UNIDAD # 2: BIOMOLÉCULAS 2.1. Definición y clasificación.-
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Lic. Carlos Miguel Oroza Valdez - 11 - UNIDAD # 2: BIOMOLÉCULAS 2.1. Definición y clasificación.Todo ser viviente como parte fundamental de su estructura orgánica posee moléculas que constituyen la composición celular y por ende de los tejidos, órganos aparatos y sistemas. En la presente unidad trataremos sobre la estructura molecular, propiedades, características e importancia de las biomoléculas. 2.1.1 Definición de biomolécula: Conocidas también con el nombre de principios activos o principios inmediatos. Son moléculas de naturaleza tanto inorgánica como orgánica que resultan de la combinación de los bioelementos. 2.1.2 Clasificación de las biomoléculas: Por la naturaleza de su estructura molecular y su procedencia, las biomoléculas pueden clasificarse en dos grandes grupos, tal como se muestra en el siguiente esquema: TIPOS DE BIOMOLÉCULAS Biomoléculas inorgánicas - Agua - Gases - Ácidos y bases - Sales minerales - Carbohidratos - Proteínas - Lípidos - Biocatalizadores Biomoléculas orgánicas - Ácidos nucleicos - Enzimas - Hormonas - Vitaminas - Ergomoléculas - ARN - ADN - Virus y priones 2.2. Biomoléculas inorgánicas.Las biomoléculas inorgánicas presentan como característica fundamental enlaces que pueden ser covalentes polares, no polares e iónicos como en el caso de las sales. 2.2.1 Agua: Es la biomolécula inorgánica más importante para la vida, ocupa las tres cuartas partes de la superficie terrestre y en la naturaleza se encuentra en los estados principales (sólido, líquido y gaseoso). - Su molécula es del tipo heteronuclear y triatómica. Compuesta por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. a) Estructura molecular: Posee una geometría tetraédrica irregular, lo que origina un ángulo de enlace entre hidrógeno e hidrógeno de 104,5o. - Es un compuesto con momento dipolar integrado por enlaces covalentes polares. Unidad # 2: Biomoléculas - 12 - b) Propiedades físicas: Posee un punto de ebullición (Peb) a nivel del mar de 100 oC , una densidad() de 1 g/ml a una temperatura de 4 oC, su punto de fusión (Pf) es de 0 oC, con un calor específico de (Ce) 4,184 J/g oC. - Presenta un alto grado de tensión superficial por la cohesión de sus moléculas. - Térmicamente es muy estable debido los enlaces puente de hidrógeno (EPH) que forma entre molécula y molécula lo que hace necesario aplicar más calor de lo esperado para hacerla e bullir, y permite que siendo un compuesto de bajo peso molecular (PM =18 g/mol) tenga un punto de ebullición muy alto. EPH Enlace puente de hidrógeno que se forma entre dos molécula de agua En la figura se muestra los enlaces puente de hidrógeno que se generan entre las moléculas de agua Es importante hacer notar que la capacidad para formar los enlaces puente de hidrógeno es de cuatro enlaces por molécula de agua, tal como se aprecia en el siguiente gráfico: Representación de la estructura molecular del agua mediante orbitales moleculares - En el hielo el número de enlaces puente de hidrógeno aumenta en seis - Se descompone a una temperatura de 1000 oC o por proceso de electrólisis según la siguiente ecuación: 2H20 (l) 2 H2 (g) + O2 (g) Para lo cual es tiene que aplicar un electrólito fuerte como el acido sulfúrico y corriente eléctrica no mayor de 12 voltios c) Propiedades químicas: El agua reacciona con los metales alcalinos (grupo IA) formando directamente hidróxidos con desprendimiento de hidrógeno y energía, de acuerdo a la siguiente ecuación: 2 Na (s) + 2 H20 (l) 2 NaOH (ac) + H2 (g) + E La energía se manifiesta en la mayoría de veces como calor y algunas veces como luz - Con los óxidos básicos forma hidróxidos y con los óxidos ácidos o anhídridos forma oxácidos, lo que pone en evidencia el carácter anfótero del agua, tal como se aprecia en las siguientes ecuaciones: CaO (s) + H20 (l) Ca(OH)2 (ac) SO3 (g) + H20 (l) H2SO4 (ac) óxido de calcio anhídrido sulfúrico hidróxido de calcio ácido sulfúrico - 13 - Lic. Carlos Miguel Oroza Valdez - A pesar que en la actualidad al agua se la ha clasificado como un hidruro, tiene las propiedades de un óxido, puesto que si en condiciones especiales se la oxigena se produce el peróxido de hidrógeno o agua oxigenada: 2 H20 (l) + O2 (g) 2 H202 (ac) Peróxido de hidrógeno Comercialmente se expende el agua oxigenada como solución porcentual v/v en concentraciones del 20 al 40% d) Distribución corporal: El contenido de agua en un organismo vivo depende de su hábitat y actividad metabólica. Considerado como disolvente universal es el principal solvente polar en el protoplasma celular. - En los tejidos humanos el porcentaje de agua varía, 20% en los huesos, 85% en células cerebrales. - Aproximadamente el 70% del peso corporal de una persona es agua. En otros organismos vivientes como las medusas o malaguas, el porcentaje de agua varía del 95 al 97%; en las semillas es del 5%. - Dos tercios del agua dentro de la célula puede estar como agua intracelular o agua extracelular. * Agua intracelular; puede a su vez presentarse como agua libre, el 95% de esta agua es usada como solvente y como dispersante del coloide protoplasmático. También puede encontrarse como agua ligada, en un 5%, esta agua es la que está unida laxamente a las proteínas. * Agua extracelular; que puede estar como agua intersticial formando parte de las sustancias intercelulares y compartimientos del líquido cefalorraquídeo, líquido sinovial, etc., o como plasma, es decir, dentro de los vasos sanguíneos y linfáticos como constituyente principal del plasma sanguíneo. e) Factores que afectan la concentración de agua corporal: La concentración de agua en el organismo no es la misma en toda la estructura corporal, ni tampoco durante toda la vida, varía según tres criterios: * Por el tipo de células y tejidos; las células que contienen la menor cantidad de agua son las células grasas (adipocitos), por el contrario el tejido nervioso necesita mucha cantidad de agua para facilitar la función de transmisión de los impulsos nerviosos. * Por la edad; la cantidad de agua en el organismo va disminuyendo a medida qua aumenta la edad. La piel de los recién nacidos contiene mayor cantidad de agua que la de los niños y la de estos que la de los jóvenes, etc. * Por el sexo; en las mujeres existe mayor grasa corporal que en los hombres y por ende tienen menor concentración de agua. f) Funciones fisiológicas del agua en los seres vivos: El agua realiza diversas funciones fundamentales en los seres vivientes, entre las más importantes tenemos: - Presenta la función disolvente de sustancias debido a su naturaleza de molécula dipolar. El poder disolvente del agua se manifiesta de dos formas; el agua puede formar soluciones iónicas cuando disuelve sales minerales que por lo general están formadas por enlace iónico o electrovalente. Por ejemplo, si se disuelve un cristal de la sal cloruro de potasio KCl, las moléculas de agua rodean la estructura cristalina y se orientan unas con su lado negativo hacia el potasio y otras con su lado positivo hacia el cloro, esto por la diferencia de carga. Las moléculas del agua ejercen fuerza de atracción electrostática y van destruyendo la estructura del cristal de cloruro de potasio sacando a los átomos que inmediatamente se transforman en iones, el ión potasio (catión) y el ión cloruro (anión). Tal como se muestra en la siguiente reacción de ionización: KI (s) K+ (ac) + Ión potasio La ecuación de ionización muestra a ambos iones separados en solución acuosa, formando una solución iónica y con la consiguiente obtención de un electrólito. Cl-(ac) ión cloruro - Un electrólito es una sustancia que en solución acuosa es capaz de conducir la corriente eléctrica. En los gráficos de abajo se muestra el proceso de atracción electrostática en el caso de la formación de la solución iónica del yoduro de potasio Moléculas de agua orientándose con la parte positiva hacia el ión cloruro Moléculas de agua orientándo se con su parte negativa hacia el ión potasio Ión potasio agua El proceso se completa cuando las moléculas del agua terminan de separara a cada uno de los iones, esto se denomina solvatación, donde cada ión es rodeado por seis moléculas de agua. - 14 - Unidad # 2: Biomoléculas - El otro tipo de solución que forma el agua con otros compuestos dipolares como él, es la solución molecular. El ejemplo más específico es la solución que forma el agua con el alcohol etílico o etanol, donde el EPH es el que el permite la unión entre moléculas de agua con las del alcohol. En este caso la solución no forma electrólitos, ya que no tiene la facultad de conducir la corriente eléctrica. - A pesar que el agua es considerada como disolvente universal por su gran poder de solubilidad, no disuelve a todas las sustancias, las grasas, ceras, aceites y lípidos en general no se pueden disolver en ella, porque su naturaleza molecular y el tipo de enlace covalente no polar no permiten que se unan, así mismo, la tensión superficial del agua y la diferencia de densidades donde generalmente las sustancias grasas son menos densas que el agua evitan que se forme una solución. - Tiene la función de transporte de sustancias tanto nutritivas como de sustancias de desecho (proceso de excreción) mediante la respiración, transpiración, micción y defecación. - Posee la función estructural, ya que mantiene el volumen y forma de las células y de organismos invertebrados sencillos, como en el caso de la lombriz de tierra, medusas, etc. (función de esqueleto hidrostático). - Evidencia la propiedad termorreguladora, ya que ayuda a conservar estable la temperatura corporal debido a su alto calor específico. - Pone de manifiesto la función mecánica – amortiguadora, actúa como lubricante en todas las regiones corporales al estar como líquido intracelular y extracelular, evitando el roce y la fricción entre tejidos y órganos. g) El agua como reactivo químico: Las propiedades físicas del agua antes mencionadas son para el compuesto químicamente puro, conocido como agua destilada y desionizada. - El agua destilada es considerada como reactivo químico, ya que se utiliza para la preparación de sueros, soluciones, antídotos, etc., es incolora, inodora e insípida; no tiene sabor alguno, en comparación con el agua potable que sí posee sabor por las sales disueltas. - No está considerada como alimento, puesto que no posee ningún tipo de sal, ni oxígeno disuelto en ella, si bien es cierto es inocua, no es recomendable consumirla, ya que como no aporta ningún tipo de nutriente, más por el contrario disuelve las sales del organismo sin mantener la concentración que debe de haber para el buen funcionamiento de las funciones metabólicas. - El agua destilada no existe en la naturaleza, la única manera de obtenerla es mediante el proceso de destilación (ebullición, evaporación y condensación). Los aparatos que se utilizan son los destiladores, tal como se muestra en la siguiente figura: Balón de En el proceso de destilación el agua al hervir se evapora, el vapor sube por un refrigerante (Liebig) que por cambio de temperatura hace que el vapor se condense y caiga en el matraz como gotas 2.2.2 Gases: Se denomina gas a toda sustancia química que a temperatura y presión normales (TPN) se mantienen en ese estado. Esto significa que a una temperatura de 25 oC y a una presión de 760 mm de Hg o una atmósfera la sustancia conserva las propiedades de gas, lo que no ocurre con los vapores. Dentro de los gases más importantes considerados como biomoléculas inorgánicas tenemos en primer lugar al oxígeno, luego al ozono y finalmente al dióxido de carbono. a) Oxígeno: Es un elemento químico gaseoso divalente, incoloro, cuya proporción en la atmósfera es de 21%. - En combinación con los demás elementos químicos forma diferentes clases de óxidos, ácidos, bases y sales. - Es esencial para la respiración y combustión. Con la hemoglobina Hb (proteína de la sangre) forma un compuesto denominado oxihemoglobina HbO2, con el cual los glóbulos rojos pueden transportar el oxígeno a través del torrente sanguíneo. - El oxígeno es producido por las plantas mediante el proceso de fotosíntesis durante la etapa luminosa o reacción de Hill. - Los organismos como las propias plantas, los animales y la mayoría de microorganismos que necesitan el oxígeno para respirar se denominan seres aeróbicos o aerobios. - 15 - Lic. Carlos Miguel Oroza Valdez - El oxígeno se presenta como molécula diatómica homonuclear, formado por dos enlaces del tipo covalente puro o no polar (normal), tal como se muestra en el siguiente gráfico: Pares covalentes puros Átomos de oxígeno O=O Según la estructura de Lewis se muestra el doble enlace que forma la molécula del oxígeno naturaleza es no polar O2 cuya La razón por la cual el oxígeno es un gas que se presenta como molécula diatómica se puede explicar por medio de la teoría del octeto de Hilbert Lewis y Walter Kosel, que establece que para que un átomo adquiera una estabilidad electrónica se requiere que complete ocho electrones en su último nivel de energía compartiéndolos, ganándolos o perdiéndolos. En el caso del oxígeno el par covalente es compartido con igual intensidad por los dos átomos, ya que ambos presentan idéntica electronegatividad, haciendo la molécula más estable. b) Ozono: Es un gas incoloro, de olor penetrante picante, compuesto por tres átomos de oxígeno O3. - Considerado como una forma alotrópica del oxígeno, se produce naturalmente en la parte superior de la llll estratósfera por acción de la luz solar sobre las moléculas de oxígeno según la siguiente ecuación: La ecuación muestra claramente la conversión de oxígeno en ozono, y también se observa que tres moles de oxígeno se necesitan para Oxígeno ozono obtener dos de ozono. - Es inestable y se descompone fácilmente en oxígeno diatómico. - Cuando se forma en la tropósfera el ozono deja de ser un protector de la vida en el planeta para convertirse en un peligroso contaminante. 3 O2 (g) + energía 2 03 (g) Pares covalentes puros Átomos de oxígeno par covalente coordinado O=O O En esta estructura de Lewis se puede apreciar a los tres átomos de oxígeno que forman la molécula triatómica homonuclear unida por tres enlaces, dos son covalentes puros no polar y uno es covalente coordinado. Si se comparan las dos moléculas, la del ozono con la del oxígeno, se puede ver claramente que la primera resulta de la unión de una molécula diatómica del oxígeno con un átomo del mismo elemento (oxígeno naciente). La estructura del ozono está constituida por tres enlaces que son de la misma naturaleza no polar, dos de ellos (el doble enlace) que unen a dos átomos de oxígeno y el tercero que es covalente coordinado (uno de los átomos proporciona el par covalente, mientras que el otro oxígeno pone solamente el orbital vacío). No obstante que los tres átomos de oxígeno que forma la molécula del ozono son de idéntica electronegatividad, la molécula presenta una disimetría y un momento dipolar que no la tiene la molécula diatómica del oxígeno. c) Dióxido de carbono: Llamado también anhídrido carbónico o gas carbónico, es indispensable para la fotosíntesis de las plantas con clorofila. lllldióxido de carbono de fórmula molecular CO2, de sabor ligeramente picante, casi inodoro, más pesado que - El el aire, poco soluble en el agua. - Se produce por combustión completa y por fermentación de la materia orgánica, según las siguientes ecuaciones químicas: Materia orgánica + 02 (combustión) C02 (g) + H20 (g) Oxígeno Materia orgánica + 02 (fermentación) C02 (g) + C2H5OH (l) Oxígeno etanol Comparando ambas ecuaciones podemos darnos cuenta que en los dos procesos se obtiene como producto final el anhídrido carbónico, en la combustión el subproducto es el agua mientras que en la fermentación es el alcohol etílico. CO2 es expulsado por la respiración de los animales captado en el organismo por la carboxihemoglobina HbCO2 - El Unidad # 2: Biomoléculas - 16 - - Con el agua el anhídrido carbónico forma el ácido carbónico que es un ácido débil, como lo muestra la siguiente ecuación química: - El CO2 es poco reactivo, ligeramente tóxico y con sabor ácido. - No es combustible ni aporta a la combustión, pero se produce en ella. C02 (g) + H20 (l) H2C03 (ac) - Participa en los procesos vitales de las plantas y animales tales como la fotosíntesis y respiración celular - Se utiliza en la elaboración de bebidas efervescentes y en la fabricación de bicarbonato de sodio de acuerdo a la siguiente ecuación química: C02 (g) + H20 (l) + Na2C03 (ac) 2 NaHC03 (ac) Pares covalentes Átomo de carbono Átomos de oxígeno O =C =O En el esquema se observa que la estructura de la molécula del CO2 es simétrica, por lo tanto su momento dipolar es muy bajo, eso hace precisamente que sea muy estable y le confiere su carácter de poca reactividad química. La molécula está formada por cuatro enlaces covalentes (dos dobles enlaces con una diferencia de electronegatividad de 1 (O = 3,5 y C = 2,5), pero la simetría hace que la molécula se comporte como no polar d) Nitrógeno: Elemento gaseoso incoloro insípido, no inflamable e inerte - Está formado por una molécula diatómica con triple enlace de naturaleza covalente no polar - Para ser utilizado por las plantas debe primero ser captado del aire y fijado en el terreno de cultivo por las bacterias descomponedoras, para después ser concentrado y almacenado en algunas raíces de plantas por las bacterias nitrificantes y de esta forma pasar en la cadena alimenticia de las plantas a los herbívoros. - Considerado como un bioelemento porque constituye el elemento fundamental en las proteínas, y está en un porcentaje del 78 % como componente fundamental del aire. Pares covalentes Átomos nitrógeno N N En la estructura molecular del nitrógeno diatómico N2, se puede ver claramente que los dos átomos están unidos por un triple enlace de naturaleza covalente no polar, donde los de los extremos corresponde a enlaces tipo pi (), mientras que el enlace del medio es del tipo signa (). Su naturaleza de baja reactividad se puede explicar por la no polaridad de la molécula que prácticamente no tiene momento dipolar. 2.2.3 Ácidos y bases: Son dos tipos de compuestos oxigenados importantes ya que de ellos resultan muchas sustancias derivadas que forman parte de la estructura de los seres vivientes. a) Ácidos: Con el nombre de ácidos se conoce a la función química de compuestos que tienen como característica primordial de ceder iones hidrógeno o protones, esta propiedad inclusive la presentan los ácidos orgánicos o carboxílicos aunque con mucho menor grado de ionización que los ácidos minerales, poseen pH menor que 7. Entre los ácidos minerales más importantes tenemos: * Ácido clorhídrico; HCl, denominado también ácido hidroclorhídrico, forma parte del jugo gástrico, realizando las funciones de antiséptico y de ataque en el desdoblamiento de los alimentos, ayudando a su asimilación por parte del organismo tanto de animales como de algunas plantas (plantas carnívoras). Es un ácido fuerte. * Ácido fosfórico; H3PO4, conocido como ácido ortofosfórico. La sal más importante son los fosfatos que forma con elementos como el sodio, potasio y sobre todo con el calcio y magnesio que integran la estructura de los huesos. Es un ácido débil. * Ácido carbónico; H2CO3, muy utilizado en la elaboración de bebidas carbonatadas (gaseosas), es un ácido débil pero su ingesta periódica en gaseosas sin la participación de los alimentos es uno de los factores causante de las úlceras por exceso de acidez estomacal. - A continuación se presentan las estructuras moleculares de estos tres ácidos: - 17 - Lic. Carlos Miguel Oroza Valdez H - Cl Molécula del ácido clorhídrico Estructura del ácido fosfórico Molécula del ácido carbónico b) Hidróxidos o bases: Las bases son compuestos ternarios formados por metales con carácter metálico de fuerte a muy débil, por lo que las bases se clasifican en bases fuertes y débiles, según sea su grado de ionización. - Entre los hidróxidos que se consideran como biomoléculas inorgánicas se tiene: * Hidróxidos de calcio y magnesio; que son muy empleados para la fabricación de medicamentos antiácidos (milanta) y laxantes de acción fuerte (leche de magnesia Phillips). - Los hidróxidos tienen la propiedad de neutralizarse con los ácidos para formar sales. - Poseen un pH mayor que 7, opuesto al de los ácidos. Estructura del hidróxido de calcio H – O – Ca – O – H En la estructura del hidróxido de calcio que es análoga al hidróxido de magnesio, se puede observar una estructura lineal, donde el átomo de magnesio está ubicado en el centro de la molécula. Los oxidrilos se encuentran a los costados que serán reemplazados para la formación de las sales. 2.2.4 Sales minerales: Se encuentran en pequeña proporción en el citoplasma de los seres vivos, abundan con mayor cantidad en las partes duras como cartílagos, endoesqueleto y exoesqueleto, en diferentes tipos de tejidos (en la sangre están ionizados como los iones potasio, sodio, cloruro, etc.). Según la forma como se presenten en el organismo, las sales pueden clasificarse en tres tipos: sales disueltas, sales precipitadas y sales asociadas. 2.2.4.1 Sales disueltas: Son las que están en forma de iones con carga positiva (cationes) y con carga negativa (aniones). Entre los iones más importantes que forman parte del organismo tenemos: a) Litio, sodio y potasio: Se encuentran como cationes, litio Li+, sodio Na+, potasio K+, que realizan la función de electrólitos de la sangre, ayudan en la trasmisión de los impulsos nerviosos mediante la polarización, despolarización y repolarización de las neuronas, regulan el procesos de ósmosis; participan en la regulación del equilibrio ácido - base, son componentes amortiguadores de carbonatos, fosfatos ácidos y básicos. - El ión potasio estimula el sistema parasimpático y activa los movimientos intestinales (movimientos peristálticos). - El tejido muscular presenta seis veces más potasio que sodio, por ello cuando el potasio es deficiente en las gallinas se observa debilidad en las patas, y la carencia de sodio origina la baja producción de huevos. - El sodio se encuentra en la sal de meza, legumbres, hortalizas; el potasio en el plátano, rábanos, verduras en general, papas, leche, carnes. La deficiencia de potasio ocasiona calambres musculares, pérdida del apetito, ritmo cardiaco irregular. - Al litio, sodio y potasio se los encuentra como cloruros Cl -, yoduros I - , carbonatos CO3-2 y bicarbonatos HCO3 - Unidad # 2: Biomoléculas - 18 - b) Magnesio y calcio: Se encuentran en la sangre como iones magnesio Mg+2 y calcio Ca+2, también participan en la conducción del impulso nervioso, el calcio más dos interviene como fermento en la coagulación tanto de la sangre como de la leche, pero cuando se combina con el ácido oxálico forma una sal anticoagulante el oxalato de calcio CaC2O4 c) Iones fosfato, cloruro y yoduro: El ión fosfato PO4-3 presente en la sangre, regula la concentración de calcio en la sangre y la concentración de calcio en los huesos. - El ión cloruro Cl - es el principal anión extracelular y cumple funciones análogas a las del sodio en el organismo. Abunda en la mucosa gástrica, donde combinado con el hidrógeno forma el ácido clorhídrico HCl, que es el responsable del ataque y desdoblamiento de los alimentos y el factor activador que forma y transforma el pepsinógeno en pepsina; también se le encuentra en la orina, y leche. 2.2.4.2 Sales precipitadas: Forman estructuras sólidas insolubles con función esquelética, constituyendo caparazones y endoesqueletos en el caso de los vertebrados. a) Carbonatos de calcio y magnesio: La sal carbonato de calcio de fórmula molecular CaCO3, es el componente básico del exoesqueleto (caparazones y partes duras de los moluscos en general y en particular en los gasterópodos como las lapas y caracoles marinos, en los bivalvos o pelecípodos como los mejillones, ostras, almejas, choros y conchas marinas). - Las partes duras de los cefalópodos como el pulpo, calamar y la sepia también tienen como componente principal al carbonato de calcio. - El carbonato de magnesio MgCO3 también es constituyente principal del exoesqueleto de estos invertebrados. - Ambas sales insolubles se descomponen por acción del calor según las siguientes reacciones: CaCO3 (s) + calor Carbonato de calcio CaO(s) + CO2 (g) óxido de Calcio dióxido de carbono MgCO3 (s) + calor Carbonato de magnesio MgO(s) + CO2 (g) óxido de dióxido de magnesio magnesio Ambas reacciones de descomposición por efecto del calor se conocen como descomposición térmica. 2.2.4.3 Sales asociadas: Son aquellas que se encuentran combinadas como parte constitutiva de la estructura molecular de proteínas y lípidos, como es el caso de las fosfoproteínas y fosfolípidos. En la figura de la izquierda se puede apreciar la estructura de una fosfoproteína, en donde de espiral representa la estructura compleja de una proteína a la que se ha adosado varios grupos entre los cuales están los fosfatos - En el caso de las fosfoproteínas la estructura fundamental del compuesto consiste en que una parte de una sal mineral se acopla a la estructura de una proteína; lo mismo ocurre con los fosfolípidos, donde las sales minerales se adosan a un lípido. El nombre de “fosfo” hace alusión a ión fosfato u ortofosfato PO4 -3, que obviamente forma parte de las sales minerales. - Este tipo de sales se encuentran distribuidos en varias partes del organismo, formando la estructura de varios tejidos entre ellos el tejido muscular, conjuntivo y tejido adiposo. - 19 - Lic. Carlos Miguel Oroza Valdez 2.3. Biomoléculas orgánicas.Las biomoléculas orgánicas se caracterizan por presentar una estructura molecular carbonada (cadena carbonada), con enlaces del tipo covalente. Son compuestos que presentan mecanismos de reacción con varias etapas. - Las principales biomoléculas orgánicas son: los carbohidratos, las proteínas, los lípidos, los biocatalizadores, los ácidos nucleícos, los virus y los priones. 2.3.1 Carbohidratos: Son las principales sustancias que las plantas elaboran como productos del proceso de fotosíntesis, son fuente de energía tanto para los animales, microorganismo y vegetales. a) Sinonimia: El nombre oficial que la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) les ha dado a estos compuestos es glúcidos, este término deriva del vocablo griego glykos que significa dulce. - También se les suele llamar azúcares por la derivación etimológica del vocablo griego, aunque no todos estos compuestos presenta sabor dulce, más por el contrario algunos no poseen sabor, es decir que son insípidos como es el caso de los almidones. - Otro nombre con que se les conoce a este tipo de biomoléculas orgánicas es de sacáridos - Quizás los nombres más utilizados sean los carbohidratos o hidratos de carbono, esta denominación con la cual fueron conocidos desde muchos tiempo atrás hacía alusión al hecho que estos compuestos tienen una relación de 2 a 1 entre átomos de hidrógeno y átomos de oxígeno, la misma que existe en la molécula del agua H2O, pero la denominación de hidrato solamente se le da a los compuestos que poseen uno o más moles de agua asociados como agua de hidratación, como es el caso del sulfato de cobre pentahidratado CUSO4.5H2O, o el alumbre (sulfato doble de potasio y aluminio dodecahidratado) K2SO4.Al2(SO4)3.12H2O, en ambos compuestos se aprecian los moles de agua acoplados al resto de la molécula de la sal, este no es el caso de los carbohidratos, por lo que el nombre no estaría de acuerdo con lo que significa. b) Estructura molecular: Los glúcidos están constituidos estructuralmente por tres tipos de bioelementos; carbono, hidrógeno y oxígeno, por lo que se les denomina compuestos ternarios. - Su fórmula molecular general es: Cn (H20)n Donde: n N^n = 0 - Químicamente son compuestos orgánicos de función mixta, pues están formados por los grupos oxidrilo de los alcoholes – OH, el grupo aldehído o formilo de los aldehídos – CHO, el grupo carbonilo de las cetonas – CO. Esto significa que estas sustancias puede clasificarse como alcohol aldehído (hidroxialdehido), o alcohol cetona (hidroxicetona). c) Ubicación: Se hallan en todas las plantas verdes que los producen mediante fotosíntesis, especialmente en los frutos, tallos y raíces. d) Función fisiológica: Realizan las siguientes funciones dentro del organismo de plantas y animales - Permiten la formación de otros compuestos vitales para la célula, esto es, que para los vegetales el punto de partida en la elaboración de otras sustancias de mayor complejidad son los glúcidos y en especial la glucosa. - En los vegetales proporcionan rigidez a la pared celular la cual está constituida por celulosa. - La celulosa favorece la obtención y almacenamiento de energía. - En los animales proporciona energía utilizable de forma inmediata, sobre todo al sistema muscular a través de alimentos energéticos (dulces, harinas, etc.) - Ayudan a la digestión y al buen funcionamiento intestinal, este es el caso de la fibras vegetales (afrecho, salvado, etc.), estimulando los movimientos peristálticos del intestino grueso. e) Clasificación: Se clasifican de acuerdo a dos criterios; por el grado de hidrólisis (descomposición en medio del agua) y por el número de átomos de carbono que posee la molécula. * Por el grado de hidrólisis los glúcidos son: osas y ósidos - Osas; o también glúcidos no hidrolizables, son aquellos azúcares que no pueden ser descompuestos en otros carbohidratos más sencillos, estos son los monosacáridos. - Los monosacáridos a su vez pueden clasificarse en triosas si poseen tres átomos de carbono, su fórmula molecular general es: C3H6O3. - Las tetrosas presentarán cuatro átomos de carbono, según la siguiente fórmula general molecular: Unidad # 2: Biomoléculas - 20 - C4H8O4. Por su parte las pentosas con cinco átomos de carbono tendrán la fórmula molecular general como sigue: C5H10O5, entre las pentosas más importantes tenemos a la ribosa y la desoxirribosa cuya fórmula general molecular es C5H10O4, por que el prefijo “desoxi” indica que el compuesto ha perdido un átomo de oxígeno. Ambas pentosas forman parte del ARN y ADN respectivamente. - Las hexosas que presentan seis átomos de carbono tiene la fórmula general molecular: C6H12O6. Una de las más importantes hexosas es la glucosa. - La glucosa también denominada “azúcar de uva” o “azúcar de la sangre”. Es el único azúcar que es asimilable directamente por el organismo. Es componente indispensable de la sangre; en una persona sana la concentración de glucosa es de 1g/l de sangre. 6 6 5 4 3 2 1 CH2OH – CH – CHOH – CHOH – CHOH – CHOH O 5 1,2,3,4,6 – pentahidroxi – 1,5 – epoxihexano (estructura de Fischer) 4 1 3 2 Podemos comparar las dos fórmulas para ubicar la posición de cada carbono. La estructura molecular cíclica de la glucosa es la fórmula de Haworth, que se deriva de la fórmula del pirano cuya estructura consta de un ciclo con 6 carbonos, dos dobles enlaces y un átomo de oxígeno. - La glucosa es la fuente inmediata de energía de la célula. En la respiración celular, las células desdoblan los enlaces de la glucosa (oxidan) y liberan la energía, produciéndose 673 kcal, según la siguiente ecuación química: C6H12O6 (ac) + 6 O2 (g) 6 CO2(g) + 6 H2O(g) + energía. Glucosa - De esta energía (673 kcal), sólo un tercio se almacena e forma de ATP (adenosin trifosfato), energía que es utilizable por la célula para realizar sus funciones vitales; el resto de energía se desprende bajo la forma de calor. Luego, la glucosa es el combustible de la célula, su combustión completa proporciona 673 000 calorías. - La glucosa se obtiene de los frutos maduros como la uva, o la miel de abejas, etc. - Ósidos; son glúcidos que están formados estructuralmente dos o más monosacáridos, por lo que se pueden hidrolizar en azúcares más sencillos. Se dividen en disacáridos y polisacáridos - Los disacáridos más importantes son: a la sacarosa (azúcar común), que resulta de la unión de la glucosa con una fructuosa (ambas hexosas) , según la siguiente ecuación química: En la ecuación de la izquierda se aprecia que la fórmula molecular de la sacarosa es la suma de los Glucosa fructuosa sacarosa (azúcar común) átomos de la glucosa y fructuosa menos un mol de agua (H2O), esto por el enlace que une a ambos monosacáridos, donde la unión se realiza precisamente por pérdida de un mol de agua, a este enlace de unión entre glúcidos se denomina enlace glucosídico, como se puede apreciar en la ecuación que muestra las fórmula estructurales de ambos monosacáridos: C6H12O6 (ac) + C6H12O6 (ac) C12H22O11(ac) + H2O - Otro disacárido importante es la lactosa, o azúcar de leche, se encuentra en la leche de los mamíferos, es sintetizada por las glándulas mamarias a partir de la glucosa de la sangre. Se obtiene por evaporación del suero de la leche en la fabricación del queso; es un polvo incoloro, casi insípido. - la lactosa se forma por la unión de una glucosa más una galactosa, y es precisamente en el proceso digestivo que la lactosa se desdobla en estos dos monosacáridos por acción del jugo intestinal. - 21 - Lic. Carlos Miguel Oroza Valdez - Se le utiliza como diurético y como laxante suave. - Por último tenemos a la matosa o azúcar de malta, es un disacárido compuesto por dos moléculas de glucosa. Se produce por hidrólisis incompleta del almidón, glucógeno o dextrinas. - La matosa que producen los granos germinados se llama malta y se utiliza en la fabricación de cerveza. - Los polisacáridos son los carbohidratos más abundantes, este grupo azúcares está integrado por los almidones, glucógeno y celulosa. - Su característica principal es que son glúcidos de elevado peso molecular; pues resultan de la unión de “n” moléculas de monosacáridos con pérdida de “n” moléculas de agua, de acuerdo con la ecuación: n C6H12O6 (ac) - n H2O (l) [C6H10O5]n(ac) n monosacáridos n agua polisacáridos La ecuación muestra que la unión de varias moléculas de un monosacárido forma una molécula “gigante” lo que se denomina con mayor propiedad como macromolécula. Al proceso de unión se le llama polimerización; luego, la polimerización es el proceso por el cual varias moléculas pequeñas, llamadas monómeros, se unen y forman una molécula gigante llamada polímero. - El ejemplo más característico de polimerización es la unión de varias moléculas de glucosa para dar origen al almidón. - Los polisacáridos no son dulces, son insolubles en agua como la celulosa, o forman dispersiones coloidales como el almidón. - Como producto final de la fotosíntesis, los vegetales polimerizan la glucosa en dos variedades: una de reserva como el almidón, y otra de sostén como la celulosa. - El almidón (C6H10O5)n es el polisacárido propio de los vegetales junto con la celulosa. Se forma durante la fotosíntesis y se acumula en forma de gránulos de almidón dentro de la célula vegetal, en el interior de los cloroplastos. - El almidón es la forma principal de almacenamiento de alimentos de las plantas y constituye la reserva de energía más importante que poseen las plantas, especialmente los cereales como el trigo, arroz, maíz, etc., y los tubérculos como la papa, camote, yuca, etc. - En el esquema de abajo se presenta un fragmento de la estructura molecular del almidón: - La celulosa es un polisacárido también propio de los vegetales y es el carbohidrato más abundante en la naturaleza. Más del 50% de la materia orgánica total del mundo se celulosa. Así, la madera es casi un 50% de celulosa y el algodón es casi celulosa pura. - La celulosa es la molécula estructural más importante de las plantas. Forma los tejidos de sostén y conducción en los vegetales. - Las fibras de celulosa forman una envoltura externa que rodea a la célula vegetal, llamada pared celular o pared celulósica. Cuando la celulosa es joven, esta envoltura es flexible y se estira a medida que crece la célula, pero se vuelve más gruesa y más rígida cuando la celulosa madura. - La celulosa es un polímero de la glucosa, está formada por la condensación de alrededor de 100 000 moléculas de glucosa. - La celulosa es de color blanco, insoluble en el agua. Las fibras que recubren las semillas de algodón están compuestas por celulosa con más del 90% de pureza. - La estructura molecular de un fragmento de celulosa se puede apreciar a continuación: - 22 - Unidad # 2: Biomoléculas - El glucógeno o almidón animal es un polisacárido propio de los animales, la glucosa es almacenada especialmente en el hígado y los músculos; este polisacárido es muy ramificado y más soluble en el agua que el almidón vegetal. - Cuando hay exceso de glucosa en la sangre, el hígado forma glucógeno. Si la concentración de glucosa en la sangre disminuye, el páncreas envía a la sangre la hormona glucagón, la cual estimula al hígado para que desdoble el glucógeno a glucosa y pase a la sangre - Otros polisacáridos importantes son la quitina, que es el componente esencial del exoesqueleto de los artrópodos. En los crustáceos (camarón, etc.) se encuentra impregnada de de carbonato de calcio, lo cual aumenta su dureza. - La pectina se encuentra en la pared celular de los tejidos. Abundante en la manzana, ciruela, membrillo, pera, etc. - El agar – agar que se obtiene de las algas marinas rojas o rodofíceas. Se utiliza en microbiología para preparar medios de cultivos. - La goma arábiga, que se forma en los vegetales, sirve para cerrar las heridas de las plantas. - La condroitina, sustancia constitutiva de los cartílagos, huesos y tejido conjuntivo. * Por el grado número de átomos de carbono: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos ya estudiados. 2.3.2 Proteínas: Esta biomoléculas orgánicas se encuentran en los alimentos cárnicos (carnes en general), productos lácteos, y en menor cantidad en verduras y menestras, son fundamentales para el crecimiento y reparación de los tejidos, por lo que los alimentos que los contienen reciben el nombre de alimentos plásticos. a) Sinonimia: Denominados también prótidos b) Estructura molecular de los aminoácidos: Moléculas de elevado peso molecular, formados por también por S y P. Sus unidades estructurales son los aminoácidos. - Las proteínas tienen la siguiente estructura: Donde: NH2 – es el grupo amino; - COOH es el grupo carboxilo y Donde R es una radical orgánico (alquilo, arilo, etc) CHON, NH2 – CH – COOH R - En la materia viva sólo se utilizan 20 tipos distintos de aminoácidos para construir las proteínas, ya sea de una célula bacteriana, una célula vegetal o una célula animal. - Los 20 aminoácidos tienen propiedades diferentes debido a que el grupo R – que llevan también es diferente. De los 20 aminoácidos, 10 no pueden ser sintetizados a partir de otros aminoácidos, sobre todo en el organismo de los animales. Estos aminoácidos se denominan esenciales, los cuales debemos tomarlos de los alimentos. - Muchos de los aminoácidos esenciales abundan en la carne y en los productos lácteos, pero son escasos en las verduras, razón por la cual es necesario tomar una dieta balanceada. - En el siguiente cuadro presentamos los 20 aminoácidos fundamentales para la materia viva, consignando su nombre comercial (farmacéutico) y su abreviatura Lic. Carlos Miguel Oroza Valdez - 23 - NOMBRE DEL AMINOÁCIDO 1. Alanina 2. Arginina (*) 3. Asparagina 4. Ácido aspártico 5. Cisteína 6. Glutamina 7. Ácido glutámico 8. Glicocola o glicina 9. Histidina (*) 10. Isoleucina (*) ABREVIATURA Ala Arg Asn Asp Cys Gln Glu Gly His Ile NOMBRE DEL AMINOÁCIDO 11. Leucina (*) 12. Lisina (*) 13. Metionina (*) 14. Fenilalanina (*) 15. Prolina 16. Serina 17. Treonina (*) 18. Triptofano (*) 19. Tirosina 20. Valina (*) ABREVIATURA Leu Lys Met Fen Pro Ser Thr Trp Tyr Val Los aminoácidos esenciales que no se pueden sintetizar en el organismo están indicados por (*), los demás son aminoácidos no esenciales que si se sintetizan por medio del metabolismo. - Las estructuras de cada uno de estos aminoácidos son: 1. Alanina (Ala) 2. Arginina (Arg) 5. Cisteína (Cys) 9. Histidina (His) 13. Metionina (Met) 6. Glutamina (Gln) 3. Asparagina (Asn) 7. Ácido glutámico (Glu) 10. Isoleucina (Ile) 11. Leucina (Leu) 14. Fenilalanina 4. Ácido aspártico (Asp) 8. Glicina o glicocola (Gly) 12. Lisina (Lys) 15. Prolina (Pro) 16. Serina (Ser) Unidad # 2: Biomoléculas - 24 - 17. Treonina (Thr) 18. Triptofano (Trp) 19. Tirosina (Tyr) 20. Valina (Val) c) Estructura molecular de las proteínas: Las proteínas están formadas por largas cadenas de aminoácidos y presentan 4 estructuras: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria * Estructura primaria; es la secuencia de aminoácidos en una cadena polipeptídica. La secuencia de estos aminoácidos en la cadena polipeptídica está escrita en los genes y se transmiten de padres a hijos a través del ADN de los cromosomas. - Basta una pequeña alteración en la secuencia de los aminoácidos en la cadena polipeptídica de una proteína para que se transforme en otra diferente: luego, cada proteína tiene su estructura primaria propia. - La estructura primaria se caracteriza por que la macromolécula presenta una estructura que va a manera de cadena, donde cada aminoácido se enlaza uno a continuación del otro, tal como se muestra en los siguientes esquemas: Aminoácidos * Estructura secundaria; Es el enrollamiento de la cadena polipeptídica, formando dos tipos de estructura secundaria: hélice alfa y lámina plegada beta. Ambos tipos de estructura mantienen su forma, debido a los enlaces puente de hidrógeno que se establecen entre el oxígeno del grupo carboxilo (- COO –) de un aminoácido y el hidrógeno del grupo amino (- NH2) del otro aminoácido. - La hélice alfa () que aparece con mayor frecuencia en las proteínas, se asemeja a una escalera de caracol o a un resorte estirado. La hélice mantiene su forma gracias a los puentes de hidrógeno que se forman entre los aminoácidos de la misma cadena en las vueltas sucesivas de la espiral. - La hélice alfa es la forma estructural básica de las proteínas fibrosas, como las proteínas de la lana, pelo, piel, uñas y plumas. Son ejemplo de proteínas fibrosas: la queratina, la elastina, la seda, el colágeno, etc. La proteína fibrosa es elástica porque los puentes de hidrógeno se pueden romper y formar de nuevo una y otras vez. A esto se debe que el cabello se pueda estirar hasta cierto punto y luego regresa a su longitud original. Enlace puente de hidrógeno Aminoácidos - 25 - Lic. Carlos Miguel Oroza Valdez - La lámina beta () plegada, se caracteriza por que los puentes de hidrógeno se forman entre cadenas polipeptídicas distintas situadas lado a lado. - Cada cadena en zig –zag está extendida por completo y los puentes de hidrógeno entre las cadenas producen los pliegues de la lámina. Estructura secundaria tipo lámina beta () * Estructura terciaria; es de forma globular que toma la cadena polipeptídica. Esta son las proteínas globulares como las enzimas, anticuerpos y hormonas: luego, estas proteínas están en estructura terciaria. - La estructura terciaria de las proteínas depende de los distintos tipos de enlaces que se forma en la cadena: enlace de hidrógeno, atracción electrostática, enlace covalente como el enlace disulfuro (- S – S ) Hoja plegada Hélice alfa * Estructura cuaternaria; en este tipo de estructura las proteínas se componen de dos o más cadenas polipeptídicas llamadas subunidades. - Cada una de las cadenas polipeptídicas conservan su estructura primaria, secundaria y terciaria y, al unirse forman una molécula proteínica biológicamente activa. - La hemoglobina por ejemplo es una proteína portadora de oxígeno de la sangre, cuya estructura es globular de estructura cuaternaria, consta de 574 aminoácidos dispuestos en cuatro cadenas polipeptídicas, cada una unida por un grupo hemo, que contiene hierro. - Cada una de estas cuatro subunidades por separado, poseen la capacidad para absorber el oxígeno en los pulmones, pero son incapaces de soltarlo en los tejidos (células). En cambio, cuando las cuatro subunidades están unidas, la hemoglobina posee una alta afinidad por el oxígeno en los pulmones y lo suelta con facilidad en los tejidos (células). - Por lo tanto, la unión de subunidades para formar una estructura cuaternaria tiene un carácter funcional. Unidad # 2: Biomoléculas - 26 - d) Ubicación: En tejidos musculares, cartílagos, fluidos articulares, fibras, etc. e) Características: Presenta las siguientes: * Alta especificidad = cada individuo posee sus propias proteínas (rechazo de órganos trasplantados) * Solubilidad = en contacto con el agua se hidratan, recobrando su flexibilidad, sobre todo cuando adoptan una conformación globular, permiten la hidratación de los tejidos. * Desnaturalización = se degrada en sustancias más pequeñas (putrefacción de los tejidos musculares), como consecuencia de la ruptura de enlaces y liberación de los aminoácidos. Los factores que intervienen para desnaturalizar una proteína son: la temperatura, el pH, la humedad, etc. f) Función fisiológica: en el organismo de los seres vivos realizan las siguientes funciones: * Función biocatalizadora, acelerando las reacciones químicas o bioquímicas * Función hormonal, las proteínas integran la estructura molecular de una gran variedad de hormonas, como es el caso de la insulina, el glucacón, hormona del crecimiento, calcitonina, etc. * Función estructural, forman parte de los cromosomas, epidermis y tejido muscular. * Función defensiva, produciendo anticuerpos para contra restar el ataque de agentes patógenos * Función de transporte y de reserva, ayudando a transportar sustancias nutritivas como de desecho y almacenando sustancias que se utilizan en caso de emergencia. * También realiza las funciones reguladora, motora y homeostática g) Clasificación: En el siguiente cuadro se presenta la clasificación de las proteínas por su estructura molecular Solubles, alargadas y en forma de hilo, se juntan CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS Formadas sólo por aminoácidos Proteínas fibrosas Holo proteínas Se divide en: Queratina En formaciones epidérmicas (pelos, uñas, cuernos, plumas, etc. Colágeno Forma parte de los cartílagos Elastinas Forman los tendones y vasos sanguíneos Fibroínas Constituyen los hilos de seda, telas de araña, etc. Ovoalbúmina (proteína de la clara) Hordeína (constituye la cebada) Proteínas globulares Lactoalbúmina (en la leche) Insulina, prolactina, hormona, del crecimiento, hidrolasas y oxidasas Lic. Carlos Miguel Oroza Valdez CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS - 27 - Heteroproteínas Glucoproteínas Forman parte de las proteínas inmunológicas, denominadas inmunoglobulinas que constituyen los anticuerpos, y se encuentran en la sangre, cuya función es la de anular o neutralizar la acción de los agentes patógenos Lipoproteínas Tienen como función principal transportar lípidos a la sangre, para la elaboración de sustancias como el colesterol y similares. Nucleoproteínas Forman parte de la estructura de organelos celulares, como por ejemplo: cromosomas, ribosomas, etc. Cromoproteínas Este tipo de proteínas se especializan en el transporte de oxígeno molecular a través de la sangre, así como del dióxido de carbono. Las principales son: la hemoglobina, hemocianina, mioglobina, el transporte de electrones en el caso de citocromos. Tipos Formadas por fracción proteínica y un grupo no proteínico llamado prostético 2.3.3 Lípidos: Son compuestos orgánicos formados por carbono (C), hidrógeno (H), y oxígeno (O); como bioelementos fundamentales, pero también pueden contener fósforo ( P), y azufre (S). a) Sinonimia: Conocidos también con el nombre de grasas o glicéridos. El nombre de glicérido es por la combinación de los ácidos grasos con la glicerina o propano triol CH2OH – CHOH – CH2OH La palabra lípido proviene de la voz griega lipos = grasa y eidos = forma. b) Estructura molecular: Los lípidos están integrados por una serie de compuestos químicos muy heterogéneos con pocas características comunes, pero que sin embargo pueden distinguirse dos partes fundamentales, una parte que proviene del resto de un ácido carboxílico R – CO- y otra que proviene de un alcohol O –R - Formados fundamentalmente por CHO y además por PNS. Estructuralmente los lípidos son derivados de los esteres (compuestos que se obtiene haciendo reaccionar un ácido carboxílico más un alcohol). R – CO.O –R - La fórmula estructural de un éster es: A la reacción entre un ácido carboxílico y un alcohol es el denomina reacción de esterificación, tal como se puede apreciar en la siguiente ecuación química de la derecha: C17H35 – COO – CH2 C17H35 – COO – CH C17H35 – COO – CH2 R – COOH + R – OH R – CO.O – R + H2O Ácido carboxílico Alcohol agua parte ácida parte alcohólica Ester La estructura molecular de la izquierda muestra los tres grupos octadecanoatos unidos al grupo glicerilo o gliceril C3H5 – este tipo de compuesto cuya fórmula semidesarrollada es: (C17H35 – COO)3 C3H5 se obtiene por la reacción de tres moles del ácido carboxílico octadecanoico y el alcohol poliol glicerina (propano triol) c) Características de los lípidos: presentan las siguientes propiedades; - No son solubles en el agua, por su naturaleza no polar y su menor densidad que el agua. - Son solubles en disolventes orgánicos como éter, acetona, cloroformo, alcoholes con cuatro o más átomos de carbono, sulfuro de carbono, gasolina y todo compuesto de naturaleza no polar. - Son malos conductores del calor y de la electricidad, pero son buenos aislantes térmicos. - Dejan una mancha traslúcida en el papel. - 28 - Unidad # 2: Biomoléculas d) Función fisiológica: En el organismo animal los lípidos o grasas desempeñan las siguientes funciones: - Los lípidos como los fosfolípidos y el colesterol constituyen los elementos fundamentales de la membrana celular y de los organelos citoplasmáticos. - En el caso de los fosfolípidos forman la estructura de las membranas celulares: plasmalema y mitocondrial, del retículo endoplasmático y vacuolares y bactrianas. Por esta razón se dice que las membranas en la célula son de naturaleza lipoproteica. - Son fuente de energía, pues constituyen el combustible de reserva del organismo. Un gramo de grasa produce 9.3 kcal/g en las reacciones metabólicas de oxidación (combustión). - Las grasas constituyen la fuente de más alta concentración de energía en los organismos vivos. Son alimentos energéticos por excelencia. - En los animales, las grasas forman gruesas capas bajo la piel (panículo adiposo), las cuales constituyen energía de reserva y son al mismo tiempo reguladores de la temperatura corporal por la propiedad aislante que posee. - Cumplen una función protectora de las paredes celulares: las ceras protegen las hojas y frutos de las plantas superiores. La piel, pelaje, y plumaje de los vertebrados están protegidos y lubricados por una secreción grasa. e) Clasificación: Los lípidos se clasifican en dos grandes grupos; los saponificables que son aquellos que pueden descomponerse en sales orgánicas (formación de jabones) y los insaponificables que no pueden ser descompuestos. * Lípidos saponificables; también denominados complejos, tiene la capacidad de formar sales orgánicas (jabones) en medio alcalino. Este tipo de lípidos a su vez se divide en hololípidos y heterolípidos. - Los hololípidos están estructuralmente formados por un ácido graso más un alcohol (ésteres), de allí que se pueden descomponer en hidrólisis ácida y básica. Estos hololípidos pueden ser: grasas neutras, que son muy abundantes y son almacenados en el tejido adiposo dentro de los adipocitos. - El otro tipo de hololípidos son las ceras, compuestos sólidos a temperatura ambiente, sirven de cubierta protectora en la piel, pelos y plumas y en el exoesqueleto de los insectos. - Los heterolípidos, formados ácido graso más alcohol y otros compuestos, pueden ser de dos clases: fosfolípidos que como ya se vio forman las membranas celulares, y los esfingolípidos que forman las ceramidas. * Lípidos no saponificables; son las grasas de estructuras simples que no pueden formar jabones. Se clasifican en tres grupos: esteroides, terpenos y prostaglandinas. - Los esteroides como en el caso del colesterol, vitamina D, sales biliares y hormonas como las suprarrenales y sexuales; los terpenos, que se clasifican en: esencias vegetales (mentol, geraniol, limonero, alcanfor, esencia de vainilla, etc.), vitaminas A, E y K; pigmentos vegetales: clorofila, xantofila. Las prostaglandinas que regulan la coagulación de la sangre y cierran las heridas. Cumplen un papel de defensa contra las infecciones. 2.4. Biocatalizadores.Sustancias orgánicas que controlan la velocidad de las reacciones químicas a nivel celular (reacciones bioquímicas). 2.4.1 Clasificación: Los biocatalizadores se clasifican en; enzimas, hormonas, vitaminas y ergomoléculas. 2.4.2 Enzimas: a) Definición: sustancias que se encargan de descomponer específicamente a otros compuestos denominados sustratos. Son catalizadores (ayudan a que una reacción química se realice pero no intervienen en ella y si lo hacen se regeneran). b) Nomenclatura: Se le reconoce ya que por lo general su nombre termina en “asa”. - Las principales enzimas: lipasa, actúa sobre los lípidos y demás sustancias grasas; proteasa, descompone a las proteínas o prótidos en sus unidades estructurales que son los aminoácidos; maltasa, actúa sobre un tipo específico de azúcar como es la malta; lactasa, desdobla la lactosa que es la proteína principal de la leche; deshidrogenasa, separa el hidrógeno molecular del sustrato; peroxidasa, descompone a los peróxidos en óxidos liberando el oxígeno molecular. c) Acción enzimática: Las enzimas presentan la siguiente reacción química en dos etapas consecutivas: Primera etapa: Enzima + sustrato complejo enzima-sustrato Segunda etapa: Complejo enzima sustrato producto(s) + enzima - 29 - Lic. Carlos Miguel Oroza Valdez - Este proceso se puede entender mejor si cada etapa se grafica de la siguiente forma: Primera etapa: Segunda etapa: - Actualmente se conoce dos modelos básicos para explicar la acción enzimática: llave – cerradura y encaje inducido. * Modelo llave – cerradura: En este modelo el sitio activo se ajusta exactamente a la molécula del sustrato, de una manera muy semejante a como una llave se ajusta a una cerradura. - Investigaciones posteriores revelan que este modelo no es válido para todas las enzimas; luego, surge el modelo encaje inducido. *Modelo encaje inducido: Denominado también ajuste inducido, en algunas enzimas el sitio activo no sea ajusta exactamente al sustrato. En este caso, el sitio activo de la enzima se acomoda a la forma del sustrato para permitir que la reacción se lleve a cabo, en forma más eficiente. - Ocurre algo semejante a lo que sucede con nuestra mano (sustrato) que se desliza dentro de un guante (enzima): El guante se acomoda a la forma de la mano. A continuación se ve las dos acciones enzimáticas de los dos modelos tratados líneas arriba: d) Clases de enzimas: Las enzimas se clasifican de acuerdo a dos criterios; por su composición molecular y por su forma. *Según su composición molecular; se distinguen dos tipos de enzimas: - Las enzimas simples, formadas sólo por aminoácidos - Las enzimas conjugadas, o también llamadas holoenzimas; formadas por una parte proteica y otra no proteica. La parte proteínica se llama apoenzima y la parte no proteínica cofactor, coenzima o también grupo prostético. Apoenzima + Grupo prostético Holoenzima - La parte no proteínica o grupo prostético no sufre cambios durante las reacciones. Las coenzimas de muchas enzimas están formada por vitaminas como la B1, B2, B6, y K. También pueden estar formadas por iones metálicos: Zn+2 , Cu+2 , Fe+2 , Na+ , K+ , Mg+2 , etc. - 30 - Unidad # 2: Biomoléculas * Según su función química; las enzimas pueden ser oxidorreductasas y e hidrolasas. - Las enzimas oxidorreductasas catalizan las reacciones de óxido – reducción (redox), entre las más importantes tenemos a las desidrogenasas, las cuales separan el hidrógeno molecular del sustrato. Son oxidantes, como la coenzima NAD (nicotina adenina dinucleótido), NADP y FAD, etc. - Las oxidasas son enzimas que captan electrones del sustrato y los transfieren al oxígeno- Para ello primero se reducen y luego se oxidan. - Las hidrolasas, son enzimas que actúan rompiendo enlaces mediante la acción del agua. Son importantes las estearasas, que actúan sobre los ésteres (grasas), como la lipasa, fosfolipasas, nucleasas, etc.: las proteasas actúan sobre los prótidos, como la pepsina, tripsina, etc., que degradan las proteínas y originan los aminoácidos libres. Las carbohidrasas, como la amilasa, la lactasa, la sacarasa y la maltasa. - Además, existen las liasas, isomerasas, las transferarsas, transaminasas, etc. e) Funciones de las enzimas: Las enzimas cumplen dos funciones importantes: - Actúan como catalizadores en las células, es decir, aceleran las reacciones químicas que se producen en la célula disminuyendo la energía de activación. - Controlan la velocidad a la que ocurre la reacción, para que la energía se libere lentamente y no en forma explosiva. De esta manera las enzimas permiten que las reacciones ocurran a temperaturas que no hagan daño al organismo, por ejemplo a 37 oC en el ser humano. Luego: las miles de reacciones que constituyen el metabolismo de los seres vivientes, están bajo el control de miles de enzimas. 2.4.3 Hormonas: a) Definición: Las hormonas son sustancias químicas (que pertenecen a diferentes funciones químicas) que regulan y controlan los procesos biológicos. b) Producción de hormonas: Las hormonas son producidas por las glándulas endocrinas desde allí son descargadas al torrente sanguíneo, actúan como mensajeros químicos que dan la señal para que ocurran cambios profundos en otras partes del cuerpo. c) Acción fisiológica de las hormonas: Las hormonas hacen que las reacciones se aceleren o se frenen, controlando el metabolismo, la reproducción, el crecimiento, la coordinación nerviosa, las defensas del organismo (sistema inmunológico), e influyen en el comportamiento y la psiquis del ser humano. - Tanto las hormonas vegetales como animales se caracterizan por que actúan a cierta distancia del lugar donde han sido producidas, por esta razón las células situadas en una parte del cuerpo pueden ejercer influencia sobre las células de otra parte del cuerpo a través de las hormonas. Las hormonas son los mensajeros químicos que regulan las funciones de los órganos del ser vivo. d) Clasificación de las hormonas: Las hormonas que clasifican en dos tipos fundamentales; las vegetales y la animales. * Hormonas vegetales; denominadas también fitohormonas, son sustancias orgánicas naturales producidas por células de los meristemos apicales de la raíz y del tallo. Las plantas no tienen glándulas que secreten hormonas. - Entre las hormonas vegetales tenemos a las auxinas, que regulan el crecimiento de la planta y se forman en las partes apicales de la misma. - Las auxinas, que regulan el crecimiento de la planta - Las giberelinas, que determinan el crecimiento excesivo del tallo y la germinación de la semilla. - Las citocininas, que incrementan el ritmo del crecimiento celular y determinan la transformación de unas células vegetales en otras. * Hormonas animales; son producidas por las glándulas endocrinas y vertidas directamente al torrente sanguíneo donde se dirigen al órgano específico donde realizan su acción. Las hormonas trabajan juntas para regular las funciones corporales y llevar a cabo la homeostasia de equilibrio del medio corporal interno - A continuación se presenta un cuadro de los tipos de hormonas animales Hormona Vasopresina Adrenocorticotropa corticotropina o corticotrofina (ACTH) Glándula que la produce Hipófisis Hipófisis Acción fisiológica Trastorno por su carencia De acción antidiurética, controla el exceso de pérdida de agua en el organismo. Se utiliza en el tratamiento de la enuresis nocturna. Estimula las zonas de la corteza suprarrenal, donde se secretan los glucocorticoides (cortisol y cortisona) Enuresis nocturna: micciones incontroladas más allá del control vesical (4 a 5 años como edad máxima) Origina la enfermedad de Addison (debilidad general, irritabilidad gástrica, cambio de coloración en la piel b) Las hormonas; sustancias que regulan la actividad metabólica del organismo. Se clasifican en hormonas vegetales y hormonas animales. c) Vitaminas; regulan el funcionamiento interno del organismo, activan el sistema inmunológico. Se clasifican en vitaminas hidrosolubles (solubles en agua) y liposolubles (solubles en grasas). d) Ergomoléculas; se caracterizan por almacenar y suministrar energía a la célula, las más importantes son: el ATP, que es el adenosín trifosfato, y la NAD, que es la nicotinamida adenina dinucleótido. NOTA; Estructuras importantes de biomoléculas inorgánicas son: Alanina oooo Fosfatasa humana …..
