancias oxidantes. La estructura primaria se mantiene, es decir, los aminoácidos siguen unidos entre sí por las uniones peptídicas. Este proceso ocurre por ejemplo al cocinar los alimentos, el cambio de color y de consistencia de la clara del huevo (que es una proteína llamada ovoalbúmina), se debe a esta desnaturalización. Página 29 de 47 https://youtu.be/lijQ3a8yUYQ ¿Qué sucede si se calienta una proteína, por ejemplo la contenida en un huevo? La misma comienza a "moverse" por acción del calor y en consecuencia, se rompen las uniones débiles que mantienen las estructuras cuaternaria, terciaria y secundaria. La proteína "atrapa" moléculas de agua y (en el caso de la gelatina y del huevo frito) se hidrata y como consecuencia de ello cambia su estructura. Animación que muestra el proceso de desnaturalización de una proteína. http://highered.mheducation.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi? it=swf::525::530::/sites/dl/free/0073511102/291136/protein_denaturation_final.swf::Protein Denaturation (Proceso de desnaturalización proteica) 5.5.b. Hidrólisis El proceso de hidrólisis implica la ruptura de las uniones peptídicas, es decir, si una proteína sufre el proceso de hidrólisis, se rompe liberando los aminoácidos. Este proceso ocurre por ejemplo durante la digestión. 5.6 Función biológica de las proteínas Las proteínas constituyen el grupo más versátil de biomoléculas, es decir, cumplen con una gran variedad de funciones. Esto se debe fundamentalmente a su estructura tridimensional. Prácticamente no hay ningún proceso biológico o estructura celular en donde no esté presente algún tipo de proteína. Las proteínas entonces pueden actuar como: • Transportadores de sustancias: muchas proteínas están involucradas en el transporte de sustancias. Un grupo importante lo componen las proteínas transportadoras de membrana que permiten el pasaje de sustancias a través de la membrana plasmática. Otro ejemplo lo constituye la hemoglobina que transporta la molécula de oxígeno. • Reguladoras: existe una gran variedad de hormonas que tienen estructura proteica, un ejemplo lo constituye la insulina. • Receptores: las proteínas receptoras reconocen sustancias llamadas “mensajeros” o “señales” responsables de los cambios en el funcionamiento de la célula. Algunas de estas proteínas se encuentran en la membrana plasmática otras en el citoplasma de la célula. • Catalizadoras: una mención especial corresponde a un grupo de proteínas llamadas Enzimas. Las enzimas son proteínas que aceleran las reacciones del metabolismo, sin ellas la vida no sería posible. Existen miles de enzimas distintas y cada una se encarga de acelerar una reacción en particular. Página 30 de 47 http://highered.mheducation.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::525::530::/sites/dl/free/0073511102/291136/protein_denaturation_final.swf::Protein%20Denaturation http://highered.mheducation.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::525::530::/sites/dl/free/0073511102/291136/protein_denaturation_final.swf::Protein%20Denaturation http://highered.mheducation.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::525::530::/sites/dl/free/0073511102/291136/protein_denaturation_final.swf::Protein%20Denaturation • Estructurales: algunas proteínas intervienen en la estructura de la célula, podemos mencionar por ejemplo a las proteínas presentes en el citoesqueleto. Otro ejemplo lo constituye el colágeno que se encuentra fuera de las células. Figura 30. Funciones de las proteínas. 6. Biomoléculas orgánicas: ácidos nucleicos 6.1 Introducción Los seres vivos son sistemas complejos que realizan un gran número de procesos metabólicos, en los cuales intervienen una enorme variedad de proteínas. Para fabricar estas proteínas los seres vivos deben contar con la información precisa para unir los aminoácidos en el orden correcto. Esta información está contenida en moléculas denominadas ácidos nucleicos. Los ácidos nucleicos son moléculas complejas que almacenan, expresan y transmiten la información genética. Son moléculas de gran tamaño formadas por miles de unidades denominadas nucleótidos. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Página 31 de 47 6.2 Nucleótidos Los nucleótidos son las biomoléculas complejas que forman los ácidos nucleicos. Un nucleótido resulta de la unión de una base nitrogenada, una pentosa y un ácido fosfórico. Una base nitrogenada: son moléculas cíclicas que contienen átomos de nitrógeno además del carbono formando parte de su estructura. Existen bases nitrogenadas que poseen un solo anillo, a estas bases las denominados pirimidinas (Timina, Citosina y Uracilo) y otras presentan dos anillos, denominadas purinas (Adenina y Guanina). Figura 31. Estructura de las bases nitrogenadas. Una pentosa (monosacárido de 5 carbonos) que puede ser la molécula de ribosa o de desoxirribosa. Figura 32. Estructura de las pentosas. Un ácido fosfórico: un ácido inorgánico, este ácido debido al pH de la célula en general se encuentra sin los H , por lo que recibe el nombre de fosfato Página 32 de 47 Figura 33. Estructura del ácido fosfórico. Estas tres moléculas se unen entre sí por medio de uniones covalentes formando un nucleótido. Figura 34. Estructura de un nucleótido. Si el nucleótido está formado por ribosa, tendremos ribonucleótidos que son los componentes del ARN. Si el nucleótido posee desoxirribosa, tendremos desoxirribonucleótidos que son los componentes del ADN. Página 33 de 47 Figura 35. Estructura de los ribonucleótidos. Figura 36. Estructura de los desoxirribonucleótidos. Los nucleótidos pueden presentar uno, dos o tres grupos fosfato (ácido fosfórico) y se denominan teniendo en cuenta la base nitrogenada que los forma. Página 34 de 47 Figura 37. Denominación de nucleótidos mono, di y trifosfatados. + Pentosa + 1 fosfato +2 fosfatos +3 fosfatos Adenina Adenosina Adenosina monofosfato (AMP) Adenosina difosfato (ADP) Adenosina trifosfato (ATP) Guanina Guanosina Guanosina monofosfato (GMP) Guanosina difosfato (GDP) Guanosina trifosfato (GTP) Citosina Citidina Citidina monofosfato (CMP) Citidina difosfato (CDP) Citidina trifosfato (CTP) Timina Timidina Timidina monofosfato (TMP) Timidina difosfato (TDP) Timidina trifosfato (TTP) Uracilo Uridina Uridina monofosfato Uridina difosfato Uridina trifosfato Página 35 de 47 (UMP) (UDP) (UTP) Tabla 6. Nomenclatura de los nucleótidos. 6.3. Funciones de los nucleótidos • Transportadores de energía: los nucleótidos trifosfatados transportan energía a través de los enlaces de alta energía que se forman entre los grupos fosfatos. Actúan como intermediarios energéticos del metabolismo. Ej. ATP • Coenzimas: algunos nucleótidos actúan como coenzimas, es decir se unen a enzimas para que estas puedan cumplir con su función . Por ejemplo FADH y NADH • Componentes de los ácidos nucleicos(monómeros) ya que se unen entre sí por medio de uniones fosfodiéster. 6.4 Uniones fosfodiéster Son uniones covalentes que se forman entre dos nucleótidos. Para ello reacciona el OH de la pentosa (que está ubicado en el carbono 3´) de un nucleótido, con el grupo fosfato (ubicado en el carbono 5´) de la pentosa de otro nucleótido. De esta manera la unión fosfodiéster es una unión 3´-5´. Figura 38. Formación de la unión fosfodiéster. Página 36 de 47 El agregado sucesivo de nucleótidos por medio de uniones fosfodiéster permite formar las cadenas polinucleotídicas. Estas cadenas presentan dos extremos distintos, ya que en un extremo el grupo fosfato de la posición 5´ no forma parte de ninguna unión (el primer nucleótido de la cadena) y en el otro extremo el OH de 3´ también estará libre (sin formar parte de ninguna unión). Por este motivo decimos que las cadenas polinucleotídicas presentan una orientación determinada, un extremo recibe el nombre de extremo 5´ y el otro extremo será el extremo 3´. Figura 39. Cadena polinucleotídica que presenta una orientación 5’-3’. 6.5 Ácido ribonucleico o ARN 6.5.a Estructura de los ARN Los ARNs son polímeros que están formados por una sola cadena de ribonucleótidos (monocatenarios) de Adenina, guanina, citosina y uracilo. No encontramos nucleótidos de timina en los ARNs. Figura 40. Formas de representar gráficamente la estructura del ADN. Se conocen varios tipos de ARN: ARNm (mensajero), ARNt (transferencia), ARNr (ribosomal) y ARNpn (pequeños nucleares) y ARNpc (pequeños citoplasmáticos). Todos los ARN están involucrados directa o indirectamente en la síntesis de proteínas. 6.5.b. Función de los ARN Los ARN participan de la síntesis de las proteínas, cada uno cumple un rol específico en dicho proceso. Todos los ARN se sintetizan a partir de secuencias específicas del ADN (genes) por medio de un proceso llamado transcripción. Página 37 de 47 • ARNm: son las moléculas que transportan la información para sintetizar proteínas. Esta información está contenida en su secuencia de nucleótidos. Son cadenas de longitud variable. • ARNt: son los encargados de llevar los aminoácidos que se encuentran en el citoplasma de la célula al ribosoma. Son cadenas relativamente cortas, entre 75 a 90 nucleótidos. Presentan secuencias de nucleótidos que son complementarias, por lo que se pliegan dando una forma característica. • ARNr: forman parte de la estructura de los ribosomas que son los organoides donde se realiza la síntesis de proteínas. Estos ARNr se asocian a proteínas para formar las subunidades ribosómicas. • ARNpc: participan en el desplazamiento de las proteínas recién sintetizadas. • ARNpn: intervienen en procesos de maduración de los otros ARNs. 6.6 Ácido desoxirribonucleico o ADN 6.6.a. Estructura del ADN Las moléculas de ADN son polímeros lineales de desoxirribonucleótidos de adenina, guanina citosina y timina. No poseen nucleótidos de uracilo. A diferencia de los ARN, las moléculas de ADN están formadas por dos cadenas (bicatenario). Dichas cadenas no son iguales, sino que son complementarias entre sí. La estructura del ADN fue propuesta por Watson y Crick en 1953 y se conoce como modelo de la doble hélice. Para proponer este modelo contaron con los resultados de distintas experiencias realizadas años antes por distintos investigadores así como también tuvieron el aporte de estudios realizados por medio de cristalografía. Gracias a estos aportes concluyeron que las moléculas de ADN estaban formadas por dos cadenas y que dichas cadenas no eran iguales sino que se complementaban. La adenina se complementa con la timina y la guanina con la citosina. A su vez las cadenas están orientadas de distinta forma, mientras una cadena está orientada en sentido 5´a 3´ la otra cadena está orientada de 3´a 5 ´, es decir, las cadenas son antiparalelas. Los nucleótidos de cada cadena interactúan entre sí por medio de puentes hidrógeno. Página 38 de 47 Figura 41. Estructura del ADN. 6.6.b Función biológica del ADN Las moléculas de ADN son las responsables de almacenar la información genética de un ser vivo. Dicha información está contenida en la secuencia de nucleótidos que cada molécula de ADN posee. Por medio de esta información el ADN puede controlar todos los procesos metabólicos de la célula. Además de almacenar la información, por medio del proceso de transcripción esa información se puede expresar, es decir, a partir de esa información la célula puede sintetizar todas y cada una de las proteínas necesarias El ADN es la clave para la continuidad de la vida, ya que a través del ADN se transmite la información que pasa de la línea parental a los descendientes. Apéndices Introducción a la materia, elementos, átomos Cuando nos preguntamos cómo están formados los seres vivos, surgen distintas respuestas. Si pensamos en nuestra propia estructura, diremos que los seres humanos somos individuos pluricelulares, formados por sistemas de órganos; si pensamos en una bacteria, diremos que es un individuo unicelular. Sin embargo, a pesar de que las respuestas parecen distintas, hay algo que compone a todos los seres vivos: la materia. La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Es lo que forma desde un grano de sal a un planeta, desde una bacteria a un hipopótamo. Página 39 de 47 La materia está formada por distintas combinaciones de elementos, es decir sustancias tales como el hierro, nitrógeno, hidrógeno, carbono, oxígeno, etc. Cada elemento, a su vez, está formado por átomos, de manera que la menor cantidad de materia que puede existir libre es un átomo. Cada átomo está formado por un núcleo que contiene protones (partículas con carga positiva) y neutrones (partículas sin carga) y por electrones (partículas con carga negativa) que giran alrededor de ese núcleo (ver Figura 1). La única excepción es el hidrógeno, cuyo núcleo sólo contiene un protón. Figura 1. Diagrama de la estructura de un átomo. Modelo de átomo mostrando el núcleo, representado por un cúmulo de neutrones y protones, y electrones “orbitando” alrededor, representados por esferas color gris. Es una forma de representación que facilita la comprensión. Lo átomos pueden unirse formando moléculas. Las moléculas y su estructura Cuando los átomos se unen entre sí, forman moléculas. Las fuerzas que unen entre sí a los átomos se denominan uniones químicas. Pero, ¿por qué se unen los átomos entre sí?; ¿por qué no permanecen “libres”? De acuerdo con las teorías químicas vigentes, los átomos se unen entre sí formando moléculas en las cuales la estructura atómica de los átomos involucrados, resulta más estable. Eso se consigue, por lo general, compartiendo electrones que provienen de un átomo vecino. Uniones químicas Los átomos pueden combinarse para formar moléculas. Durante las reacciones químicas, los reactivos o sustratos reordenan sus átomos y se convierten en productos. Página 40 de 47 En cada reacción química se da la combinación y reordenamiento de átomos, lo que implica la formación y ruptura de uniones químicas entre átomos. Pero, ¿qué son exactamente esas uniones? No son nada más y nada menos que los fenómenos fisicoquímicos que mantienen la materia unida. Para aprender cuáles son las clases de uniones químicas, primero tenemos que repasar una propiedad de todos los átomos, que es la electronegatividad. Esta propiedad es la fuerza con la que el núcleo de un átomo (que está formado por neutrones –sin carga– y protones – con carga positiva- y, en consecuencia, tiene carga positiva) atrae a los electrones (que tienen carga negativa) que están a su alrededor. Esa fuerza de atracción es tanto mayor en la medida en que: a) el núcleo tenga mayor cantidad de cargas positivas; b) tenga menor tamaño. ¿Tenés una Tabla Periódica a mano? Si te fijás en cada elemento, vas a observar un valor que crece de izquierda a derecha y de abajo hacia arriba (Figura 2). Figura 2. Aumento de laelectronegatividad en la Tabla Periódica de los Elementos. Cuando dos átomos interaccionan entre sí, se establece una unión química, cuya clase depende del valor de electronegatividad de cada uno de los átomos. A continuación, se describen las clases de uniones químicas que pueden establecerse: • Uniones iónicas: ocurren cuando los átomos que intervienen presentan una gran diferencia de electronegatividad, es decir, uno es muy electronegativo y el otro es poco electronegativo. De esta manera, el átomo electronegativo atrae con tanta fuerza a los electrones del átomo poco electronegativo, que se los quita. Un buen ejemplo de esto es lo que ocurre con la sal de mesa, que está formada por iones de cloro (Cl-) y de sodio (Na+). Página 41 de 47 • Uniones covalentes: este tipo de unión ocurre cuando se unen los átomos de dos elementos que poseen electronegatividad igual o muy parecida. Las moléculas que encontramos formando parte de los seres vivos presentan este tipo de unión. Cuando los átomos que están formando la unión covalente presentan la misma o muy parecida electronegatividad, los electrones compartidos se distribuyen uniformemente alrededor de los núcleos de ambos átomos, decimos que se trata de una unión covalente no polar o apolar. En cambio, si la diferencia de electronegatividad entre los átomos es grande, los electrones estarán más cerca del elemento que posea mayor electronegatividad, y estaremos en presencia de una unión covalente polar. En todos estos casos, cuando hablamos de carga, nos referimos a “densidades de cargas”, y no a cargas netas, ya que los átomos están compartiendo los electrones, pero no se han transformado en iones. En resumen, tipo de unión química (también llamada enlace químico) que se establezca entre los átomos, depende de una propiedad llamada electronegatividad; según la diferencia de electronegatividad entre los átomos que interaccionan, se establece una unión diferente, tal cual lo resume la Tabla 1. Diferencia de electronegatividad de los átomos que interaccionan Tipo de unión Características Poca o nula Unión covalente apolar o no polar Comparten pares de electrones (distribución uniforme) Intermedia Unión covalente polar Comparten pares de electrones (distribución asimétrica) Marcada Unión iónica Se forman iones positivos y negativos Tabla 1. Tipos de uniones químicas según la diferencia de electronegatividad. El átomo de carbono El átomo de carbono es un componente vital en todos los seres vivos y probablemente sin él, la vida como la conocemos no existiría. Es el único elemento capaz de formar una enorme cantidad de moléculas distintas ya que puede unirse a otros átomos por medio de uniones covalentes y también puede unirse con otros átomos de carbono formando cadenas, no solo lineales, sino que estas cadenas pueden ramificarse e incluso cerrarse formando estructuras cíclicas. Los átomos de carbonos pueden unirse entre sí por medio de uniones covalentes simples, dobles o triples. Debido a la estructura tridimensional de los átomos de Página 42 de 47 carbono (tetraedros) las moléculas que forman adoptan arreglos geométricos distintos que le otorgan distintas propiedades. El número atómico del carbono es 6, de manera que poseen 6 protones en su núcleo y por lo tanto posee 6 electrones en dos niveles de energía, en el primer nivel presentan dos electrones y en el segundo cuatro, estos electrones son los electrones de valencia. Estos electrones están ubicados en orbitales que se disponen formando un ángulo de 109°. De esta forma los átomos de carbono presentan una estructura tetraédrica. Figura 3. Esquema de los ángulos de la estructura tetraédrica del átomo de carbono. Por medio de los electrones de valencia los átomos de carbono pueden unirse a otros átomos de carbono por medio de uniones covalentes o bien pueden unirse a cualquier otro elemento. Estas uniones covalentes pueden ser simples, dobles o triples, teniendo en cuenta la cantidad de pares de electrones compartidos. Moléculas orgánicas Denominamos moléculas orgánicas (diferente a biomoléculas) a todas aquellas moléculas que se encuentran formadas por cadenas de carbono, es decir, formadas por la sucesiva unión de átomos de carbono por medio de uniones covalentes (sean simples, dobles o triples). Estas cadenas carbonadas pueden ser lineales, ramificadas o cíclicas. Las moléculas orgánicas más sencillas están formadas únicamente por carbono e hidrógeno (hidrocarburos). Página 43 de 47 Figura 4. Diversas estructuras de hidrocarburos. Las moléculas orgánicas que se encuentran formando parte de los seres vivos son derivados de estos hidrocarburos. Al sustituir un átomo de hidrógeno de un hidrocarburo por otro átomo o grupos de átomos, surgen los distintos tipos de moléculas orgánicas, a estos átomos o grupos de átomos los llamamos grupos funcionales. Grupo funcional Átomos o grupos de átomos que le otorgan a la molécula propiedades o características físico-químicas particulares. Tomemos por ejemplo el grupo funcional formado oxígeno e hidrógeno: OH, este grupo recibe el nombre de oxhidrilo o hidroxilo. Cuando reemplazamos un hidrógeno de cualquiera de las moléculas del figura 1, las mismas se transformarán en otras moléculas, con propiedades distintas a las que tenían esos hidrocarburos Esta molécula ya no es un hidrocarburo, sino que es otra molécula orgánica con propiedades distintas. En este caso particular las moléculas orgánicas que presenten uno o más grupos OH, forman una familia de compuestos que llamamos alcoholes. Página 44 de 47 Tabla 2. Ejemplos de grupos funcionales. Las reacciones químicas La materia está formada por combinaciones de átomos; a su vez, los átomos pueden combinarse para formar moléculas de distinto tamaño y complejidad. Cuando dos o más sustancias -sean átomos aislados o moléculas- interaccionan entre sí para dar lugar a la aparición de otras sustancias, decimos que ocurre una reacción química. Las reacciones químicas implican cambios en la estructura de la materia. Las sustancias iniciales, se denominan reactivos, reactantes o sustratos. Mediante la ruptura y formación de uniones químicas, se forman otras sustancias que constituyen los productos de la reacción. Pero, no importa cuán complicada sea la reacción, siempre se cumple una regla, que es que los átomos no se destruyen ni se crean, solamente se reordenan. La cantidad de materia presente al inicio y al final de la reacción es la misma. Tomemos como ejemplo la reacción de formación de la molécula de agua. Para obtener agua, partimos de moléculas de hidrógeno y de oxígeno, estas moléculas son entonces los reactivos de la reacción (la materia prima). Mediante la ruptura de uniones y la formación de otras nuevas, los átomos de hidrógeno y de oxígeno se combinan entre sí dando agua, el agua es el producto de dicha reacción. (El oxígeno y el hidrógeno se “transformaron” en agua) Página 45 de 47 Figura 5. Esquema de la reacción química de formación de agua. Las reacciones químicas se representan mediante las ecuaciones químicas. Una ecuación química tiene dos miembros: el primero corresponde a los reactivos y el segundo corresponde a los productos. Ambos miembros están conectados por una flecha que va desde los reactivos hacia los productos. Como la cantidad de átomos de cada elemento se conserva a lo largo de la reacción, para mantener la igualdad de ambos miembros es necesario “balancear” las ecuaciones, colocando los coeficientes que correspondan a cada sustancia interviniente. Figura 6. Ecuación química balanceada de la formación de agua. Vitaminas Las vitaminas son biomoléculas orgánicas necesarias para el metabolismo. Poseen distinto tipo de estructura química, algunas vitaminas tienen estructura lipídica, otras son derivados de nucleótidos o de glúcidos, por lo que no podemos incluirlas dentro de uno solo de dichos grupos de biomoléculas. Nuestro organismo no es capaz de sintetizarlas(excepto la vitamina D, que la podemos sintetizar a partir del colesterol), por lo que es necesario incorporarlas con nuestra dieta. La capacidad para sintetizar las vitaminas no es igual en todos los animales. Las vitaminas como grupo se clasifican en: • Hidrosolubles (se disuelven en agua, por lo que el exceso lo eliminamos a través de la orina). Ejemplos Vitaminas B (B1,B2,B6,B12 Y C). Página 46 de 47 • Liposolubles (no son solubles en agua, por lo que las acumulamos en nuestro organismo). Ejemplos: Vitaminas A, D, E y K. Tabla 3. Estructura y función de las vitaminas. Página 47 de 47 Introducción a la química de la vida 1. Biomoléculas inorgánicas 1.1 El agua 1.2. Sales o nutrientes minerales 2. Introducción a las Biomoléculas orgánicas 3. Biomoléculas orgánicas: lípidos 3.1. Características generales de los lípidos 3.2. Tipos de lípidos 3.2.a. Ácidos grasos 3.2.b. Triglicéridos 3.2.c. Fosfolípidos y glucolípidos 3.2.d. Esteroides 3.2.d.I. Colesterol 3.2.d.II. Funciones del colesterol 3.2.d.III. Lipoproteínas (colesterol bueno y malo…) 3.2.d.IV. Estructura de las lipoproteínas 3.2.d.V. Función de las lipoproteínas 4. Biomoléculas orgánicas: glúcidos o carbohidratos 4.1. Características generales de los glúcidos 4.2. Clasificación de los glúcidos 4.2.a. Monosacáridos 4.2.b. Funciones de los monosacáridos 4.3. La unión glucosídica 4.4. Oligosacáridos 4.5. Polisacáridos 5. Biomoléculas orgánicas: proteínas 5.1 Introducción 5.2 Aminoácidos 5.3 Unión peptídica 5.4 Estructura de las proteínas 5.4.a Estructura primaria 5.4.b. Estructura secundaria 5.4.c Estructura terciaria 5.4.d Estructura cuaternaria 5.5. Desnaturalización e hidrólisis de una proteína 5.5.b. Hidrólisis 5.6 Función biológica de las proteínas 6. Biomoléculas orgánicas: ácidos nucleicos 6.1 Introducción 6.2 Nucleótidos 6.3. Funciones de los nucleótidos 6.4 Uniones fosfodiéster 6.5 Ácido ribonucleico o ARN 6.5.a Estructura de los ARN 6.5.b. Función de los ARN 6.6 Ácido desoxirribonucleico o ADN 6.6.a. Estructura del ADN 6.6.b Función biológica del ADN Apéndices Introducción a la materia, elementos, átomos Las moléculas y su estructura Uniones químicas El átomo de carbono Moléculas orgánicas Grupo funcional Las reacciones químicas Vitaminas
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