LOS BIOELEMENTOS Y BIOMOLECULAS ORGÁNICAS

1. LOS ELEMENTOS DE LA VIDA

Unos 27 son esenciales para los diferentes seres vivos si bien sólo 16 son comunes a todos ellos.

1. BIOELEMENTOS PRINCIPALES: C, H, O, N, P, S.

El carbono, hidrógeno y oxígeno forman parte de las biomoléculas orgánicas. El nitrógeno es un componente de las proteínas, ácidos nucleicos, nucleótidos, clorofila, hemoglobina, y numerosos glúcidos y lípidos. El azufre se halla en 2 aminoácidos (cisteína y metiomina) presentes en casi todas las proteínas. El fósforo es parte de los nucleótidos, ácidos nucleicos y sales minerales. Las propiedades fisicoquímicas son:

• Facilidad enlaces covalentes
• Enlaces dobles o triples
• La estabilidad de un enlace es mayor cuanto menor es masa atómica
• Configuración tetraédrica de los enlaces del carbono.
• Enlaces estables carbono-carbono
• Los compuestos tienden a oxidarse y la energía desprendida es aprovechada para las funciones vitales de los organismos

1. BIOELEMENTOS SECUNDARIOS: Ca, Mg, Na, K, Cl

El magnesio forma parte de la molécula de clorofila y actúa como catalizador en muchas reacciones químicas. El Na, K y Cl forman parte, como iones, de las sales minerales disueltas en el agua de los organismos. Procesos fisiológicos como la transmisión del impulso nervioso.

1.3- OLIGOELEMENTOS

Conjunto de elementos químicos que están presentes en los organismos en pequeñas proporciones. Forman parte de alguna actividad fisiológica del organismo. El Mn, Fe, Co, Cu y Zn son oligoelementos universales. El Fe es fundamental para la síntesis de clorofila, transporte electrónico en la respiración y la fotosíntesis y forma parte de proteínas como la hemoglobina. El Mn es un activador de muchas enzimas. El Co forma parte de la vitamina B12. El Zn es un componente esencial de enzimas diferentes, como las polimerasas del DNA y del RNA.

4- LAS SALES MINERALES

Son sólidas tienen una función pricipalmente esquelética o de sostén, como el CaCO3, que forma el caparazón de gasterópodos y bivalvos, de corales y muchos protozoos, etc; el fosfato cálcico constituye la materia mineral de los huesos de los vertebrados

4.1- REGULACIÓN DEL PH

El mantenimiento de la vida requiere que el pH de los fluidos celulares y orgánicos se mantenga dentro de ciertos límites ya que de lo contrario podría producirse un cambio de estructura de muchas biomoléculas y alteración de muchas reacciones químicas. Tampón o amortiguadores de pH, formados por disoluciones de ácidos débiles y de su correspondiente base conjugada. La adición de pequeñas cantidades de H+ o de OH- no produce cambios de pH en un cierto intervalo. Los tampones más comunes son el tampón bicarbonato y el tampón fosfato. Si aumenta la concentración de hidrogeniones en el medio por cualquier proceso químico, el equilibrio se desplaza a la derecha y se elimina el exceso de CO2 producido y si es al contrario se desplaza a la izquierda y se toma CO2 del medio.

4.2- PROPIEDADES DE LAS DISPERSIONES

Los líquidos presentes en el interior de los seres vivos son dispersiones de diversas sustancias en el seno del agua. Si las partículas dispersas son de tamaño inferior a 10  cm son disoluciones verdaderas formadas por sales minerales o por moléculas orgánicas pequeñas. Cuando están comprendidas entre 10  y 10  cm son dispersiones coloidales. Las dispersiones coloidales concentradas reciben el nombre de geles y las diluidas se llaman soles. Existen también dispersiones coloidales hidrófobas en las que las partículas dispersas no son afines al agua, no son estables sino que tienden a reunirse y formar una fase separada del agua. Las dispersiones hidrófobas pueden estabilizarse formando emulsiones cuando actúan sustancias que impide la unión entre partículas dispersas. Las partículas dispersas pueden provocar 3 fenómenos:

• Difusión: es el fenómeno por el cual las moléculas de un soluto se mueven continuamente en todas direcciones tendiendo a distribuirse uniformemente en el seno del agua hasta ocupar todo el espacio disponible.

• Diálisis: es una difusión selectiva que separa uno o varios solutos de una disolución a través de una membrana cuya permeabilidad solamente permite el paso de las partículas más pequeñas. La diálisis de la sangre o hemodiálisis sustituye a la filtración renal de las personas en las que ésta no funciona utilizando membranas artificiales.

• Ósmosis: es el fenómeno por el cual tiende a igualarse la concentración de dos disoluciones separadas por una membrana semipermeable. El flujo del agua de la membrana es asimétrico: pasa de la disolución diluida a la concentrada. La cantidad de agua que atraviesa una membrana semipermeable depende de la concentración de partículas disueltas a uno y a otro lado no de su naturaleza. La ósmosis genera una diferencia un contenido en agua a un lado y a otro de la membrana lo cual provoca una presión sobre la misma que recibe el nombre de presión osmótica. Dicha presión equivale a la que debería aplicarse sobre la membrana para neutralizar el flujo osmótico. Cuando dos disoluciones se hallan separadas por una membrana semipermeable se le llama hipertónica a aquella disolución que está más concentrada pues es la que genera más presión sobre la membrana; se denomina hipotónica a la solución más diluida pues generará menos presión sobre la membrana; si las dos disoluciones tienen la misma concentración se denominan isotónicas.

• Fenómenos Osmóticos:

1. Si el medio externo es hipertónico el agua tenderá a salir de la célula. Las células animales pierden agua y se contraen.
2. Si el medio externo es hipotónico el agua tenderá a entrar en la célula y ésta se hinchará fenómenos que en células vegetales recibe el nombre de turgescencia. Las células sin pared  expulsan iones para rebajar la presión osmótica interna aunque en algunos casos pueden llegar a reventar.
3. Si el medio externo es isotónico entra y sale a la misma cantidad de agua.

Muchos fenómenos biológicos se deben a la ósmosis:

• Los protozoos de agua dulce.
• Algunos movimientos en las plantas, como el cierre rapidísimo de la trampa de la planta carnívora Venus atrapamoscas.
• Las raíces absorben agua cuando las disoluciones del suelo son hipotónicas respecto del citoplasma de las células de la planta.
• Otros mecanismos de transporte de agua y nutrientes son la difusión facilitada y el transporte activo.

TEMA 2: LOS GLÚCIDOS

Son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas formados por Carbono, Hidrógeno y Oxigeno. Se clasifican en:

1. Monosacáridos
2. Disacáridos
3. Oligosacáridos
4. Polisacáridos

1. MONOSACÁRIDOS: Cadena de polialcoholes con un grupo aldehído o cetona. Son dulces, solubles en agua y forman cristales blancos que por el calor pueden caramelizarse. Su principal función es energética.

1. ESTRUCTURA DE LOS MONOSACÁRIDOS: se nombran añadiendo el sufijo –osa al prefijo que indica el número de carbonos. Presentan carbonos asimétricos lo que determina un tipo de estereoisomería, son compuestos que se diferencian entre sí por la distinta colocación de sus átomos en el espacio, lo que les confiere propiedades fisicoquímicas y biológicas

1. ACTIVIDAD ÓPTICA: El compuesto cuyo OH queda a la derecha  se denomina D- gliceraldehído y el que queda a la izquierda se denomina L- gliceraldehído, estos compuestos se denominan enantiómeros o enantiomorfos y solo difieren entre sí por su estructura espacial y por su comportamiento respecto a la luz polarizada. Cuando un rayo de luz polarizada a través de un enantiómero, el plano de polarización gira, los enantiómeros separados hacen girar el plano de luz polarizada en cantidades iguales pero en direcciones opuestas: si desvían la luz a la derecha son dextrógiros y si la desvían a la izquierda son levógiros.

1.  FORMAS ANOMÉRICAS: Al formarse las formas cíclicas aparece un nuevo carbono asimétrico, aquél en el que estaba el grupo aldehído o cetona. Se nombra anteponiendo al nombre del monosacárido α o β según que el grupo OH del carbono asimétrico quede abajo o arriba de la estructura cíclica.

1. DISACÁRIDOS: Son dos monosacáridos unidos mediante un enlace O-glicosídico con pérdida de una molécula de agua. Tienen las mismas propiedades físicas que los monosacáridos, son dulces, solubles en agua y forman cristales que se caramelizan con el calor. Pueden hidrolizarse dando lugar a los monosacáridos, la hidrólisis puede llevarse a cabo en medio ácido en caliente o con la intervención de enzimas específicas. Los disacáridos son reductores, siempre y cuando el carbono anomérico de alguno de sus monosacáridos no intervenga en el enlace O-glicosídico.

1. PRINCIPALES DISACÁRIDOS:

• SACAROSA: Es el azúcar corriente de mesa. Se obtiene comercialmente de la remolacha o de la caña de azúcar. Tiene un enlace O-glicosídico entre los carbonos 1 de la primera y 2 de la segunda y no es reductora.
• LACTOSA: es el azúcar de la leche de los mamíferos. Está formada por     β-D-galactosa y D-glucosa y es reductora.

• CELOBIOSA: Descomposición del polisacárido celulosa, formada por 2 moléculas de β-D-glucosa unidas por un enlace O-glicosídico

1. OLIGOSACÁRIDOS:

Unión de varios monosacáridos, entre 3 y 15, unidos por enlaces O-glicosídicos. Su propiedad más importante es la capacidad de almacenar información, esta función la realizan en la superficie exterior de la membrana celular

1. POLISACÁRIDOS:

Es la unión de muchos monosacáridos mediante enlaces O-glicosídicos en cadenas de gran longitud y pesos moleculares muy elevados. No son dulces, ni cristalizan, ni son solubles en agua aunque forman soluciones coloidales. Sus funciones son: reserva energética y funciones estructurales. Existen 2 grandes tipos de polisacáridos:

• Homopolisacáridos: formados por un solo tipo de monosacáridos

• Heteropolisacáridos: formados por más de un tipo de monosacáridos.

1. HOMOPOLISACÁRIDOS

• ALMIDÓN: Principal reserva alimenticia de las plantas. Es en realidad una mezcla de 2 polisacáridos: la amilasa (polímero de α-D-glucosa unido por enlaces O-glicosídicos) y la amilopectina (ramificación de enlaces O-glicosídicos.

• GLUCÓGENO: Polisacárido de reserva alimenticia de los animales. Se almacen en las células musculares y hepáticas. Su estructura es similar a la de la amilopectina pero con más ramificaciones. La hidrólisis del glucógeno es similar a la del almidón aunque actúan otras enzimas específicas.

• CELULOSA: Es el principal componente de la pared de las células vegetales. Está formada por moléculas de D-glucosa unidas por el enlace glicosídico β en cadenas lineales no ramificadas. Contribuye a la resistencia a la rotura de las fibras de celulosa y, además, las hace insolubles en agua a pesar de ser hidrófilas.

• QUITINA: Polisacárido presente en el exoesqueleto de los artrópodos y en la pared celular de muchos hongos. Se estructura en láminas paralelas unidas por puentes de hidrógeno. Se forma por la repetición de un derivado de la glucosa: la N-acetil-D-glucosamina cuyas moléculas se unen por enlaces O-glicosídicos.

1. HETEROPOLISACÁRIDOS:

• Hemicelulosa: forma parte también de la pared celular.

• Agar-agar: presente en las algas rojas y se usa como medio de cultivo de microorganismos.

• Mucopolisacáridos: sustancia básica intercelular del tejido conjuntivo de los animales confiriéndole viscosidad y elasticidad. Ejemplos: el ácido hialurónico (que forma una cubierta pegajosa de los óvulos), la condroitina y la heparina.

TEMA 3: LOS LÍPIDOS

Los lípidos son un grupo de moléculas formadas por carbono, hidrógeno y oxígenos y otros también llevan nitrógeno, fósforo y azufre. Son insolubles en agua, solubles en disolventes orgánicos  y son muy poco densos. Pueden clasificarse en:

1. Ácidos grasos
   1. Triacilglicéridos
   2. Ceras
   3. Fosfoglicéridos
   4. Esfingolípidos
   5. Esteroides
   6. Isoprenoides

1. ÁCIDOS GRASOS:

Son ácidos carboxílicos de cadena larga. Pueden ser saturadas (cadenas rectas) o insaturadas (los dobles enlaces producen codos). Todas las cadenas de los ácidos grasos forman entre sí enlaces de Van der Walls. Puntos de fusión: los ácidos grasos insaturados tienen un punto de fusión más bajo que los saturados, debido a que los codos de la cadena reducen el numero de enlaces de Van der Walls. En cuanto a la solubilidad son moléculas anfipáticas, es decir, bipolares que tienen una zona hidrófila constituida por el grupo carboxilo que sería una especie de cabeza polar y una zona hidrófoba o cola apolar que es repelida por el agua. Cuando los ácidos grasos se colocan en el seno del agua se disponen también en empalizada pero formando estructuras más o menos esféricas a las que se denominan micelas.

1. TRIACILGLICÉRIDOS: 

También se denominan triacilgliceroles, grasas o grasas neutras. Si los tres ácidos grasos son iguales se denominan triacilglicéridos simples. Cuando los ácidos grasos son diferentes reciben el nombre de triacilglicéridos mixtos. Las mezclas de triacilglicéridos simples y mixtos se denominan grasas naturales, que pueden ser sólidas como los sebos o líquidas como los aceites vegetales. Los triacilglicéridos pueden sufrir:

• Hidrólisis Química: se lleva a cabo en la industria mediante tratamiento con álcalis sobre las grasas, conocidas con el nombre de jabones y el proceso se conoce como saponificación

• Hidrólisis Enzimática: este proceso se realiza mediante la acción catalítica de enzimas específicas denominadas lipasas que se localizan en los lisosomas.

2.1 FUNCIÓN BIOLÓGICA DE LOS TRIACILGLICÉRIDOS:

• Reserva energética: los triacilglicéridos poseen un valor energético superior al de los otros combustibles metabólicos.

• Aislamiento térmico y físico

1. CERAS:

Son ésteres de ácidos grasos de cadena larga con alcoholes también de cadena larga, son sólidas y totalmente insolubles en agua.

1. FUNCIÓN BIOLÓGICA DE LAS CERAS:

• Recubrimiento: en los animales las plumas, el pelo y la piel están cubiertos con una capa de cera que los mantiene flexibles, lubricados e impermeables; la cubierta cérea impide la pérdida de agua y los protege contra los parásitos.

1. LÍPIDOS DE MEMBRANA:

1. FOSFOGLICÉRIDOS: O fosfolípidos. Son los principales componentes lipídicos de las membranas. El más sencillo es el ácido fosfatídico formado por el glicerol, 2 ácidos grasos y el ácido fosfórico. Entre los más importantes están la fosfatidilcona o lectina, la fosfatidiletanolamina o cefalina y la fosfatidilserina.

1. FUNCIÓN BIOLÓGICA DE LOS FOSFOGLICÉRIDOS:

Son moléculas antipáticas ya que tienen dos partes: una cabeza hidrófila polar y una cola hidrófoba apolar. En un medio acuoso forman espontáneamente bicapas lipídicas que tienden a cerrarse sobre sí mismas lo que da lugar a la formación de vesículas.

1. ESFINGOLÍPIDOS: se dividen en:

• Esfingomielinas: son ceramidas que tienen como grupo polar la fosfocolina, forma la vaina de mielina que aísla los axones de las neuronas.

• Glicolípidos: si es un monosacárido se forma los cerebrósidos y si es un oligosacárido se forman los gangliósidos.

5. LÍPIDOS SIN ÁCIDOS GRASOS:

5.1 ESTEROIDES: son derivados del hidrocarburo denominado esterano o ciclopentano perhidrofenantreno. Destaca el colesterol: que se encuentra en la membrana plasmática de las células animales y unido a proteínas en el plasma sanguíneo; los ácidos biliares: componentes de la bilis; la vitamina D: que regula el metabolismo del calcio y del fósforo en vertebrados.

5.2 ISOPRENOIDES: Polímeros del hidrocarburo de 5 átomos de carbono isopreno. Según el número de isoprenos, también denominados terpenos, se clasifican en:

• Monoterpenos: que contienen 2 unidades de isopreno.

• Diterpenos: formados por 4 unidades de isopreno. Vitaminas A, E, K.

• Triterpenos: formados por 6 unidades de isopreno.

• Tetraterpenos: formados por 8 unidades de isopreno. Las xantofilas y los carotenos ( el β-caroteno es el precursor de la vitamina A

• Politerpenos: formado por muchas unidades de isopreno. Caucho natural.

TEMA 4: LAS PROTEINAS

1. LOS AMINOÁCIDOS:

Componentes moleculares más sencillos de las proteínas. Son compuestos orgánicos de baja masa molecular, solubles en agua, con un grupo funcional ácido carboxílico y un grupo funcional amino, al menos.

1.1 PROPIEDADES:

• Los aminoácidos en disolución:

Los grupos ácido tienden a ceder protones quedando un grupo carboxilo de carga negativa, y los grupos amino tienden a captar protones quedando un grupo amonio de carga positiva. Cuando el aminoácido se encuentra en medio ácido, se ionizará el grupo amino pero no el carboxilo, y si el medio es básico se ionizará el grupo carboxilo pero no el amino. Cada aminoácido presentará un valor de pH para el que la carga neta es 0, y a ese valor de pH se le denomina punto isoeléctrico (pl).

• Aminoácidos proteicos y no proteicos:

El carbono es asimétrico en todos los aminoácidos proteicos. Esto hace que puedan darse dos configuraciones distintas que dan lugar a la isomería óptica de los aminoácidos. Si suponemos al carbono α situado en el centro de un tetraedro, se denominan aminoácidos L o de configuración L a aquellos que presentan el grupo NH3 en el vértice de la izquierda. Se denominan aminoácidos D o que presentan una configuración D, aquellos cuyo grupo NH3 está en el vértice de la derecha. Solo el carbono α determina la estructura L o D. Todos los aminoácidos proteicos son α-L-aminoácidos.

1. LOS PÉPTIDOS

Los aminoácidos se unen entre sí mediante una unión que recibe el nombre de enlace peptídico. El conjunto de dos aminoácidos unidos por un enlace peptídico reciben el nombre de dipéptido, si se trata de 3 aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, tripéptidos,… Genéricamente se habla de oligopéptidos cuando hay un número moderado de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, y de polipéptidos cuando hay un número elevado de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Puede observarse también cómo aparece un residuo de aminoácidos en un extremo de la cadena que presenta un grupo amino libre, y en el otro extremo aparece un residuo de aminoácido que presenta un grupo carboxilo libre; estos grupos se llaman respectivamente             N-terminal y C-terminal.     

1. LAS PROTEINAS: CONCEPTO Y ESTRUCTURA

Las proteínas son biomoléculas formadas por la unión de aminoácidos. Elementalmente están compuestas por C, H, O, N y en la mayor parte de los casos también contienen S. son macromoléculas, es decir, que tienen elevadas masas moleculares relativas. Las proteínas están constituidas por largas cadenas polipeptídicas que poseen una estructura que puede ser: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria

3.1 ESTRUCTURA PRIMARIA

Hace referencia a la secuencia de aminoácidos, es decir, al orden en que se colocan los diferentes aminoácidos para formar la cadena peptídico. Una de las propiedades fundamentales de las proteínas que es la especificidad por la cual cada individuo tiene sus propias proteínas que difieren de las proteínas equivalentes de otro individuo en la secuencia de aminoácidos o estructura primaria.

3.2 ESTRUCTURA SECUNDARIA

Un fragmento de cadena polipeptídica puede adoptar diferentes disposiciones espaciales según los ángulos que forman entre sí los planos de la amida. A dicha disposición espacial se le llama estructura secundaria. La hélice α. Los planos de los sucesivos enlaces peptídicos se disponen formando una hélice dextrógira; las cadenas laterales se proyectan hacia fuera de la hélice y los grupos C=O y N-H de los enlaces peptídicos quedan hacia arriba o hacia abajo, en dirección más o menos paralela al eje de la hélice. Otra estructura secundaria es la estructura β u hoja plegada. Los planos de los enlaces peptídicos sucesivos se disponen en zig-zag, y la estructura se estabiliza mediante puentes de hidrógeno entre los grupos C=O y N-H, que pueden pertenecer a la misma o a diferente cadena. Otro caso que se da únicamente en el colágeno es una hélice formada por tres cadenas peptídicas que se arrollan entre sí.

3.3 ESTRUCTURA TERCIARIA

La cadena polipeptídica puede sufrir giros y plegamientos, adquiriendo una disposición tridimensional conocida como estructura terciaria de la proteína. Las principales interacciones no covalentes que pueden establecerse entre las cadenas laterales de aminoácidos son:

• Puentes de hidrógeno
• Interacciones electrostáticas
• Interacciones de Van der Waals
• Interacciones hidrofóbicas
• Puentes disulfuro

3.4 ESTRUCTURA CUATERNARIA

Es un grado superior de organización espacial. Es la que poseen las proteínas que constan de 2 o mas cadenas polipeptídicas, iguales o diferentes. Una proteína con estructura cuaternaria sería un oligómero constituido por varias cadenas polipeptídicas cada una de las cuales sería un monómero. Las diferentes cadenas polipeptídicas se unen entre sí mediante interacciones del mismo tipo que la estructura terciaria.

TEMA 5

5. ESTRUCTURA DEL DNA

Fue determinada por Watson y Crick. Está constituido por dos cadenas de polinucleótidos arrolladas alrededor de un eje imaginario común a ambas originando una doble hélice. El arrollamiento es dextrógiro u pletórico. Las dos cadenas son antiparalelas. Las  bases nitrogenadas tienen los planos de sus anillos colocados perpendicularmente al eje de la hélice. La unión de las bases nitrogenadas de una cadena a las de la cadena opuesta se realiza mediante enlaces de hidrógeno. La longitud de la molécula en general es enorme

7. LA CROMATINA:

Recibe este nombre el complejo de sustancias que alberga el DNA en el núcleo de las células eucarióticas en reposo. La cromatina está formada por DNA y proteínas. La existencia de la cromatina se explica por los dos problemas estructurales:

1. una elevada cantidad de DNA en un espacio reducido

1. Una elevada carga negativa por la acumulación de grupos fosfato

Para resolver dichos problemas el DNA se encuentra asociado a proteínas histonas y proteínas no histonas