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UNIDAD 1.INTRODUCCIÓN A LA BIOLOGÍAMOLECULAR
GENERALIDADES DE LAS BASES QUÍMICAS YFÍSICAS DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS
Biología Molecular y GenéticaBiotecnologíaambiental
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ÍNDICE
1. Generalidades
2. Bioelementos
1. Clasificación de los bioelementos
3. Biomoléculas
1. El agua
2. Las sales minerales
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Generalidades Seres Vivos están hechos de compuestos químicos y
organizados en células Los elementos químicos que forman la materia son:
Bioelementos→ Biomoléculas
Biomoléculas inorgánicas: Agua y Sales Minerales ygases
Biomoléculas orgánicas: Glucosa, Colesterol, etc… Todos los compuestos orgánicos están formados por
C y H, y la mayoría contienen además O y N.
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Generalidades El Carbono presenta enlaces covalentes que permiten
infinidad de combinaciones.
Monómeros (100-1000daltons)→ Polímeros omacromoléculas (alto peso molecular).
as o cu as org nicas se eng o an principa mente en:Glúcidos, Lípidos, Proteínas y Ác. Nucleicos
Biocatalizadores: Enzimas y Vitaminas
Todos los SV presentan los mismos componentesmoleculares básicos
A lo largo de la evolución las distintas especies se han
provisto de un conjunto particular de proteínas a partirde sus Genes
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BIOELEMENTOS Son los elementos constituyentes de los seres vivos.
Los seres vivos seleccionamos y tomamos del mediolos elementos que forman parte de nuestra materia,
no los más abundantes.
Elementosmayoritarios en lacorteza terrestre
Elementosmayoritarios enlos seres vivos
O C
Si H
Al O
Fe N
P
S
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BIOELEMENTOS Hay 70 bioelementos (25 de los cuales son comunes en
todos los seres vivos) Los bioelementos se clasifican según la proporción en la
que se encuentran en los seres vivos.
Clasificación:Bioelementos 1arios o Mayoritarios: C, H, O, N, P, S (97%)
Bioelementos 2arios : Cl, Na, K, Mg y Ca (2%)
Oligoelementos: o elementos traza (Porcentajes menoresdel 0,1%)
Fe, Mn, Cu, F, I, Si, Zn, Ni, Co, Li, Al, etc. (1%)
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BIOELEMENTOS PRIMARIOS Son C, H, O, N, P y S
Componentes fundamentales de las biomoléculas. Se encuentran en todos los seres vivos.
Capas electrónicas externas incompletas ⇒ enlacescovalente ⇒ biomoléculas
Bajo nº atómico ⇒ estabilidad
Electronegatividad del O y N ⇒ solubilidad
↑ Accesibilidad (CO2 , H2O, nitratos, etc.)
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Propiedades específicas del carbono
Hibridación sp3 ⇒ valencia 4 ⇒ Estructura tetraédrica
BIOELEMENTOS PRIMARIOS
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BIOELEMENTOS PRIMARIOS
Enlaces covalentes con otros C u otros elementos.
Variedad de cadenas carbonatadas estables (lineales,cíclicas, ramificadas) ⇒ ↑ variedad de moléculas orgánicas.
r ac n sp , sp ormac n e o es y r p es en aces
Gran variedad de grupos funcionales (Enlaces covalentescon O, N, H y S.
Aunque es escaso en la corteza terrestre sus característicashacen que en el se base la química de los SV.
↑↑ variedad de moléculas orgánicas polifuncionales.
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Los grupos funcionales del C aparecen como
consecuencia de reacciones de oxidación-reducción Son responsables de la reactividad y propiedades
uímicas de los com uestos or ánicos.
BIOELEMENTOS PRIMARIOS
Brindan una nomenclatura sistemática poderosapara denominar a los compuestos orgánicos.
Los grupos funcionales se asocian siempre conenlaces covalentes al resto de la molécula.
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GRUPOS FUNCIONALES
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BIOELEMENTOS PRIMARIOS HIDRÓGENO: Se une al Carbono por enlace covalente formando
largas cadenas hidrocarbonadas. Reacciones de oxidación-reducción
OXÍGENO: Es el más electronegativo (más polar) y el más-
NITRÓGENO: Forma los grupos amino (-NH2) de los aminoácidosy por lo tanto está presente en las proteínas, apareciendotambién en las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos.
AZUFRE: Forma el radical sulfhidrilo (-SH) en muchas proteínas.También está presente en Vitaminas y Enzimas.
FÓSFORO: forma los grupos fosfatos (-PO4)-3 que forma parte
del ATP , fosfolípidos, etc. También está presente en estructurasesqueléticas y ác. nucleicos.
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BIOELEMENTOS SECUNDARIOS Se encuentran en los seres vivos en una proporción
mayor al 0,1%.
Cl, Na, K, Mg y Ca (2%)
Forman parte de todos los seres vivos.
Son necesarios para la vida de la célula
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OLIGOELEMENTOS ó ELM. TRAZA Se encuentran en proporciones inferiores al 0,1%.
No todos forman parte de los seres vivos. Son necesarios para el metabolismo celular.
, , , , , , , , , , , .
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BIOMOLÉCULAS Formadas por la unión de varios bioelementos.
También se llaman Principios Inmediatos (se puedenseparar por medios físicos sin romper las moléculas)
BIOMOLÉCULAS
Inorgánicas
Agua
Sales
Minerales
Orgánicas
Glúcidos Lípidos Proteínas
Ácidos
Nucleicos
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EL AGUA El agua es la sustancia más abundante en la corteza
terrestre y en la materia viva, y es imprescindible paralos seres vivos.
PORCENTAJE MEDIO DE AGUA EN ALGUNOS ORGANISMOS
Algas 93-98%
Medusas 95-97%
Planta del tabaco 92%
Hongos 80%
Cangrejo de río 77%
Ser humano 63%
Pino 47%
Semillas de cereales 10%
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EL AGUA La cantidad de agua en los seres vivos depende de
tres factores: La especie: Sp. acuáticas > Sp. de medios áridos
Medusa (98 %) vs. Semilla (10 %) La edad del individuoOrganismos jóvenes > Organismos de + edad
Feto de 4 meses (94%) vs. 65 años (56%)
El tipo de tejido u órgano Tejidos con ↑ actividad metabólica > tejidos inertes
Plasma sanguíneo (92 %) vs. Dientes (10 %)
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EL AGUA El agua se encuentra en los seres vivos en 3 formas
distintas: AGUA CIRCULANTE: en la sangre, en la savia, etc.
AGUA INTERSTICIAL: entre las células, fuertemente
adherida a la sustancia intercelular.
AGUA INTRACELULAR: en el citosol y en el interior de
los orgánulos celulares. (mayoritariamente)
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EL AGUA: Estructura TETRAÉDRICA Hibridación sp3 del O ⇒ TETRAEDRO
Electronegatividad del O ⇒ TETRAEDRO IRREGULAR⇒ ASIMETRÍA ELECTRICA ⇒ CARÁCTER DIPOLAR
Los electrones compartidos se venatraídos con más fuerza por los
protones del oxígeno
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EL AGUA: EstructuraTETRAÉDRICA IRREGULAR
CARÁCTER DIPOLAR ⇒ Puentes de Hidrógeno
ELECTRONEGATIVIDAD: medida de la fuerza de atracción que ejerce unátomo sobre los electrones de otro en un enlace covalente.
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EL AGUA: Estructura
Entre los dipolos se establecen un tipo de enlaces
denominados enlace o puente de Hidrógeno.
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EL AGUA: Estructura
Los puentes de hidrógeno son más débiles que los
enlaces covalentes o los iónicos, pero se rompen yse forman de manera constante, lo cual confiere a
.
Estados:
• Gaseoso 0%• Sólido 100% (4 Puentes de H)
• Líquido 85% (3,4 Puentes de H)
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EL AGUA: Propiedades e importancia
biológica Las propiedades del agua derivan de LA
PRESENCIA DE PUENTES DE H Y ESTOS DE LAESTRUCTURA DEL AGUA1. Cohesividad ⇒ Estado líquido a Tª ambiente ⇒ Transporte y
structura
2. Poder disolvente: K = 80 ⇒ “Disolvente universal”
3. ↑↑↑↑ calor específico ⇒ función termorreguladora
4. ↑↑↑↑ calor de vaporización ⇒ función termorreguladora
5. Disociable en iones H+ y OH- ⇒ Reactividad: hidrólisis y
condensación
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Cohesividad: Estado líquido del agua a
temperatura ambiente
La elevada fuerza de cohesión entre las moléculas
de agua (Puentes de hidrógeno) permite que elagua se mantenga líquida a Tª ambiente.
Esto ermite al a ua actuar como vehículo de
transporte en el interior de un organismo y comomedio lubricante en las estructuras de movimiento.
Esto permite que sea el agua el componente
principal del citosol y del interior de los orgánuloscelulares.
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Cohesividad: Líquido prácticamenteincompresible
Gracias al elevado grado de cohesión entre las
moléculas de agua, el volumen del agua líquida nodisminuye apreciablemente aunque se apliquenpresiones muy altas.
Esto determina las deformaciones citoplasmáticas ypermite que el agua actúe como esqueletohidrostático en las células vegetales.
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Poder disolvente del agua
Poder disolvente: K = 80⇒
“Disolventeuniversal”a) Sustancias polares (hidrofílicas) ⇒
vb) Sustancias apolares (hidrofóbicas) ⇒Insolubilidadc) Sustancias apolares con pequeño grupo polar
(anfipáticas) ⇒ dispersiones Coloidales(SOL y GEL)
d) Emulsiones estables: disolvente (H2O), soluto
(ej.grasas), emulgente (ej. proteína)
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Poder disolvente del agua
Poder disolvente: K = 80 ⇒ “Disolvente universal”Sustancias polares (hidrofílicas) ⇒ disoluciones verdaderas
http://www.bionova.org.es/animbio/anim/aguadisol.swf
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Sustancias apolares (hidrofóbicas) ⇒ InsolubilidadSu disposición dependerá de la densidad la sustancia
considerada
1 º Emulsi ó n inestable
1 º Emulsi ó n inestable
Poder disolvente del agua
2 º precipita inso u e
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Poder disolvente del agua
DISOLUCIONES COLOIDALES: Sustancias apolares conpequeño grupo polar (anfipáticas) ⇒ dispersiones Coloidales
Las disoluciones coloidales pueden aparecer en dosestados distintos;
GEL
SOL GEL
- (H2O)
+ (H2O)
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Poder disolvente del agua
EMULSIONES ESTABLES:
Formadas por dos líquidos inmiscibles: 1de ellos (fasedispersa) forma pequeñas gotitas dispersas en el otro(fase dispersante).
Emulsiones biológicas: Fase dispersa: lípidos insolubles (ej. triglicéridos, colesterol)
Fase dispersante: agua
La estabilidad de las emulsiones se consigue gracias aotras moléculas que mantienen las gotitas de la fasedispersa separada (ej. proteínas, fosfolípidos, salesbiliares, jabón)
Ejemplos; leche, mayonesa
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CALOR ESPECÍFICO: cantidad de calor que es
necesario comunicar a 1 gramo de sustancia paraaumentar su temperatura 1ªC.
El a ua tiene un calor es ecífico alto or ue ara
Elevado calor específico: Función
termorreguladora
elevar su temperatura, hay que romper muchos delos enlaces que hay entre ellas, lo que implica quehace falta suministrar mucho calor.
Por ello, el agua es un buen estabilizador térmicodel organismo frente a los cambios bruscos detemperatura del medio.
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Elevado calor de vaporización: Función
termorreguladora
Para pasar del estado líquido al gaseoso hace
falta romper todos los puentes de hidrógeno, paralo cual se necesita mucha energía.
Esto hace ue el a ua sea una buena sustancia
refrigerante en el organismo. El agua que se evapora en la superficie de un ser
vivo absorbe calor del organismo, actuando como
regulador térmico. La capacidad refrigerante de sudor y pulmones
está basada en este hecho.
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Disociable en iones H+ y OH- ⇒ Reactividad
Hidrólisis
Polímero + H2O “n” monómeros Condensación
“ ” -
Hidrólisis
A – B A – OH + B – H
Condensación
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FUNCIONES DEL AGUA
Función metabólica: Es el medio en el que se producen la mayoría de lasreacciones metabólicas, puesto que las sustancias para que reaccionen tienen
que estar disueltas. Además en muchas de estas reacciones el agua actúacomo reactivo como por ejemplo en las reacciones de hidrólisis que ocurren enla digestión. Igualmente es la fuente de hidrógenos en la fotosíntesis vegetal.
sustancias por el interior del organismo y entre el exterior y el interior delmismo, debido a que es líquida y es un excelente disolvente, las sustancias sontransportadas disueltas en ella.
Función estructural: Debido a la elevada fuerza de cohesión da forma a las
células que carecen de membrana rígida regulando los cambios ydeformaciones del citoplasma.
Función termorreguladora: Debido al elevado calor específico y al elevadocalor de vaporización, regula la Tª del organismo amortiguando las
variaciones bruscas de la Tª externa y ayuda a mantener constante la Tª delcuerpo en los animales homeotermos o endotermos.
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EL AGUA: Propiedades
Ionización del agua El agua pura se comporta como un electrolito débil y se encuentra en parte
disociada en iones H+ y OH- según la siguiente ecuación:
H2O → H+ + OH-
En el agua la disociación es muy débil, esto significa que la mayor parte delagua se encuentra como H2O sin disociar y solo una pequeña parte estádisociada.
El producto de las concentraciones de los iones H+ y OH- es constante y sedenomina producto iónico, en el agua a 25ºC es:
[H+].[OH-] = 10-14
En el agua pura por cada H+
que se forma, se forma un OH-
lo que hace quela concentración de ambos iones sea la misma.
[H+] = [OH-] = 10-7
Si aumenta la concentración de uno de los iones disminuye la del otro para
mantener constante el producto.
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EL AGUA: Propiedades
Ionización del agua. Concepto de pH Si aumenta la concentración de uno de los iones disminuye la del otro para
mantener constante el producto.
Hay sustancias que al disolverse en el agua, aumentan la concentración dehidrogeniones, se denominan ácidos. Otras por el contrario disminuyen laconcentración de hidrogeniones se denominan bases.
La acidez de una disolución viene determinada or la H+ Sorensen ideo la escalade pH para expresar la concentración de hidrogeniones de una disolución y por lotanto la acidez.
El pH = - log [H+]. El valor oscila 0 y 14.
Si el pH de una disolución es 7 como ocurre en el agua pura, dicha disolución es neutra. H+ = OH-
Si el pH es < 7 ,la disolución es ácida. H+ > OH- .
Si el pH es > 7, la disolución es básica. H+< OH-.
La escala de pH es logarítmica, es decir que si aumenta o disminuye en una unidadsignifica que la concentración de H+ se hará 10 veces menor o mayor.
http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/propertiesofwater/water.htmlhttp://www.youtube.com/watch?v=x8J-Jbu_W6M&feature=related
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SALES MINERALES
Son moléculas inorgánicas que están presentes en la
materia viva en pequeña cantidad. Se pueden encontrar de varias formas:
Disueltas Aniones: Cl- ,CO3
2- ,HCO3- ,PO4
3- etc
Cationes: K+ ,Na+ ,Ca2+ , Mg+2 etc
Asociadas a moléculas orgánicas: Fe, P, etc.
Funciones de las SALES MINERALES:
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Funciones de las SALES MINERALES:Regulación de los procesos osmóticos
o OSMOSIS y presión
osmóticao Turgescencia y
p asmo s s⇒
Importancia biológica: Absorción (raíces)
Adaptaciones (plantashalófitas)
Homeostasis
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SALES MINERALES: Presión osmótica
Presión osmótica (π) sería la presión que habría que hacer para detenerel flujo de agua a través de la membrana semipermeable debido a la
ósmosis.
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SALES MINERALES: Presión osmótica
Video resumen ósmosis: http://www.youtube.com/watch?v=oONjIH39uUw
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SALES MINERALES: Presión osmótica
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DIFUSIÓN, ÓSMOSIS y DIÁLISIS
Membranasemipermeable
De la +concentrada a la+ diluida
DIFUSIÓN DIÁLISISOSMOSIS
Membranapermeable o s/m
e a u a
a la +concentrada
Solo pasa agua
Pasa el agua ymoléculas desoluto de bajo
peso molecular
De la +concentrada a la+ diluida
Pasa agua ysolutos
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Funciones de las sales minerales
Los fenómenos vitales se producen a un pH próximoal neutro, cambios bruscos de pH impediríanalgunas reacciones químicas.
Regulación del pH:
Sistemas amortiguadores o Sistemas tampónH2PO4
- / HPO42 – intracelular
H2CO3/ HCO3- extracelular
Están formados por un ácido débil/una sal delmismo
El pH afecta a la actividad enzimática
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Ejemplo de Sistema Tampón
El pH de la sangre permanece constante a 7,4
Si se acidifica la sangre el tampón carbonato sedesplaza a la derecha y aumenta el CO2
a la izquierda y el CO2 se disuelve en la sangre.
H CO3- + H+↔ CO3H2↔ CO2+ H2O
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TEST DE REPASO
Generalidades de las bases químicas y Físicas de
los procesos biológicos
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El paso de agua desde una solución menos
concentrada a una más concentrada a través deuna membrana semipermeable se denomina...
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La hemolisis (rotura) de los eritrocitos al colocarlos
en agua destilada es un ejemplo de:
A. Difusión
B. Ósmosis
C. Plasmólisis
D. Turgencia
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Indica cómo se formará el puente de Hidrógeno
entre las dos moléculas de agua
http://www.educa.madrid.org/portal/c/portal /layout?p_l_id=2288.193&c=an
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Los enlaces de H en el agua...
A. Son inestables en el agua en fase sólida
.
temperatura
C. se rompen por debajo de los 0ºC.
D. son estables cuando el agua hierve
E. son muy estables
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El paso del agua y no de las partículas disueltas
en ella, sólo se produce en el caso de la...A. Diálisis
B. en ninguno de los casos anterioresC. Difusión
D. Ósmosis
E. en todos los casos anteriores
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Una de las siguientes funciones NO lo es del
agua
A. esquelética
B. Termorreguladora
C. Aporte de H y O
D. disolvente
E. medio de transporte
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El agua tiene carácter de reactivo químico porque
es...A. capaz de hidrolizar a otras sustancias.
B. el disolvente universal.
C. termorreguladora
D. el medio donde se producen las reacciones
metabólicas.
E. un vehículo de transporte de otras sustancias.
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Al introducir un alga marina en agua dulce se
produce...A.un arrugamiento por exósmosis
B. una inmersión celular.
C. un hinchamiento por exósmosis
D. un proceso de turgencia.
E. su plasmolisis.
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Dibuja 5 moléculas de agua unidas
por puentes de hidrógeno.
u mpor anc a o g ca enen os puen es e
hidrógeno?
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Comenta brevemente las propiedades físico-químicas
del agua que justifiquen la importancia de estamolécula en los seres vivos.
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Explica el concepto de e indicamediante un dibujo cómo se forman estos en el caso del agua.
¿Qué repercusiones tienen estos en las propiedades físicas yquímicas del agua? ¿En qué forma afectan estos a los seresvivos? Razona la res uesta.
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¿Qué es un sistema tampón? Pon un ejemplo e
indica cómo actúa
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Sabiendo que el principal tampón intracelular es el
tampón fosfato monobásico/dibásico. Explica quéocurriría si en el interior de la célula se produjerauna sobreproducción de protones.
Diferencia claramente los procesos de ósmosis,
diálisis y difusión.
DIFUSIÓN ÓSMOSIS y DIÁLISIS
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DIFUSIÓN, ÓSMOSIS y DIÁLISIS
DIFUSIÓN DIÁLISISOSMOSIS
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Para observar el proceso de ósmosis, tres muestras desangre humana son sometidas a una prueba de
laboratorio: Si se añade agua destilada a una de las muestras, indica que
Si se añade una solución saturada de sal a otra de las muestras,indica que aspecto presentan los glóbulos rojos al microscopio,
cómo se denomina este fenómeno y explica cómo se produce:
Si a la tercera muestra se le añade una solución isotónicaexplica si se alteraría la forma y función del glóbulo rojo: