I. Bioelementos

A. Concepto

– Se denominan elementos biogénicos o bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos.

II. Biomoléculas

A. Concepto

– Denominadas también principios inmediatos, son aquellas moléculas que forman parte de los seres vivos.

B. Biomoléculas Inorgánicas

1. El Agua

– El agua constituye entre el 60-90% de la materia viva. Su abundancia depende de la especie, la edad y la actividad fisiológica del tejido. Aparece en el interior de las células, en el líquido tisular y en los líquidos circulantes.

a. Estructura

– Dipolaridad, puentes de hidrógeno.

b. Propiedades y Funciones Biológicas

• Polaridad y alta constante dieléctrica: Buen disolvente de los compuestos iónicos y polares. Es el medio en el que se producen las reacciones metabólicas. Transporte.
• Líquida a temperatura ambiente.
• Elevado calor específico: Termorregulación.
• Elevado calor de vaporización: Termorregulación.
• Máxima densidad a 4°C.
• Elevado grado de cohesión y de adhesión: Fenómenos de capilaridad. Transporte.
• Incompresibilidad: Amortiguador mecánico. Esqueleto hidrostático.
• Reactividad: Fotosíntesis, hidrólisis y condensaciones.

c. Ionización del Agua. Concepto de pH

– Producto iónico del agua a 25°C: [H₃O⁺][OH^–]=1×10^-14

2. Las Sales Minerales

a. Sales con Función Estructural

– Aparecen precipitadas formando estructuras esqueléticas, como el CaCO₃ o el Ca₃(PO₄)₂.

b. Sales con Función Reguladora

– Se encuentran ionizadas, disueltas en un medio acuoso.

Fenómenos Osmóticos

• Osmosis: Difusión a través de una membrana semipermeable (solo permite el paso del disolvente).
• Medios hipertónico (el de mayor concentración), hipotónico (el de menor) o isotónico (cuando los dos medios separados por la membrana semipermeable tienen la misma concentración de solutos).
• A través de una membrana semipermeable el agua pasa siempre del medio hipotónico al hipertónico.
• Presión osmótica: Plasmólisis (pérdida de agua de una célula en un medio hipertónico) y turgencia (la célula se hincha en un medio hipotónico, pudiendo llegar a estallar (lisis; hemólisis si ocurre a glóbulos rojos) si carece de pared celular y la diferencia de concentraciones es grande).
• Diálisis: Cuando la membrana deja pasar también a los solutos de bajo peso molecular.

Regulación del pH

• Soluciones amortiguadoras, sistemas tampón o buffers.
• H₂PO₄^– ⇌ HPO₄^2- + H⁺, principal tampón intracelular.
• CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ HCO₃^– + H⁺, principal tampón extracelular (sangre).

Cationes que Realizan Acciones Específicas

• Na⁺: Impulso nervioso y equilibrio hídrico. Abundante en los medios extracelulares.
• K⁺: Transmisión del impulso nervioso. Contracción muscular.
• Ca²⁺: Contracción muscular. Coagulación sanguínea. Sinapsis. Cofactor. Estructural.
• Mg²⁺: Cofactor. Contracción muscular.

III. Glúcidos

I. Concepto y Clasificación. Funciones Biológicas

• Biomoléculas orgánicas formadas por C, H y O.
• Químicamente se pueden definir como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas.

Clasificación:

• Osas (sencillos, no hidrolizables) ⇒ Monosacáridos
• Ósidos
  • Holósidos ⇒ Oligosacáridos (incluyen los disacáridos) y Polisacáridos (homo y heteropolisacáridos)
  • Heterósidos

– Funciones biológicas: energética y estructural.

II. Monosacáridos

A. Concepto y Clasificación

– Azúcares sencillos, no hidrolizables, de 3 a 7 átomos de C. Triosas, tetrosas, … Aldosas y cetosas.

B. Propiedades Físicas

• Sólidos, blancos, cristalizables. Solubles en agua (compuestos polares). Generalmente dulces.
• Estereoisomería
  • Carbonos asimétricos (cuatro radicales diferentes). Nº de esteroisómeros = 2ⁿ (n= nº de carbonos asimétricos).
  • Enantiomorfos: imágenes especulares. Formas D y L. Los monosacáridos de los seres vivos son de la forma D.
  • Epímeros: se diferencian por la posición de algún grupo -OH.
• Actividad óptica: desvían el plano de luz polarizada. Dextrógiros (+) o levógiros (-).

C. Propiedades Químicas

• Reductores: El grupo carbonilo puede oxidarse y formar un ácido orgánico.
• Formación de ésteres (fosfóricos y sulfúricos).
• Formación de glucósidos (O-glucósidos y N-glucósidos).

D. Principales Monosacáridos

1. Triosas

– Gliceraldehído y dihidroxiacetona – importantes intermediarios metabólicos.

2. Pentosas

• Ribosa – componente de ribonucleótidos (ATP, nucleótidos del ARN).
• Desoxirribosa (falta un –OH en el carbono 2) – componente de desoxirribonucleótidos (nucleótidos del ADN).
• Ribulosa – un derivado, la ribulosa-1,5-difosfato es responsable de la fijación del CO₂ en la fotosíntesis.

3. Hexosas

• Glucosa – función energética: principal combustible metabólico. Componente de polisacáridos estructurales y energéticos.
• Galactosa – Combustible metabólico. Forma parte de la lactosa (azúcar de la leche). Forma parte de polisacáridos complejos (gomas y mucílagos).
• Fructosa – Combustible metabólico. Forma parte de la sacarosa. Aparece en frutas y líquidos seminales.

4. Estructura de las Pentosas y Hexosas en Disolución

• Estructura lineal (proyección de Fischer). No explica el comportamiento de los monosacáridos en disolución.
• Estructura cíclica (proyección de Haworth)
  • Formación de un hemiacetal (aldosas) o hemicetal (cetosas) intramolecular (entre un grupo carbonilo y otro hidroxilo).
  • Aparecen nuevos estereoisómeros denominados anómeros (carbono anomérico) (formas α (–OH abajo) y β).
  • Mutarrotación: Cambio del poder de rotación de un monosacárido en disolución (eq: 1/3 α, 2/3 β).
  • Piranosas (anillos hexagonales) y furanosas (anillos pentagonales).

5. Derivados de Monosacáridos: Desoxiazúcares, Ácidos Urónicos, Aminoazúcares

• Desoximonosacáridos: Reducción de un grupo hidroxilo. Desoxirribosa.
• Acidos urónicos: Oxidación de un –OH primario formando un grupo carboxilo. Ac. glucurónico y ac. galacturónico.
• Aminoazúcares: Sustitución de un –OH por un –NH₂. Glucosamina.

IV. Disacáridos

A. Concepto

– Oligosacáridos formados por la unión de dos monosacáridos.

B. Enlace O-glucosídico

• Enlace monocarbonílico (nomenclatura: -osil -osa).
• Enlace dicarbonílico: Pierden la capacidad reductora al no quedar carbonos carbonílicos libres (nomenclatura: -osil -ósido).

C. Propiedades

• Cristalizables, dulces, solubles.
• Mediante hidrólisis se desdoblan en monosacáridos.
• Reductores (excepto los que presentan enlace dicarbonílico).

D. Principales Disacáridos

1. Maltosa (α-D-glucopiranosil (1→4) α-D-glucopiranosa). Producto de la hidrólisis del almidón y el glucógeno.
2. Celobiosa (β-D-glucopiranosil (1→4) β-D-glucopiranosa). Producto de la hidrólisis de la celulosa.
3. Lactosa (β-D-galactopiranosil (1→4) β-D-glucopiranosa). Combustible metabólico. Se encuentra en la leche.
4. Sacarosa (α-D-glucopiranosil (1→2) β-D-fructofuranósido). Combustible metabólico. Azúcar común que se extrae de la caña de azúcar y de la remolacha azucarera. No reductor.

V. Polisacáridos

A. Concepto

– Macromoléculas formadas por polimerización de monosacáridos unidos entre sí mediante enlaces glucosídicos.

B. Propiedades

• Peso molecular elevado (son macromoléculas).
• Hidrolizables (por hidrólisis generan monosacáridos).
• No dulces. Insolubles.
• No reductores (escasos grupos carbonilo libres).

C. Principales Polisacáridos

1. Homopolisacáridos

• Polímeros de un único tipo de monosacáridos.
• Los que presentan formas β son más resistentes a la hidrólisis (suelen tener función estructural).
• Los polímeros de la α-D-glucopiranosa (almidón, glucógeno y dextranos) actúan como reservas energéticas y son hidrolizados en glucosas cuando ésta es necesaria. La acumulación de glucosa libre en las células generaría problemas osmóticos.

Almidón

• Polímero de la α-D-glucopiranosa. Presenta dos formas estructurales: amilosa y amilopectina.
• Amilosa: Forma helicoidal no ramificada (enlaces α-1→4). Atacada por las amilasas rindiendo maltosas y glucosas. Las maltosas son hidrolizadas por las maltasas.
• Amilopectina: Forma helicoidal ramificada (cada 12 glucosas) (cadena principal con enlaces α-1→4; ramificaciones α-1→6). Atacada por las amilasas y enzimas desramificantes (actúan sobre los enlaces 1→6).
• Reserva energética en vegetales. Aparecen formando gránulos característicos: amiloplastos. Abundante en la patata y en las semillas.

Glucógeno

• Semejante a la amilopectina pero más ramificada (cada 8 ó 10 glucosas).
• Reserva energética en animales. Se acumula en el hígado y en los músculos.

Dextranos

• Polímero de la α-D-glucopiranosa con enlaces α-1→6. Ramificaciones en posición variable.
• Reserva en levaduras y bacterias.

Celulosa

• Polímero de la β-D-glucopiranosa (enlaces β-1 → 4). Estructura lineal no ramificada. Molécula más abundante en la naturaleza.
• Función estructural en vegetales: principal componente de la pared celular. Su estructura lineal favorece la disposición en paralelo de varias moléculas que se unen mediante puentes de hidrógeno.
• Difícilmente digerible, solo ciertas bacterias (como las que viven en simbiosis en el estómago de los rumiantes) producen enzimas capaces de hidrolizar la celulosa.

Quitina

• Polímero de N-acetilglucosamina (enlaces β-1→4).
• Función estructural: principal componente de la pared celular de los hongos y del exoesqueleto de artrópodos.

Pectina

• Polímero del ácido D-metil galacturónico.
• Forma parte de la pared celular vegetal.

2. Heteropolisacáridos

• Poseen más de un tipo de monosacáridos.

Agar-Agar

• Polímero de la galactosas y ésteres sulfúricos de la misma.
• Se extrae de las algas rojas y se emplea en el laboratorio como nutriente y sustrato de cultivos bacterianos.

Hemicelulosa

• Polímero de la D-xilosa (una aldopentosa) con enlaces β-1→4 y ramificaciones de otros monosacáridos.
• Forma parte de la pared celular vegetal.

Mucopolisacáridos

• Polímeros de disacáridos en los que uno de los dos azúcares es siempre un aminoazúcar (N-acetilglucosamina o N-acetilgalactosamina) y son abundantes los ésteres sulfúricos y los ácidos urónicos.
• La mayoría aparecen ligados a proteínas formando proteoglucanos en la matriz extracelular y en las secreciones mucosas.
• Ejemplos: Ácido hialurónico: componente principal de la matriz del tejido conjuntivo. Forma parte del líquido sinovial y de las cubiertas del óvulo. Heparina: Anticoagulante.

3. Heterósidos

• Poseen una parte no glucídica (aglucón).
• La asociación de glúcidos y proteínas se denomina proteoglucano, cuando domina la parte glucídica, o glucoproteína, cuando predomina la parte proteica.
• Entre los proteoglucanos podemos destacar los constituidos por mucopolisacáridos, ya citados anteriormente y los peptidoglicanos, que son componentes de la pared bacteriana y están constituidos por cadenas de N-acetilglucosamina y N-acetil-murámico conectadas por péptidos.
• La mayor parte de las proteínas segregadas por las células son glucoproteínas y desempeñan funciones diversas (hormonal, coagulación de la sangre, proteína anticongelante, …).
• En la superficie externa de la membrana celular aparecen oligosacáridos unidos a los lípidos y proteínas de la membrana formando glucolípidos y glucoproteínas. Tanto unos como otros sirven como señales de reconocimiento para hormonas, anticuerpos, bacterias, virus u otras células. También son los responsables antigénicos de los grupos sanguíneos.

IV. Lípidos

I. Concepto

• Biomoléculas orgánicas formadas por C, H y O; en algunos casos también P y N.
• Químicamente heterogéneos.
• Insolubles en agua, pero solubles en disolventes orgánicos apolares.
• Presentan un brillo característico y son untuosos al tacto.

II. Funciones Biológicas

• Energética, estructural, protectora, transportadora, vitamínica, hormonal.

III. Ácidos Grasos

A. Concepto

– Ácidos monocarboxílicos de cadena larga (14-22C, siempre nº par).

B. Tipos

1. Saturados

• No presentan dobles enlaces en la cadena hidrocarbonada.
• Puntos de fusión más altos, abundan en animales.
• Palmítico (16C), Esteárico (18C).

2. Insaturados

• Presentan uno o más dobles enlaces en la cadena hidrocarbonada.
• Puntos de fusión más bajos, predominan en vegetales.
• Oleico (18:1Δ⁹), Linoleico (18:2Δ^9,12), Araquidónico (20:4Δ^5,8,11,14).

C. Ácidos Grasos Esenciales

• Deben ser adquiridos con la dieta ya que no pueden ser sintetizados por el organismo y son necesarios para sintetizar otras moléculas. A veces conocidos como vitamina F.
• En el hombre: linoleico, linolénico y araquidónico.

D. Propiedades Físicas

1. Solubilidad

• Compuestos anfipáticos: poseen una zona polar, hidrófila (-COOH), y otra zona apolar, hidrófoba (-(CH₂)_n-CH₃).
• En un medio acuoso forman micelas y bicapas.

2. Punto de Fusión

– Punto de fusión más bajo cuanto más corta sea la cadena y cuanto mayor sea el número de insaturaciones.

E. Propiedades Químicas

1. Esterificación

– Reacción del grupo carboxilo con un grupo hidroxilo (ácido + alcohol → éster + agua).

2. Saponificación

• Hidrólisis de un éster en un medio alcalino (éster + álcali → jabón + alcohol).
• Jabón: sal del ácido orgánico que resulta de la hidrólisis en medio alcalino de un éster.

3. Hidrogenación

– Eliminación de las insaturaciones.

IV. Lípidos Saponificables

A. Concepto

– Lípidos que contienen ácidos grasos. Son ésteres de ácidos grasos y un alcohol.

V. Lípidos No Saponificables

– No contienen ácidos grasos y no son ésteres. Constituyen un grupo de moléculas con gran actividad biológica que desempeña funciones muy variadas.

1. Terpenos

a. Estructura

– Polímeros del isopreno, presentan dobles enlaces alternos por lo que frecuentemente son moléculas coloreadas.

b. Funciones

• Monoterpenos (2 isoprenos): Esencias vegetales (mentol, geraniol, limoneno, alcanfor…).
• Diterpenos: Fitol, componente de la clorofila, vitaminas A, K y E.
• Tetraterpenos: Carotenoides (licopeno -rojo-, β-caroteno -anaranjado-, xantofila -amarillo-, …). Son pigmentos fotosintéticos que complementan a la clorofila. El β-caroteno es el precursor de la vitamina A.

2. Esteroides

a. Estructura

– Derivados del esterano (hidrocarburo policíclico). Se diferencian unos de otros en el número y posición de dobles enlaces y en el tipo, número y posición de los grupos funcionales sustituyentes.

b. Funciones

• Estructural: el colesterol se encuentra en las membranas celulares de muchos animales y en las lipoproteínas del plasma sanguíneo. Es además precursor de otros esteroides. Su acumulación en las paredes de los vasos sanguíneos es responsable de la arteriosclerosis.
• Los ácidos biliares (ácido cólico, desoxicólico y quenodesoxicólico) son derivados del colesterol que facilitan la emulsión de las grasas.
• Vitamínica: Ergosterol → precursor de la vitamina D; se transforma en ella en la piel por acción de la luz ultravioleta.
• Hormonal: Progesterona, Estradiol (femineizante), testosterona (masculinizante) y Aldosterona (corticoide).

3. Prostaglandinas

a. Estructura

– Derivados de ácidos grasos insaturados de 20 carbonos (como el ácido araquidónico).

b. Funciones

• Presentes en la mayor parte de los tejidos animales. Funciones muy variadas.
• Estimulan la agregación de las plaquetas, activan las respuestas inflamatorias de los tejidos al iniciar la vasodilatación de los capilares, provocan la subida de la temperatura corporal y controlan el descenso de la presión arterial al favorecer la eliminación de sustancias en el riñón. También intervienen en la contracción del músculo uterino, la producción de mucus y de HCl en el estómago, modulan ciertas actividades hormonales, …
• El ácido acetilsalicílico inhibe la producción de prostaglandinas.