QUIMICA DE LA VIDA

Química Biológica

• Es la química de la vida• Estudia los seres vivos a nivel molecular• Estudia los componentes químicos de los

organismos vivos y las vías metabólicas o reacciones para obtener energía del entorno

• Un organismo tiene vida cuando es capaz de obtener energía del entorno, autorreplicarse y transmitir información genética.

• La energía es la capacidad de realizar trabajo: de biosíntesis, osmótico y mecánico.

Energía Es la capacidad de realizar un trabajo. A pesar que existen

varias formas deenergía: química, luminosa, mecánica, etc. solo hay dos tipos

básicos: Potencial es la capacidad de realizar trabajo como resultado de su

estado o posición. En los enlace químicos, en gradiente de concentración, en un

potencial eléctrico.

Cinética es la energía del movimiento, puede existir en forma de calor,

luz, etc.Representa la capacidad de cambio, ya que la vida depende

de que la energía pueda ser transformada de una forma a otra.

La vida se basa en el carbono

Al analizar químicamente cualquier organismo: animal,planta o microorganismo se observa que hay muy pocos elementos de la tabla periódica presentes en los seres vivos.Carbono,hidrógeno,nitrógeno y oxígeno: 95% de los seres vivosSi se agrega el fosforo y azufre: 98% de los seres vivos

Estos 6 elementos se combinan de muchas manerasdiferentes a nivel molecular formando pocos tipos decompuestos:

Agua 70%GlúcidosLípidosAa y proteínasNucleótidos, RNA y DNA

Estos 4 tipos de compuestos presentes se llaman orgánicos porque están constituídos por carbono. Este se combina consigo mismo y con atomos de H,O,N. Como los átomos de C son capaces de unirse entre sí para formar cadenas, redes y círculos, la arquitectura molecular de compuestos orgánicos es ilimitada.

Biomoléculas: moléculas de tamaño grande o pequeño que se encuentran en los seresvivos y son fabricadas por la célula.Polímeros: se forman al enlazarce cientos o miles de unidades monómeros paraformar una molécula de gran tamaño.Pueden ser cadenas relativamente sencillas de unidades monoméricasidénticas: homopolímeros o pueden ser complejos, con unidadesdiferentes con o sin ramificaciones: heteropolímeros.

Monómero Polímero

aminoácidos proteínas

monosacaridos polisacáridos

acidos grasos lipidos

nucleotidos polinucleotidos

• Organización biológica: estructural y molecular

• Todos los seres vivos están formados por células

• Todas las células derivan de otras células

• Todas las reacciones metabólicas de los seres vivos se llevan a cabo en el interior de las células.

celulas tejidos órganos sistemas ser vivo

Aunque las células sean diferentes en tamaño y forma, todas presentan organelas, rodeadas de membranas biológicas igual que la propia célula.

El motivo de que existan diferentes organelases que existen compartimientos distintos en el interior de la célula que tienen funciones diferentes: cloroplastos fotosíntesis, mitocondrias energía.

Las membranas que rodean los compartimientos no son paredes inertes. Poseen funciones como: Permeabilidad selectiva

Participación en la producción de energía

Separar a la célula del medio que las rodea

Mantener un equilibrio dentro y fuera de la célula

• Estructura de las membranas• No son estructuras fuertes desde el punto de vista mecánico, en

contraste con la pared celular de células vegetales o bacterias.• Función: construir una barrera selectiva y no una pared dura.

• Modelo de mosaico fluido o de Singer

• Formadas por una doble capa de fosfolípidos y colesterol • Porción hidrofóbica: hacia el interior de forma de minimizar la

interacción con el agua o grupos polares.• Porción hidrofílica: cabezas polares hacia el exterior en la interfase

con el entorno acuoso.• Proteínas intrínsecas inmersas en la bicapa• Proteínas extrínsecas débilmente unidas a la superficie de la

membrana.• transparencia

Enlaces químicos

Enlaces covalentes

Enlace fuerte presente en la mayoría de los compuestos orgánicos. Los

átomos comparten electrones y la energía necesaria para romper el

enlace es alta.

Enlaces no covalentes

Fuerzas de Van Der Waals

Fuerzas mucho más débiles entre atomos y moléculas. Surgen cuando

adquieren una distribución de carga eléctrica no uniforme que da al

átomo una polaridad transitoria: una parte tiene una carga ligeramente (-)

con respecto a las demás.Esta polaridad induce una carga opuesta en

átomos y moléculas vecinas de manera que hay una atracción de cargas

temporal. Son 100 veces más debiles que el enlace covalente. Cuando

dos moléculas tienen forma complementaria, se forman cientos y miles

de fuerzas de Van der Wals entre ellas.

Puentes de hidrógenoUn átomo de hidrógeno está enlazado con un átomo muy electronegativo

como el oxígeno o el nitrógeno. Este atrae el electrón de enlace más

cerca de él y el átomo de hidrógeno adquiere una pequeña carga (+) y

experimenta atracción hacia otros átomos o grupos con carga (-).

Son 10 veces más fuertes que las fuerzas de Van der Waals pero 10

veces más debiles que el enlace covalente.

Los puentes de hidrógeno explican el alto punto de ebullición del agua.

Enlaces iónicosSe forman por la atracción entre iones de carga opuesta.La fuerza

depende del medio en donde se encuentra el par cargado.

EL AGUA

Propiedades del agua: la vida existe en medio acuosoEl agua constituye aproximadam.el 70% del peso de los organismos vivos.

La molécula consta de dos H entrelazados en forma covalente a un átomo

de O2 electronegativo. Además entre ellas se forma una red de puentes

hidrógeno.

Esta polaridad y la capacidad de formar puentes hidrógeno le permite

disolver muchos compuestos iónicos y moléculas neutras. También solubiliza

moléculas anfipáticas.

Actúa como disolvente de moléculas polares con las que forma puente H:

compuestos con grupos -CO2,-NH2,-NH3,-OH.

En contraste, las moléculas no polares, son insolubles en agua porque

interrumpen la estructura de puentes hidrógeno del agua sin formar

interacciones favorables con la misma.

Para que las no polares se mezclen con el agua es necesario emplear

energía con el fin de reordenarlas, rompiendo los ptes H y formando una

cavidad en la molécula de agua.

Molécula de agua

Los orbitales sp3 del O2 están ordenados de manera tetrahédrica.

Puente de hidrógeno en el agua: la fuerza de la interacción es máxima cuando el enlace covalente O—H de la molécula apunta directamente hacia la nube de electrones del par libre de la otra.

Hidrofóbico: que odia el agua

Hidrofílico: afinidad por el agua

Los compuestos no polares, sin afinidad por el agua no se mezclan

libremente con ella porque se requiere energía para el proceso. Puede

ser toda la molécula o grupos que forman parte de ella Ej: proteína es

soluble en agua pero presenta grupos hidrofóbicos en el interior de la

molécula y grupos hidrofílicos en el exterior. Este ordenamiento estabi

liza a la molécula en su forma biológicamente activa. Como consecuen

cia los enlaces en el interior de la molécula son mucho más estables

dado que ahí el medio es hidrofóbico.

Disoluciones ácidas y básicas:Ácido: toda sustancia dadora de protonesBase: toda sustancia aceptora de protones

H2CO3 HCO3- + H+

El pH: logaritmo negativo de la concentración de protones

Si pH = 7 neutroSi pH < 7 ácidoSi pH > 7 básico

Una solución reguladora de pH o buffer controla los cambiosde pH y está formada por un par ácido-base conjugado:

H2CO3 HCO3- + H+

Acido Base conjugada

Los pares de iones Na+Cl- tienden a separarse en agua y c/u se rodea de una capa de moléculas de agua llamada agua de ionización

Solvatación de iones: los dipolos de las moléculas de agua que lo rodean están orientados de acuerdo con la carga del ión.

Todos los procesos de la vida requieren energía

• El sol es la principal fuente de energía de todos los seres vivos.

• Las plantas captan esa energía lumínica mediante fotosíntesis y la emplea para transformar el CO2 en sacarosa, que es el almacenamiento potencial de energía química.

• Un atleta puede consumir la sacarosa y liberar la energía que contiene en forma de movimiento muscular: energía cinética.

• Las diferentes formas de energía se transforman unas en otras

• Energía mecánica:movimiento:contracción muscular,locomoción del organismo hasta una parte de la célula.

• Energía química:crecimiento:fabricación de más constituyentes del organismo mediante síntesis química a partir de precursores más sencillos.Duplicación del material genético, crecimiento o división celular.

• Energía osmótica:concentración: acumulación o transporte selectivos de compuestos o iones, preservación de un gradiente de concentración a través de una membrana biológica.

• Energía eléctrica:separación de carga: transmisión de impulsos nerviosos, gradiente iónico.

• Energía lumínica:reacciones fotoquímicas:reac. químicas que generan luz (luciérnagas)

Oxidación: • liberan energía• Ganancia de oxígeno• Pérdida de hidrógeno• Pérdida de electronesReducción:• Necesitan energía• Pérdida de oxígeno• Ganancia de hidrógeno• Ganancia de electrones

Metabolismo= Anabolismo + Catabolismo Suma total de procesos químicos en un organismo

• Reacciones anabólicas: proceso de construcción,

destinadas a formar moléculas propias, por lo general son reacciones de síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas simples. Requieren energía.Son reacciones de reducción.Ej formación de polímeros a partir de sus monómeros.

• Reacciones catabólicas: implican la disgregación y oxidación de las biomoléculas, con su consecuente destrucción, obteniéndose energía en forma de ATP en el proceso. Esta energía es la usada en las reacciones anabólicas. Ej Hidrólisis de compuestos, adición de agua para liberar a los monómeros de un polímero.

Cada célula desarrolla miles de reacciones químicas quepueden ser:Exergónicas: con liberación de energía o Endergónicas: con consumo de energía

En su conjunto constituyen el METABOLISMO CELULAR • Las células asocian las reacciones: las reacciones

endergónicas se llevan a cabo con la energía liberada por las reacciones exergónicas.

• Las células sintetizan moléculas portadoras de energía que son capaces de capturar la energía de las reacciones exergónicas y las llevan a las reacciones endergónicas.

• Las células regulan las reacciones químicas por medio de catalizadores biológicos: ENZIMAS.

ATP: Reacciones acopladas y transferencia de energía

Las células acostumbran a guardar la energía necesaria para sus reacciones en ciertas moléculas, la principal es el: ATP (adenosín trifosfato. Lo usan para capturar, transferir y almacenar energía libre necesaria pararealizar el trabajo químico. Funciona como una MONEDA ENERGÉTICA.Suministra energía hidrolizándose a ADP y Pi.

Esta energía puede usarse para realizar trabajo: Biosíntesis de macromoléculasTransporte a través de las membranas Trabajo mecánico:contracción muscular, movimiento de cilios y flagelos

etc.

.

                                                                                                                                        

Estructura del ATPes un nucleótido compuesto por la adenina (base nitrogenada), un azúcar (ribosa) y tres grupos fosfato.

Las cargas altamente ionizables de los grupos fosfatos hacen que se repelan unos de otros; por lo tanto resulta fácil separar uno o dos Pi(fosfatos inorgánicos) del resto de la molécula.

La hidrólisis del ATP da: 

ATP + H2O ---> ADP + Pi

El cambio de Energía libre(∆ G) = -7,3 Kcal/mol Reacción muy exergónica ((∆ G de una célula viva es de - 12 Kcal/mol)

La hidrólisis de ADP + H2O ---> AMP + Pi(∆ G) = -7,2 Kcal/mol reacción muy exergónica

Para sintetizar ATP a partir de ADP se debe suministrar por lo menos una energía superior a 7,3 Kcal. Las reacciones que suministran dichaenergía son la reacciones de oxidación.

ADP  +  Pi  + energía libre -->  ATP  + H2O 

La energía se encuentra en las uniones químicas de alta energía  de los fosfatos de la molécula de ATP.

Las moléculas de ATP se ensamblan en las mitocondrias a partir del ADP y los Pi con la energía tomada de la ruptura de moléculas complejas como la glucosa, que a su vez deriva de los alimentos ingeridos. 

La Glucosa (C6 H12 O6) es el combustible básico para la obtención de energía.

Casi todos los alimentos son transformados en glucosa mediante una serie de numerosísimas oxidaciones graduales al cabo de las cuales el oxígeno atmosférico (ingresado por respiración pulmonar) se une a los átomos de hidrógeno de las citadas moléculas para formar H2O.

En cada oxidación se liberan gradualmente pequeñas porciones de energía que son capturadas para formar el ATP.

Si las oxidaciones son fueran graduales, la energía se liberaría de manera violenta y se dispersaría como calor.

En el proceso de obtener energía a partir de la glucosa hay tres procesos metabólicos:

• GLUCÓLISIS: ocurre en el citosol, donde cada molécula de glucosa, con sus 6 átomos de Carbono, da lugar a dos moléculas de piruvato (de 3 átomos de Carbono). Se invierten dos ATP pero se generan cuatro.

• RESPIRACIÓN CELULAR: ocurre cuando el ambiente es aerobio (contiene O2) y el piruvato se transforma en dióxido de Carbono (CO2) liberando la energía almacenada en los enlaces piruvato y atrapándola en el ATP.

• FERMENTACIÓN: cuando el O2 está ausente, ambiente anaerobio, en lugar de producir CO2 se producen otras moléculas como el ác. láctico o el etanol.

Cofactores Redox

• Durante las principales reacciones redox (reducción y oxidación simultánea) del catabolismo de la glucosa intervienen dos moléculas intermediarias: NAD y FAD.

• Se denominan cofactores Redox: alternativamente se reducen y luego se oxidan.

• NAD: nicotinamida adenina dinucleótido. • NAD+ en su forma oxidada y NADH + H  cuando está

reducido.NAD+ (oxi) + 2H+ + 2e- ----> NADH (red) + H+

• FAD: flavina adenina dinucleótido. • Transporta 2H, por lo que es FAD en su forma oxidada y

FADH2 cuando está reducido.

Fases del metabolismo• Fase I• Las grandes moléculas de los elementos

nutritivos se degradan hasta los principales sillares componentes.

• Fase II• Los productos de la fase I son recogidos y

convertidos en un número pequeño de moléculas más sencillas.

• Fase III• Es el camino común final en que se oxidan a

CO2 y agua.

Clasificación de los organismos según fuente de energia y fuente de carbono

Tipo organismo Proced.

carbono

Proced. Energía

Dador de electrones

Ejemplos

FOTOLITOTROFOS

CO2 LUZ Comp.inorgánic

H2O,H2S,S

Cel.verdes de plantas super.

Algas azul-verd

FOTOORGANO

TROFOS

Compuestos

orgánicos

LUZ Comp. orgánicos

Bacterias purpureas no sulfuradas

QUIMIOLITOTROFOS

CO2 Reacciones

REDOX

Comp.inorgánic

H2O,H2S,S,Fe

NH3

Bacterias desnitrificantes

QUIMIOORGANOTROFOS

Compuestos

orgánicos

Reacciones REDOX

Comp.

Orgánicos (glucosa)

Todos los animales super. Mayoria de MO