Bioquímica

BIOQUÍMICA
AGUA Y SALES
MINERALES
ESTUDIO DE LOS SERES VIVOS A NIVEL MOLECULAR. NOCIONES
DE BIOQUÍMICA.
Los seres vivos están formados por moléculas químicas, llamadas principios inmediatos.
Reciben este nombre porque pueden ser separados de la materia por procedimientos
puramente físicos.
Los principios inmediatos inorgánicos son: el agua y las sales minerales.
Los principios inmediatos orgánicos son: los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los
ácidos nucleicos.
EL AGUA
Es un disolvente universal, que permite que se lleven a cabo en ella todas las
reacciones que se dan en los seres vivos y por lo tanto todos los procesos vitales.
Por esta razón tanto los líquidos intracelulares (que se encuentran en el interior de las
células), como los extracelulares (que rodean a las células), son disoluciones acuosas. Una
elevada proporción de los seres vivos es agua. En los primates, entre los que nos incluimos, la
proporción es de un 70 %. En organismos acuáticos, como las medusas puede llegar a ser un
90 % y en semillas en estado de latencia es solo del 10 %.
Además de ser un disolvente universal, el agua cumple otras muchas funciones, entre
otras destaca que es también un buen regulador térmico. Es menos densa en estado sólido
y ello preserva los ecosistemas acuáticos al flotar el hielo y permitir que la vida se desarrolle
por debajo. El agua tiene su máxima densidad a 4º C.
LAS SALES MINERALES
Son sustancias inorgánicas como cloruros, fosfatos, carbonatos y sulfatos de Na, K, Ca
y Mg. En los seres vivos pueden hallarse como sales precipitadas o más frecuentemente se
encuentran en disolución disociadas en aniones y cationes.
Aniones: Cl-, HPO4=, H2PO4-, HCO3-, SO4=
Cationes: Na+, K+, Ca2+, Mg2+
Las sales minerales cumplen varias funciones en los seres vivos:
1. Algunos cationes como el Na+, K+, Ca2+ son imprescindibles para el correcto
funcionamiento de los sistemas nervioso y muscular.
2. Son reguladoras del pH, puesto que los aniones tienden a captar protones y
disminuyen por lo tanto en pH.
Recordad que un ácido es toda sustancia capaz de ceder protones (H+) al medio. La
acidez de un medio se cuantifica con el pH o presión de hidrógeno, que nos indica
en una escala logarítmica la cantidad de protones (H+) que hay en el medio. El pH se
define como:
pH= -log [H+]
Se mide en una escala que va de 1 a 14.
Un medio es ácido si el pH está comprendido entre 1 y 6,9. Tiene exceso de
protones. Un medio es neutro si tiene un el pH de 7. Un medio es básico o
alcalino si el pH está comprendido entre 7,1 y 14. Tiene déficit de protones.
3. Las sales son también componentes estructurales de los seres vivos. Por ejemplo,
los fosfatos de calcio forman parte de los huesos de los vertebrados. Se encuentran
en alimentos ricos en calcio como los productos lácteos (leche, yoghurt, queso
etc.). El carbonato cálcico CaCO3, forma el exoesqueleto de muchos invertebrados
como corales y foraminíferos.
GLÚCIDOS
LOS GLÚCIDOS (Glycos=dulce)
Son principios inmediatos orgánicos formados por C, H y O. Reciben también el
nombre de hidratos de carbono, porque tienen el H y el O en la misma proporción que el
agua.
Desde el punto de vista químico, los glúcidos poseen varios grupos OH (alcohol) y un
grupo –C=O (carbonilo), que puede ser aldehido o cetona.
grupo carbonilo
H-C=O (CHO)
CO
CH2OH
Existen tres tipos
de glúcidos:
| principales
|
|
C=O
|
Aldehido
Cetona
grupo alcohol C-OH
|
- C-O-H
|
Existen tres tipos principales de glúcidos:
1. Monosacáridos. Son los glúcidos más sencillos, de menor Pm. Sus moléculas no
son hidrolizables. La hidrólisis (hidros=agua, lisis=ruptura) es una reacción que
produce la ruptura de las moléculas incorporando una molécula de agua. Se dan
reacciones de hidrólisis en el aparato digestivo para descomponer las moléculas de
gran tamaño en moléculas de pequeño peso molecular. Los monosacáridos pueden
tener de 3 a 6 carbonos, los más frecuentes tienen 5 ó 6 carbonos y reciben el
nombre de pentosas y hexosas.
Monosacáridos más importantes:
Ribosa, forma parte del RNA
o ácido ribonucleico. C5H10O5
Desoxirribosa, forma parte del
DNA o ácido desoxirribonucleico. C5H10O4
Glucosa C6H12O6
Galactosa C6H12O6
Fructosa C6H12O6
Los monosacáridos son de color blanco, de sabor dulce, fácilmente
cristalizables y solubles en agua.
2. Disacáridos (di=dos). Están formados por dos monosacáridos. Por hidrólisis, por lo tanto,
originan dos monosacáridos. Los más importantes son:
Maltosa (glu + glu): formada por dos moléculas de glucosa. Es el azúcar de malta y
se obtiene también por hidrólisis del glucógeno y del almidón.
Lactosa (gal + glu): formada por una molécula de galactosa y una de glucosa. Es el
azúcar de la leche y no existe en ninguna otra fuente natural.
Sacarosa (glu + fruc): está formada por una molécula de glucosa y otra de fructosa.
Es el azúcar de caña o de remolacha que consumimos habitualmente (azúcar de mesa).
Los disacáridos son también de color blanco, de sabor dulce, fácilmente cristalizables
y solubles en agua. Los que hemos vista tienen por formula bruta (no desarrollada)
C12H22O11, es decir dos hexosas sumadas menos una molécula de agua.
Reconoce los siguientes
disacáridos.
Glucosa
Maltosa
Fructosa
Lactosa
Sacarosa
3. Polisacáridos (poli=muchos). Están formados por muchos monosacáridos. Por hidrólisis,
por lo tanto, originan muchos monosacáridos. Los más importantes son:
Almidón (glu +glu + glu +glu +glu...): formado por muchas moléculas de glucosa.
Es la reserva de glucosa en los vegetales. Como sabemos, durante a fotosíntesis las plantas
sintetizan glucosa, que después se polimeriza a almidón. Es decir, el almidón es el
producto final de la fotosíntesis:
Reacción global de la fotosíntesis
oxígeno
o función clorofílica.
(cloroplastos)
6 CO2 + 6 H2 O + energía solar ? C6H12O6 + 6 O2
dióxido
de carbono
agua
glucosa
?
almidón
Los polisacáridos de origen vegetal abundan en las harinas y féculas de cereales
(trigo, cebada, centeno, maíz...), legumbres (garbanzos, alubias, lentejas...), frutos secos
(nueces, avellanas, almendras, castañas...) etc. Son también de color blanco, pero no son
solubles en agua (forman únicamente disoluciones coloidales) y no cristalizan con
facilidad.
Gránulos de almidón de patata teñidos
con Lugol (I3-) al MO. x 400
Fotografía: G. Álvarez
Glucógeno (glu +glu + glu +glu +glu...): formado también por muchas moléculas de
glucosa. Es la reserva de glucosa en los animales. Se encuentra sobre todo en el hígado y
en los músculos.
Celulosa (glu +glu + glu +glu +glu...): está formada también por muchas moléculas
de glucosa. Es un polisacárido estructural que constituye la pared de las células vegetales,
que rodea a la membrana plasmática. El hombre no puede digerir la celulosa y constituye
juntos con otros componentes la fibra dietética. Como no se puede digerir estimula los
movimientos intestinales a la vez que retiene agua. Por ello tienen una función laxante, es
decir, favorece la evacuación de las heces y evita el estreñimiento. Los rumiantes
(herbívoros) si pueden digerir la celulosa gracias a las celulasas que fabrican bacterias
que viven en simbiosis en su aparato digestivo (rumen).
Astringente: que estriñe.
Laxante: que favorece la evacuación de las heces.
Herbívoro: se escribe la primera con “b” porque viene de “hierba” y la segunda con
“v” del verbo “devorar”.
HERBÍVORO
¡Se escribe con H, la
primera con “b”(de
Hierba) y la segunda
con “v”.
Cilindro central de
RAÍZ
Parénquima
cortical
Celulosa
impregnada
de lignina
Periciclo
Endodermis
Celulosa
formando
la pared
Xilema
Floema
Función de los glúcidos:
- Función energética: los monosacáridos producen energía cuando se oxidan
hasta H2O y dióxido de carbono CO2.
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energía (32 moléculas de ATP).
Glucosa
oxígeno
dióxido
de carbono
agua
Reacción de la
respiración.
(citoplasmas y mitocondrias)
- Función estructural: la ribosa (que forma parte del RNA), la desoxirribosa
(que forma parte del DNA) y la celulosa (que forma la pared de las células
vegetales), poseen esta función.
- Función de reserva de energía: cumplen esta función los disacáridos y sobre
todo los polisacáridos como por ejemplo el almidón y el glucógeno, que son
reserva de glucosa. El almidón es la reserva de glucosa en los vegetales y el
glucógeno es la reserva de glucosa en los animales.
LÍPIDOS
LOS LÍPIDOS
Son principios inmediatos orgánicos de composición química heterogénea que tienen en
común el ser insolubles en agua y solubles en sustancias orgánicas como cloroformo, éter,
alcohol etc. Los grupos más importantes son:
Grasas: pueden ser de origen animal o de origen vegetal. En los animales constituyen el
tejido adiposo, formado por adipocitos, que contienen en el citoplasma una gran gota de
grasa.
Las grasas de origen animal contienen ácidos grasos saturados, sin dobles enlaces
carbono-carbono y son sólidas a temperatura ambiente. Reciben el nombre se sebos, manteca,
tocinos, mantequilla.
Ejemplo de ácido graso saturado: CH3-(CH2)14-COOH ácido palmítico. P. fusión: 63,1 º C
Las grasas de origen vegetal son líquidas a temperatura ambiente porque contienen
ácidos grasos insaturados, con dobles enlaces carbono-carbono. Reciben el nombre de aceites.
Ejemplo de ácido graso insaturado: CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH ácido oleico.
La función de las grasas es la de reserva de energía. También cumplen funciones de
aislamiento térmico y protección.
P. Fusión del ácido oleico: 13,1 º C
EPA (ácido eicosapentaenoico, 20 C) y
DHA (ácido docosahexanoico, 22 C)
Fosfolípidos: son lípidos que tienen en su molécula una molécula incorporada de H 3PO4 o
ácido fosfórico. También tienen ácidos grasos*.
Son muy importantes, porque junto con las proteínas forman las membranas celulares,
tanto la membrana plasmática de la célula como las membranas de los distintos orgánulos (de
células animales y vegetales).
Es decir, las membranas celulares son de naturaleza lipoproteica.
Recordad:
Estructura al MO. No se ve.
Estructura al ME. Modelos moleculares: Modelos de Danielli y Dawson y Singer y Nicolson.
Imagen trilaminar de la membrana
Modelo de Singer y Nicolson
27
Esteroides: son un grupo de lípidos de composición muy diferente a los anteriores,
químicamente son derivados del anillo esteroideo.
Pertenecen a este grupo algunos lípidos de la membrana plasmática de las células
como el colesterol.
También pertenecen a este grupo la Vitamina D(1) (antirraquítica) y algunas
hormonas, como las hormonas(2) sexuales segregadas por las gónadas (ovarios y
testículos) y las hormonas de la corteza de las glándulas suprarrenales (glándulas que
se encuentran encima de los riñones).
(1) Buscad la función, las características y las fuentes de las Vitaminas A, B1, C, D, K, E. Escribir tres o cuatro líneas de
cada una de ellas y estudiadlas.
(2) Una hormona es una sustancia segregada por glándulas del organismo, llamadas glándulas de secreción interna o
endocrinas, que vierten sus productos al líquido extracelular y de ahí son recogidas por la sangre y repartidas por
todo el organismo. Ejercen su función sobre determinadas células del organismo, que modifican su metabolismo
por acción de la hormona.
Disminución
del
calibre de los vasos
sanguíneos por acúmulo de placas grasas
(ateromas). Ello lleva
a aumento de la presión
arterial y a la disminución del riego
sanguíneo
en
los
tejidos, lo que origina
enfermedades
y
accidentes
cardiovasculares.
ABSORBER
¡Se escribe con dos
“b”!
Debido
¡También se escribe
con “b”!
Terpenos: son un grupo de lípidos muy diferente de los anteriores, con distinta estructura
química. Pertenecen a este grupo algunos pigmentos vegetales, como los carotenos
(pigmentos anaranjados de las plantas) y las xantofilas (pigmentos amarillos de las
plantas).
También pertenecen a este las vitaminas A, K y E.
White rice and golden rice
Golden rice India
Pantano de Eugui (Navarra)
23-octubre-2004
Mutilva Baja
24-octubre 2004
Liquidambar styraciflua
LAS PROTEÍNAS
Son principios inmediatos orgánicos formados por C, O, H y N. Casi todas contienen
también S.
Químicamente todas las proteínas están formadas por unas moléculas de pequeño peso
molecular que reciben el nombre de aminoácidos (a.a.). La formula general de un aminoácido
es:
NH2
R es H para la glicina
|
R-C-COOH
R es CH3 para la alanina
|
H
Existen un total de 20 a.a. que forman todas las proteínas de todos los seres vivos. Cada
proteína se diferencia de las otras por el número, el tipo y el orden de los a.a. que la forman.
Las proteínas suelen tener un gran peso molecular, son macromoléculas. Se consideran
proteínas si tienen un Pm mayor que 10000 o un número de a.a. mayor que 100. Si una
cadena de a.a tiene un Pm<10000 o un nº de a.a.<100 recibe el nombre de péptido.
Las propiedades de las proteínas dependen de su forma espacial, es decir de cómo se
pliegue en el espacio la cadena de a.a. La forma más estable posible recibe el nombre de
conformación nativa. La pérdida de esta conformación se llama desnaturalización y ocasiona
la pérdida de las propiedades de la proteína.
-
-
En general, por su forma, existen dos grandes grupos de proteínas:
Proteínas fibrosas, de forma alargada. Por ejemplo, es una proteína fibrosa la queratina,
proteína animal que forma el pelo, las uñas, la epidermis de la piel, las pezuñas, las
cornamentas etc.).
Proteínas globulares, de forma redondeada. Por ejemplo: la hemoglobina, las
inmunoglobulinas.
Funciones de las proteínas
Las proteínas cumplen una gran cantidad de funciones, entre las que destacan las
siguientes:
- Enzimas. En los seres vivos se dan una gran cantidad de reacciones bioquímicas, cuyo
resultado es la formación, el desarrollo y el crecimiento de cada individuo. El conjunto de
estas reacciones recibe el nombre de metabolismo. Todas las reacciones que se dan en los
seres vivos son posibles a que cada una de ellas está catalizada por una proteína
enzimática (enzima). Un catalizador es una molécula que aumenta la velocidad de
reacción, pero en el caso de los seres vivos se puede decir que el enzima hace posible la
reacción, ya que sin las proteínas enzimáticas la velocidad de reacción sería tan pequeña
que la vida no sería posible.
De modo que todo lo que es un ser vivo (todos los caracteres que presenta) es el
resultado de la actuación de las proteínas enzimáticas que posea. A su vez esas proteínas
enzimáticas se sintetizan siguiendo las instrucciones contenidas en el DNA, es decir, el
DNA dicta el tipo, el orden y el número de a.a. que debe tener una determinada
proteína. Por ello, los genes determinan los caracteres de un ser vivo.
- Elementos estructurales. Muchas proteínas forman parte de la célula o de los líquidos
extracelulares. Son proteínas estructurales las proteínas de la membrana (recordad que
las membranas celulares son de naturaleza lipoproteica). Son también proteínas
estructurales la queratina, el colágeno y la elastina.
Anticuerpos (Ac). Los vertebrados saben reconocer como extrañas distintas sustancias
ajenas al organismo. Estas sustancias pueden ser inorgánicas o bien pertenecer a otro ser
vivo, es decir, pueden ser tipo de molécula. Reciben el nombre de Antígenos (Ag). Se
define un antígeno como una sustancia que introducida en un organismo da lugar a la
síntesis de Anticuerpos.
Es decir, cuando un antígeno penetra en el interior de un ser vivo, éste reacciona
formando anticuerpos, sustancias de naturaleza proteica capaces de reaccionar con el
antígeno y neutralizarlo. Todos los anticuerpos son proteínas y reciben también el nombre
de Inmunoglobulinas.
Las Inmunoglobulinas son fabricadas por las células plasmáticas, que se forman
por maduración de linfocitos.
- Hormonas. Ya sabemos que las hormonas son segregadas por glándulas de secreción
interna o endocrinas, son vertidas al líquido extracelular y son recogidas por la sangre que
las reparte por todo el organismo. Muchas hormonas son de naturaleza proteica, como por
ejemplo la insulina que disminuye el nivel de glucosa en sangre (es hipoglucemiante).
-
ÁCIDOS
NUCLEICOS
LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
Reciben este nombre porque se descubrieron en el núcleo de la célula eucariótica
(células con verdadero núcleo).
Desde el punto de vista químico los ácidos nucleicos son moléculas de gran peso
molecular (macromoléculas), que están formadas por una sucesión de nucleótidos. Cada
nucleótido está formado a su vez por:
- Un azúcar monosacárido que puede ser ribosa para el RNA o desoxirribosa para el
DNA.
RIBOSA
DESOXIRRIBOSA
- Una molécula de ácido fosfórico H3 PO4.
- Una base orgánica nitrogenada que puede ser Adenina (A), Timina (T), Guanina (G),
citosina (C) y Uracilo (U). La timina solo se encuentra en el DNA y el uracilo solo se
encuentra en el RNA.
Los nucleótidos se unen para formal los ácidos nucleicos de la siguiente manera:
Los nucleótidos se unen para formal los ácidos nucleicos de la siguiente manera:
DNA
H3PO4
RNA
H3PO4
Desoxirribosa-A= T-Desoxirribosa
H3PO4
H3PO4
Desoxirribosa-T= A-Desoxirribosa
H3PO4
H3PO4
Desoxirribosa-G= C-Desoxirribosa
H3PO4
H3PO4
Desoxirribosa-C= G-Desoxirribosa
H3 PO4
Ribosa-A
H3 PO4
Ribosa-U
H3 PO4
Ribosa-G
H3 PO4
Ribosa-C
Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el DNA ó ácido desoxirribonucleico y el RNA o
ácido ribonucleico.
El DNA se encuentra siempre en el núcleo y no sale de él. Químicamente tiene
desoxirribosa y sus bases son, como acabamos de ver A, T, G y C. Además el DNA es una
molécula doble, constituida por dos hebras o cadenas de polidesoxirribonucleótidos que se
unen por medio de sus bases, que se enfrentan en el interior de la molécula, la A con la T y la
G con la C. Esas dos hebras o cadenas se enrollan hacia la derecha y forman la doble hélice de
DNA cuyo descubrimiento les sirvió a Watson y Crik para obtener el premio Nobel en 1953.
Cuando la célula está en reposo (no se divide), el DNA se encuentra en forma de una
masa de filamentos enmarañados, en el interior del núcleo, que junto con proteínas recibe el
nombre de cromatina.
Cuando la célula se divide, ese material hereditario, el DNA y las proteínas (la
cromatina) se organiza en unos cuerpos discretos, cuyo número y forma es característico de
cada especie. Estos cuerpos reciben el nombre de cromosomas. En la especie humana
tenemos 46 cromosomas. Este número recibe el nombre de número diploide o dotación
cromosómica de la especie y se representa por 2n. Es decir, en la especie humana 2n=46, de
los cuales 23 son de origen paterno (nos los ha dado nuestro papá) y otros 23 son de origen
materno (nos los ha dado nuestra mamá).
Se llama número haploide o guarnición cromosómica y se representa por n al número de
cromosomas de un gameto (espermatozoide u óvulo). En la especie humana n=23
ESTRUCTURA DEL DNA
The Discovery of DNA - a photo finish.
James
Watson
Francis Maurice Rosalind Linus
Crick
Wilkins Franklin Pauling
died 7/28/2004
died 10/05/04
died in 1958
died in 1994
Erwin
Chargaff
died 6/20/02
James Watson, a biologist from Indiana University, and Francis Crick, a physicist,
were working at the Cavendish Lab in Cambridge, England on the structure of DNA.
Maurice Wilkins, a New Zealand physicist who had worked on the Manhattan Project,
was the deputy director of the King's College biophysics lab. Linus Pauling was a
Caltech chemist, who in 1951 had discovered the alpha helical nature of protein structure.
Rosalind Franklin was a 30 year old English chemist who was working in an X-ray
crystallography lab in Paris, France in 1951. Erwin Chargaff was a professor of
biochemistry at Columbia University who discovered that the molar base ratios of A
equal T and G equal C, and helped solidify our understanding of the structure of DNA.
Erwin Chargaff (1905 - 2002)
Rosalind Franklin
Difracción de Rayos X:
DNA-B (DNA en estado natural,
en la célula con un alto grado de
humedad). Es el que describimos.
El DNA-A es en condiciones de
sequedad, en este caso las bases
están inclinadas con respecto al
eje de la doble hélice y los surcos
mayor y menor son
prácticamente iguales. Existen
más tipos de hélices, como la del
DNA-Z, de doble hélice
sinistrorsa (enrollada hacia la
izquierda)
Francis Harry
Compton Crick
James Dewey
Watson
Maurice Hugh
Frederick Wilkins
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962
"for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids
and its significance for information transfer in living material"
Crick and Watson walking along the Backs. 1953
James Watson and his sister Betty in Copenhagen in the summer of 1951
El RNA se forma en el núcleo sobre moléculas de DNA. La síntesis de RNA se hace
de forma complementaria a una de las dos cadenas de DNA y recibe el nombre de
transcripción. Después el RNA emigra al citoplasma donde será traducido a proteínas. Desde
el punto de vista químico el RNA contiene ribosa, sus bases son A, U, C y G y sus cadenas
son sencillas (no dobles). Existen tres tipos de RNA:
-
RNAm (mensajero). Es una molécula, copia de un fragmento de DNA, que se va a
traducir a proteínas. Cada tres nucleótidos de RNA significan un aminoácido en una
proteína. Según la secuencia de nucleótidos que tenga el RNAm se formará una u otra
proteína.
-
RNAr (ribosomal). Se forma en el nucleolo del núcleo y luego emigra al citoplasma
donde formará los ribosomas junto con proteínas. Los ribosomas son los orgánulos
donde se sintetizan las proteínas.
RNAt (transferente). Las moléculas de RNAt son pequeñas y su función es unirse a los
aminoácidos para transportarlos hasta los ribosomas, donde se unirán para formar
proteínas.
-
Como acabamos de ver, los ácidos nucleicos llevan la información para la síntesis de
proteínas. Esta información está contenida en el DNA y protegida en el núcleo. Existe un
código genético que es universal: tres bases nitrogenadas (o tres nucleótidos) del DNA
determinan un aminoácido en una proteína. Según la secuencia de bases que posea el
DNA de una determinada especie o de un individuo se formarán unas proteínas u otras, que
caracterizarán a esa especie o a ese individuo. Estas proteínas, actuando como enzimas,
determinarán los caracteres de cada especie o de cada individuo.
Como el DNA no sale del núcleo, es una copia de él, el RNAm el que llevará el
mensaje genético a los ribosomas del citoplasma, que como ya sabemos son los orgánulos en
los que se sintetizan las proteínas. Los a.a. son llevados a los ribosomas por las moléculas de
RNAt. Por último estos aminoácidos se unen para formar proteínas.
Se estima que en el genoma haploide humano (en los gametos) existen unos 25000 ó
30000 genes, se desconoce el número de proteínas que se pueden formar, pero probablemente
sea un número mayor. El proyecto Genoma Humano, en el que colaboran varios países, trata
de identificar los genes (fragmentos de DNA que codifican proteínas) y las proteínas que
resultan de la expresión de esos genes.
*