Base molecular de la vida

TEMA 6 LIBRO (Pág. 131)

Base molecular de la vida

• Bioelementos

• Biomoléculas inorgánicas

– Agua

– Sales minerales

• Biomoléculas orgánicas

– Glúcidos

– Lípidos

– Proteínas

– Ácidos nucleicos

Bioelementos

• Los principales elementos químicos que componen la materia viva se denominan bioelementos (los principales (primarios) son O, C, H, N, S, P)

• Se combinan entre sí para formar las biomoléculas

• Características de los bioelementos

– Presentan varios electrones libres en la capa de valencia; se pueden enlazar con más de un átomo (excepto el Hidrógeno) GRAN VARIABILIDAD DE MOLÉCULAS / MOLÉCULAS DE GRAN TAMAÑO (MACROMOLÉCULAS)

– Son elementos ligeros que se unen formando enlaces covalentes constituyendo moléculas muy estables

Bioelementos

BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS EL AGUA

El agua

• Biomolécula (inorgánica) más abundante en los seres vivos

• Su estructura química y composición le proporcionan unas propiedades imprescindibles para los seres vivos

Estructura y composición

Elevada constante dieléctrica (se forma dipolo MOLEC. POLAR)

El agua

Estructura y composición

Enlace covalente

Enlace de puente de hidrógeno

Elevada constante dieléctrica

El agua

• Estructura y composición

Confieren alta estabilidad y cohesión

El agua

• Propiedades fisico-químicas (derivadas de su estructura)

– Gran capacidad disolvente. El agua disuelve o dispersa muchas sustancias gracias a su naturaleza dipolar:

• Sustancias iónicas. Se disuelven con facilidad en agua, debido a las atracciones electrostáticas entre los iones del compuesto iónico y los dipolos del agua

El agua

• Propiedades fisico-químicas (derivadas de su estructura)

– Gran capacidad disolvente. El agua disuelve o dispersa muchas sustancias gracias a su naturaleza dipolar:

• Sustancias polares (glúcidos, aminoácidos, etc.). Molécula de agua establece enlaces de hidrógeno con grupos funcionales polares, por este motivos solubles en agua

R

O

H Enlace de puente de hidrógeno

Sustancia polar (p.ej. R-OH)

El agua

• Propiedades fisico-químicas (derivadas de su estructura)

– Gran capacidad disolvente. El agua disuelve o dispersa muchas sustancias gracias a su naturaleza dipolar:

• Sustancias anfipáticas (sustancias con una parte polar y otra parte apolar). El agua en este caso no disuelve estas moléculas, sino que las dispersa: – la parte polar (hidrófila) de la sustancias queda en contacto con el

agua

– la parte apolar (hidrófoba) de la sustancia queda hacia el interior. Es el caso de los fosfolípidos y la formación de micelios

El agua no disuelve sustancias apolares

El agua

• Propiedades fisico-químicas (derivadas de su estructura)

– Alto calor específico. Para aumentar la temperatura del agua 1ºC es necesario proporcionar mucha energía para poder romper los puentes de Hidrógeno que se generan entre las moléculas de agua (enlace estable).

– Alto calor de vaporización. El agua absorbe mucha energía cuando pasa de estado líquido a gaseoso.

– Alta tensión superficial. Las moléculas de agua están muy cohesionadas por acción de los puentes de Hidrógeno. Esto produce una película de agua en la zona de contacto del agua con el aire.

El agua

• Propiedades fisico-químicas (derivadas de su estructura)

– Alta tensión superficial. Las moléculas de agua están muy cohesionadas por acción de los puentes de Hidrógeno. Esto produce una película de agua en la zona de contacto del agua con el aire.

El agua

• Propiedades fisico-químicas (derivadas de su estructura)

– Alta tensión superficial. Las moléculas de agua están muy cohesionadas por acción de los puentes de Hidrógeno. Esto produce una película de agua en la zona de contacto del agua con el aire.

El agua

• Propiedades fisico-químicas (derivadas de su estructura)

– Capilaridad. El agua tiene capacidad de ascender por las paredes de un capilar debido a la elevada cohesión molecular.

– Alta constante dieléctrica. La mayor parte de las moléculas de agua forman un dipolo, con un diferencial de carga negativo y un diferencial de carga positivo.

– Bajo grado de ionización. La mayor parte de las moléculas de agua no están disociadas. Sólo un reducido número de moléculas sufre disociación, generando iones positivos (H+) e iones negativos (OH-). En el agua pura, a 25ºC, sólo una molécula de cada 10.000.000 está disociada, por lo que la concentración de H+ es de 10-7. Por esto, el pH del agua pura es igual a 7.

Capilaridad

El agua

• Propiedades fisico-químicas (derivadas de su estructura)

– La densidad del agua. En estado líquido, el agua es más densa que en estado sólido. Por ello, el hielo flota en el agua. Esto es debido a que los puentes de Hidrógeno formados a temperaturas bajo cero unen a las moléculas de agua ocupando mayor volumen (y si el volumen es mayor, la densidad es menor por lo que el hielo asciende y flota).

El agua

• Importancia para los seres vivos. Los organismos vivos han aprovechado las particulares propiedades del agua:

– Disolvente polar casi universal. Debido a su elevada constante dieléctrica, es el mejor disolvente para todas aquellas moléculas polares. Sin embargo, moléculas apolares no se disuelven en el agua.

– Medio donde se realizan reacciones químicas. Debido a ser un buen disolvente, por su elevada constante dieléctrica, y debido a su bajo grado de ionización.

– Función estructural. Por su elevada cohesión molecular, el agua confiere estructura, volumen y resistencia.

– Hielo menor densidad que el agua Establecimiento de ecosistemas acuáticos en lagos con superficie helada

El agua

• Importancia para los seres vivos. Los organismos vivos han aprovechado las particulares propiedades del agua: – Función de transporte. Por ser un buen disolvente, debido a su

elevada constante dieléctrica, y por poder ascender por las paredes de un capilar, gracias a la elevada cohesión entre sus moléculas, los seres vivos utilizan el agua como medio de transporte por su interior.

– Función amortiguadora. Debido a su elevada cohesión molecular, el agua sirve como lubricante entre estructuras que friccionan y evita el rozamiento.

– Función termorreguladora. Al tener un alto calor específico y un alto calor de vaporización el agua es un material idóneo para mantener constante la temperatura, absorbiendo el exceso de calor o cediendo energía si es necesario. Ej; agua celular (del citoplasma) mantiene temperatura constante de la célula, sudor en vertebrados para disminuir temperatura corporal, etc.

BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS LAS SALES MINERALES

Las sales minerales

• Biomoléculas inorgánicas que aparecen en los seres vivos de forma precipitada, disuelta en forma de iones o asociada a otras moléculas.

• Precipitadas

– Las sales se forman por unión de un ácido con una base, liberando agua

– En forma precipitada forman estructuras duras, que proporcionan estructura o protección al ser que las poseen (FUNCION ESTRUCTURAL)

– Ejemplos; carbonato cálcico (sal ternaria) en las conchas, los caparazones o los esqueletos.

Las sales minerales

• Disueltas

– Las sales disueltas en agua manifiestan cargas positivas o negativas.

– Los cationes más abundantes en la composición de los seres vivos son Na+, K+, Ca2+, Mg2+

– Los aniones más representativos en la composición de los seres vivos son Cl-, PO4

3-, CO32-.

– Las sales disueltas en agua pueden realizar funciones tales como: • Mantener el grado de grado de salinidad.

• Amortiguar cambios de pH, mediante el efecto tampón.

• Controlar la contracción muscular

• Producir gradientes electroquímicos

• Estabilizar dispersiones coloidales.

Las sales minerales

• Asociadas a otras moléculas

– Los iones pueden asociarse a moléculas, permitiendo realizar funciones que, por sí solos no podrían, y que tampoco realizaría la molécula a la que se asocia, si no tuviera el ión.

Ejemplos:

– La hemoglobina es capaz de transportar oxígeno por la sangre porque está unida a un ión Fe2+.

– Los citocromos actúan como transportadores de electrones porque poseen un ión Fe3+.

– La clorofila captura energía luminosa en el proceso de fotosíntesis por contener un ión Mg2+ en su estructura.

BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS

PAG. 134 LIBRO

BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS

• Formadas por cadenas de carbono (C)

• El carbono pude formar 4 enlaces covalentes con otros 4 átomos, como el H, N, O, etc.

• Esta multitud de enlaces posibles con una variedad de átomos distintos se refleja en los grupos funcionales que pueden formar parte de los compuestos de carbono

(VER TABLA PÁG 134 LIBRO)

BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS

• Combinación de distintos grupos funcionales con cadenas de C pueden dar lugar a compuestos lineales, ramificados, anillos, etc. Gran variedad en biomoléculas orgánicas

• Tipos:

– Glúcidos

– Lípidos

– Proteínas

– Ácidos nucleicos

GLÚCIDOS

PAGS. 134 – 137 LIBRO

Glúcidos (azúcares)

• Formados por C, O e H

Estructura general

• Son polihidroxialdehidos (grupo aldehído + cadena de C e H con varios grupos hidroxilo, OH) o polihidroxicetonas (grupo cetona + cadenas de C e H con varios grupos OH)

Grupo aldehido

Grupo cetona

Glúcidos (azúcares)

Monosacáridos

Estructura

• Presentan una única cadena de polihidroaldehído o polihidroxicetona

• En realidad, los monosacáridos adoptan una estructura cíclica que se representa por un polígono (cada vértices es un C)

• Los más representativos son glucosa, fructosa y galactosa, entre otros

Glucosa (puede presentar dos configuraciones distintas en el espacio)

Fructosa

Galactosa

Monosacáridos

Estructura

• En realidad, los monosacáridos adoptan una estructura cíclica que se representa por un polígono (cada vértices es un C)

Monosacáridos

Características

• Solubles en agua

• Enlaces covalentes fuertes, con mucha energía (difíciles de romper)

Funciones

• Obtención de energía para la célula; monosacáridos reaccionan con oxígeno y se obtienen moléculas con enlaces de menor energía. SE LIBERA ENERGÍA EN LA REACCIÓN

– Ejemplo; Glucosa. 1 gramo de glucosa produce 4 kcal

C6H12O6 + 9O2 6CO2 + 6H2O + Energía

Disacáridos

Estructura

• Unión de dos monosacáridos mediante el C del grupo hidroxilo y el C del grupo aldehído o cetona (enlace O-glucosídico).

• Se libera además una molécula de H2O

Disacáridos

Características; cristalizables, solubles en agua

Función

• Relacionado con el aporte energético a la célula; hidrólisis de disacáridos produce monosacáridos útiles para obtener energía

• Disacáridos más relevantes; lactosa (galactosa + glucosa), sacarosa (fructosa + glucosa), maltosa (glucosa + glucosa)

Polisacáridos

Estructura

• Unión de varios monosacáridos mediante el enlace O-glucosídico, formando una cadena lineal o ramificada

• Unidad más repetida en los polisacáridos es la glucosa (pero no es la única)

Polisacáridos

Características; en general, no son dulces, no cristalizan, no son solubles en agua

Función

• Reserva de energía. Al hidrolizarse se obtienen monómeros, los cuales se emplean para obtención de energía

– Almidón. Sustancia de reserva energética en vegetales. Formada por cadenas ramificadas formadas por la unión de moléculas de glucosa

– Glucógeno. Sustancia de reserva en animales, estructura similar a almidón, pero en este caso con más ramificaciones

Polisacáridos

Función

• Estructural. Constituyente de diversas partes del organismo de los seres vivos.

– Celulosa. Polisacárido que forma parte de la pared celular de las células de los vegetales

– Quitina. Principal componente del exoesqueleto de artrópodos como insectos y crustáceos, entre otros.

LÍPIDOS

PAGS. 138 – 139 LIBRO

Lípidos

• Formados por C, O e H, y en ocasiones P, N, S, etc.

• No son solubles en agua, sí son solubles en alcohol, cetona

• Distintas clasificaciones

– Complejos • Triacilgliceroles (Triglicéridos)

• Glicerofosfolìpidos

• Esfingolípidos

• Ceras

– Simples • Colesterol, algunas vitaminas, hormonas lípidicas, etc. (esteroides, entre

las que se encuentran las hormonas sexuales)

LÍPIDOS COMPLEJOS

• Contienen ácidos grasos; cadenas de C con grupo carboxilo (-COOH) en el extremo

• Ácido graso puede ser saturado (enlaces en la cadena de C son todos simples) o insaturado (algún doble enlace entre carbonos)

• Ácidos grasos son anfipáticos; cabeza polar (carboxilo) y cola apolar (cadena hidrcarbonada)

• Clasificación

– Triacilgliceroles (Triglicéridos)

– Glicerofosfolìpidos

– Esfingolípidos

– Ceras

• VER DIAGRAMA DEL LIBRO, PÁG 138

ÁCIDO GRASO

LÍPIDOS COMPLEJOS

Triglicéridos

• Estructura; 1 molécula de glicerina unida a 3 ácidos grasos mediante enlaces éster (C del grupo hidroxilo de la glicerina unido a C del grupo carboxilo de cada ácido graso)

ESTERIFICACIÓN (se libera H2O) (VER CUADRO DEL LIBRO, PÁG 139)

• Saponificación; reacción de descomposición de un triglicérido en glicerina y 3 ácidos grasos. Es la reacción contraria a la esterificación

• Función principal; reserva energética (ácidos grasos proporcionan más energía que monosacáridos)

LÍPIDOS COMPLEJOS

Triglicéridos

• Ejemplos:

• Triglicéridos sólidos a Tª ambiente; grasas. Las grasas animales son sólidas debido a que está formados por ácidos grasos saturados, con enlaces simples (entonces tenemos aceites líquidos a temperatura ambiente).

• Triglicéridos líquidos a Tª ambiente; aceites. Los aceites de origen vegetal están formados por ácidos grasos insaturados

LÍPIDOS COMPLEJOS

Glicerofosfolípidos

• Estructura; la glicerina se une a 2 ácidos grasos y 1 una molécula de ácido fosfórico. La parte de la molécula soluble en agua es la del ácido fosfórico (CABEZA POLAR)

• Función principal; componente fundamental de la membrana celular

LÍPIDOS COMPLEJOS

Esfingolípidos

• Molécula de esfingosina + ácido graso + radical variable

• Forma parte de membranas celulares. Abundante en células del tejido nervioso

Ceras

• Resultantes de la esterificación de ácidos grados de cadena larga con monoalcoholes de cadena larga

• Impermeabilizan estructuras en seres vivos (hojas, frutos, piel, plumas, pelo, etc.)

LÍPIDOS SIMPLES

• No contienen ácidos grasos

• Sólo contienen C, H y O

• Más representativos:

– Sustancias aromáticas en vegetales (mentol, alcanfor, etc.)

– Vitaminas A, D, E, K

– Hormonas de tipo esteroide: • sexuales masculinas (andrógenos, como la testosterona) y femeninas

(estrógenos, como la progesterona)

• Otras como el cortisol

– Colesterol; forma parte de membranas celulares. Se fabrica en el hígado, pero también se ingiere (tejido adiposo de animales)

PROTEÍNAS

PAGS. 140 – 142 LIBRO

Proteínas

Características

• Macromoléculas de gran tamaño formadas por C, O, H y N, además de S en la mayoría y otros elementos variables como P, Fe, Zn, Cu.

• Son solubles en agua (o relativamente solubles), aunque su mayor o menor solubilidad depende de la configuración. A mayor Tª y pH, menor solubilidad

• Son anfóteras; presentan carácter ácido o base (amortiguan pH)

• En general por su gran tamaño forman soluciones coloidales que pueden precipitar en coágulos dependiendo del pH del medio

Proteínas

Composición

• Las proteínas son polímeros formados por la unión de aminoácidos (monómeros)

• Un aminoácido presenta la siguiente composición:

– Grupo amino (-NH2)

– Grupo carboxilo (-COOH)

– Cadena lateral hidrocarbonada (radical) unida a un carbono central

Composición

• Los aa se unen entre sí mediante enlace peptídico entre grupo carboxilo de un aa y grupo amino de otro aa

• Las moléculas formadas se llaman polipéptidos (proteínas)

• Según las propiedades de las cadenas laterales se distinguen 20 aa entre esenciales (no los sintetiza el organismo y necesitan ser ingeridos en la dieta) y no esenciales (sintetizados por el organismo):

• Esenciales

– Valina (Val)

– Leucina (Leu)

– Treonina (Thr)

– Lisina (Lys)

– Triptófano (Trp)

– Histidina (His) (esencial solo en niños)

– Fenilalanina (Phe)

– Isoleucina (Ile)

– Arginina (Arg) (esencial solo en niños)

– Metionina (Met)

• No esenciales

– Alanina (Ala)

– Prolina (Pro)

– Glicina (Gly)

– Serina (Ser)

– Cisteína (Cys) (semiesencial)

– Asparagina (Asn)

– Glutamina (Gln)

– Tirosina (Tyr) (semiesencial)

– Ácido aspártico (Asp)

– Ácido glutámico (Glu)

Proteínas

Organización y Estructura

• Proteína presenta 4 niveles estructurales

• Estructura primaria

– Secuencia de aa que se suceden en cadena

– Determina la estructura fundamental de la proteína y por ello su función

Proteínas

• Estructura secundaria

– La cadena de aa se pliega sobre sí misma estableciendo enlaces de puentes de H

– Adquiere una estructura tridimensional, con dos posibilidades:

• Forma helicoidal (helice α, propia de prot. Resistentes)

• Forma plana en forma de zigzag (conformación , en prot suaves y flexibles)

Proteínas

• Estructura terciaria

– En aquellas proteínas (no en todas) donde la estructura secundaria se pliega sobre sí misma

– Se producen enlace de puentes de H entre cadenas laterales y puentes disulfuro entre átomos de S

Proteínas

• Estructura cuaternaria

– Interviene más de 1 polipéptido, a diferencias de las anteriores

– Varias cadenas polipeptídicas unidas por enlaces no covalentes

– Formando grandes proteínas (p.ej. Hemoglobina)

Proteínas

Funciones

• Diversidad de aa (número y tipo) determina diversidad de funciones: (VER LIBRO)

– ESTRUCTURAL (P.EJ. COLÁGENO)

– DE RESERVA

– DE REGULACIÓN (HORMONAS PEPTÍDICAS Y DERIVADAS DE AMINOÁCIDOS COMO P.EJ. INSULINA)

– DE CONTROL METABÓLICO (ENZIMAS, POR EJEMPLO TRIPSINA)

– DEFENSIVA (ANTICUERPOS)

– TRANSPORTADORA (P.EJ. HEMOGLOBINA)

– RECEPTORA (RECEPTORES DE MEMBRANA)

Proteínas

Desnaturalización

• Pérdida de la configuración tridimensional de la proteína, por efecto de Tª, pH, salinidad, concentración PÉRDIDA DE LAS PROPIEDADES DE LA PROTEÍNA PÉRDIDA DE LA FUNCIÓN

• La estructura primaria no se ve afectada por la desnaturalización

Conformación de una proteína

• Cada proteína tiene una secuencia concreta de aa

• Cambios en la secuencia CAMBIOS EN LA CONFIGURACIÓN TRIDIMENSIONAL ALTERACIÓN DE LA FUNCIONALIDAD DE LA PROTEÍNA

ÁCIDOS NUCLÉICOS

PAGS. 143 LIBRO

Ácidos nucléicos Características

• Macromoléculas de gran tamaño formadas por C, O, H, N y P

• Solubles en agua (p.ej. ADN)

• Es el caso de las macromoléculas de ADN y ARN

Composición

• Formados por la unión de nucleótidos (monómeros)

• Nucleótido contiene: – Azúcar de 5 carbonos (Pentosa); ADN Desoxirribosa, ARN

Ribosa

– Ácido Fosfórico

– Base nitrogenada • ADN; Adenina, Timina, Guanina, Citosina

• ARN; Adenina, Uracilo, Guanina, Citosina

• Los nucleótidos se unen entre sí mediante el enlace fosfodiéster

Nucleótidos

ADN. Bases nitrogenadas

Nucleótidos

ADN. Ácidos nucleicos

Enlaces fosfodiéster

Ácidos nucléicos Composición

• En el caso del ADN, está formado por una doble cadena de nucleótidos (doble hélice) unidas entre sí por apareamiento de bases nitrogenadas (complementariedad de bases)

o Adenina – Timina

o Guanina – Citosina

• Sin embargo, el ARN está formado por una cadena simple de nucleótidos que contienen Adenina, Guanina, Uracilo y Citosina (en lugar de Timina contiene Uracilo)

Enlace de puente de Hidrógeno Adenina - Timina

Ácidos nucléicos Función

• ADN

– Almacenamiento de información (genes), formando cromosomas

– Codificación de proteínas (información necesaria para la sínteis de proteínas)

• ARN

– Síntesis de proteínas

Ácidos nucléicos Síntesis de proteínas

• ADN contiene la información necesaria para la síntesis de proteínas, pero no sale del núcleo (síntesis de proteínas tiene lugar en citoplasma)

• Para ello, interviene el ARN; se sintetiza ARN en el núcleo como una réplica del ADN. Transcripción ADN ARNm (ARN mensajero)

• Una vez formado el ARNm sale al citoplasma y allí se asocia a ribosomas donde se sintetizan los aa y se unen (Traducción):

– La molécula de ARN contiene tripletes de bases nitrogenadas

– Cada triplete corresponde (codifica) a un aminoácido diferente

– Según se lee la molécula de ARN, se van sintetizando los aa correspondientes y se van uniendo entre sí formando la proteína. En este paso interviene el ARNt (ARN transferente; transfiere aa al polipéptido facilitando su unión)

CÓDIGO GENÉTICO

EJERCICIOS

LIBRO; Actvs. 9, 10, 12, 14, 20, 21, 23

EJERCICIOS

Actv. 9

• La función de una proteína depende de su estructura tridimensional. Ésta se halla determinada por la secuencia de aminoácidos que la conforman y por cómo se pliega la cadena de aminoácidos en el espacio.

• Funciones

– Estructurales

– De reserva

– De regulación (hormonas)

– Control metabólico (enzimas)

– Defensiva

– Transportadora

– Contráctil (permiten el movimiento)

EJERCICIOS

Actv. 10

• La cadena representada corresponde a una molécula de ADN debido a la presencia de timina (T), que no se encuentra en el ARN.

La complementariedad entre las bases es la siguiente:

— Adenina (A) con timina (T).

— Guanina (G) con citosina (C).

La cadena complementaria sería:

TTCCGGAATCTGC

EJERCICIOS

Actv. 12

• Las ceras son unos lípidos complejos formados por la esterificación de ácidos grasos con monoalcoholes de cadena larga.

• Ello les proporciona un carácter hidrófobo al ser macromoléculas no polares.

• Por lo tanto, en contacto con las ceras, las moléculas de agua tienden a estructurarse minimizando la superficie de contacto con éstas. La forma más eficiente de conseguirlo es la esfera (micelio)

EJERCICIOS

Actv. 14

• La concentración de glucosa asciende en el momento en que el alimento es digerido y empieza a ser absorbido por las células del sistema digestivo que vierten la glucosa en el torrente sanguíneo. Por ello, se llega a un máximo de 150 mg/dl en el plasma.

• En cuanto la glucosa es absorbida por las células, el nivel de glucosa en el plasma desciende hasta alcanzar los valores normales

EJERCICIOS

Actv. 20

• A elevadas temperaturas las proteínas se desnaturalizan. Pierden su estructura tridimensional y, por lo tanto, dejan de ser funcionales.

Actv. 21

EJERCICIOS

Actv. 23

• Son monosacáridos la B (Glucosa, C6H12O6)y la E (Fructosa,C6H12O6)

• Se forma un disacárido, sacarosa de fórmula C12H22O11

EJERCICIOS

Actv. 23

• El enlace se llama O-glucosídico.

• La figura A es un ácido graso.

• Se combina con la molécula representada en la figura D, que se denomina glicerina. La unión de los ácidos grasos con la glicerina genera los acilgliceroles. Si se unen tres ácidos grasos a la glicerina se trata de triacilgliceroles, cuya fórmula general es:

• Donde la R’, R’’ y R’’’ son las cadenas de los ácidos grasos.

EJERCICIOS

Actv. 23

• Ambas son lípidos. La figura A es un ácido graso, mientras que la F corresponde al colesterol.

• Ambas moléculas están presentes en las membranas celulares, si bien los ácidos grasos se encuentran formando parte de

• los glicerofosfolípidos.

• Son aminoácidos las figuras C y G. La C es la alanina y la G, la leucina.

• El resultado de la unión (enlace peptídico) sería un dipéptido y quedaría así: