I. LOS MatERIaLES dE La CÉLULa

I. lOS MATERIALES DE LA CÉLULA
1
   Las bases de la bioquímica
2
5
6
   Hidratos de Carbono
3
   Lípidos
4
   Aminoácidos y enlace peptídico
   Proteínas
   Nucleótidos y ácidos nucleicos
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1
Las bases de la bioquímica
CONTENIDOS
Introducción
Fundamentos químicos
El agua como principal
disolvente biológico
Las reacciones químicas en
la célula
El contexto celular
OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE
Identificar los átomos que forman parte de la materia biológica y sus
características
Reconocer las características que determinan el orden de los elementos químicos en la tabla periódica
Saber establecer los enlaces entre átomos que forman moléculas
Diferenciar las moléculas polares y apolares y su capacidad de interaccionar en un medio acuoso
Identificar los grupos funcionales que portan las moléculas biológicas
y su reactividad
Conocer el papel del pH en la reactividad de los grupos ácido y base
Nombrar los tipos de enlaces de condensación que se establecen entre las biomoléculas y sus niveles de oxidación-reducción
Este primer capítulo reúne aquellas nociones básicas necesarias
para entender una materia como la bioquímica. Posiblemente,
todos estos conceptos habrán sido estudiados por cualquier lector que comience un curso de estas características, sin embargo,
existe el riesgo de que puedan haber quedado algo olvidados o
confusos. Este capítulo pretende aclarar y situar en un contexto
biológico aquellos conceptos y fundamentos necesarios para
una correcta comprensión de la bioquímica y su aplicación a las
ciencias de la salud.
A lo largo del libro se volverán a tratar en mayor profundidad
muchos de los puntos descritos en este primer capítulo, y en
algunos casos, el lector podrá volver a él a modo de consulta o
repaso.
__Libro - Bioquimica. Conceptos esenciales.indb 3
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4      Sección I. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Introducción
El objetivo de la bioquímica es explicar en términos químicos las estructuras
y las funciones de los seres vivos. Comprender la química de las biomoléculas es
un paso previo para saber qué estructura tienen, cómo interaccionan, y por lo
tanto, cuál es su función biológica.
Este capítulo se limita a describir los conceptos fundamentales de la química
orgánica para poder comprender las características de los compuestos bioquímicos y su reactividad. Habitualmente, se considera la química orgánica como la
química del carbono y de sus compuestos, aunque también se tratan algunos
compuestos inorgánicos sencillos como los óxidos, los carburos y los carbonatos.
Es importante tener en cuenta que la química del carbono constituye la base de
la química de los seres vivos. Hay que conocer bien los elementos químicos que
componen los seres vivos, comprender todos los parámetros necesarios para que
se desarrolle la vida, la necesidad de la presencia del agua y del oxígeno, y las
características termodinámicas que definen un sistema biológico.
Fundamentos químicos
Número atómico (Z): número
de protones.
Número másico (A): masa relativa del átomo respecto a la del hidrógeno. Es la suma de neutrones y
protones. Antiguamente se denominaba peso atómico.
Isótopo: átomo de un mismo
elemento con diferente número de
neutrones en su núcleo. Todos los
isótopos de un mismo elemento tienen el mismo Z. Los isótopos pueden
ser estables o radiactivos.
Átomo (del latín, atomus, y
éste del griego, a’tomoV: indivisible).
A: Número másico
1
1
Número másico
23
11
H
Z: Número atómico
Na
Número atómico
A: N
úmero másico: es la suma de
neutrones y protones
Z: Número atómico = Nº de protones
Figura 1‑1. Ejemplo de representación de
dos elementos químicos de la tabla periódica.
__Libro - Bioquimica. Conceptos esenciales.indb 4
La materia está constituida por átomos
La unidad fundamental de la materia es el átomo, una partícula de tamaño muy
reducido (del orden de 10‑8 cm), a su vez constituida por subpartículas: protón,
neutrón y electrón, cuyos valores de carga y masa se muestran en la tabla 1‑1.
Tabla 1‑1. Características de las partículas atómicas
Partícula
Carga (culombios)
Masa (gramos)
Electrón
1,6 · 10‑19 negativa
  9,1 · 10‑28
Protón
1,6 · 10‑19 positiva
Neutrón
0
1,67 · 10‑24
1,67 · 10‑24
En condiciones normales, los átomos no presentan carga neta: su número de
protones y electrones es el mismo. Sin embargo, existen átomos cargados, denominados iones, con una diferencia de carga. Si pierden electrones, los átomos
presentarán mayor número de protones que de electrones y su carga será positiva y formarán cationes; y, si los ganan, tendrán mayor número de cargas negativas y constituirán aniones.
Los protones y neutrones se localizan en el núcleo del átomo, en el que se
concentra casi toda la masa. Los electrones se encuentran alrededor de éste en
los orbitales atómicos que se describen más adelante.
Cada elemento químico está formado por un tipo de átomo que se diferencia en el número de protones presentes en el núcleo; este número atómico (Z)
define a cada elemento (Fig. 1‑1). Sin embargo, un mismo elemento puede variar en su número de neutrones, lo que determina la existencia de los isótopos,
que son distintas formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en
su masa.
Los orbitales atómicos quedan definidos por
los números cuánticos
Los electrones se localizan en orbitales atómicos, que son las zonas que rodean
al núcleo donde existe la máxima probabilidad de encontrar estos electrones.
Para cada átomo concreto existe un número definido de orbitales que se caracterizan por poseer una determinada energía potencial. Sin profundizar en los
cálculos matemáticos que los determinan, podemos afirmar que cada orbital
queda definido por un conjunto de tres números, denominados números
cuánticos:
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Capítulo 1. Las bases de la bioquímica      5
1. El primero, conocido como número cuántico principal (representado
por la letra n) describe el tamaño y la energía del orbital. A medida que
aumenta su tamaño, lo hace su energía y su distancia al núcleo. Así, existen orbitales 1, 2, 3…
2. El segundo (representado con la letra l) se conoce como número cuánti‑
co azimutal. Representa un subnivel de energía y define la forma geométrica del orbital (esférico, lobulado, etc.). Se representan con las letras s,
p, d y f.
3. Un tercer número, denominado número cuántico magnético (ml), define la orientación en el espacio si se fijan unos ejes de referencia arbitrarios
(x, y, z). Por ejemplo, el orbital tipo p, puede ser px, py y pz.
Por tanto, estos tres números definen perfectamente los orbitales atómicos
respecto a su energía, tamaño, forma y orientación espacial.
Los electrones se distribuyen en estos orbitales siguiendo varios principios.
En primer lugar, los electrones ocupan inicialmente los niveles de energía más
bajos. Además, hay que tener en cuenta que cada orbital alberga un máximo de
dos electrones. Por último, cuando existen varias posibilidades de localización
en subniveles de la misma energía, los electrones ocupan subniveles separados,
según el principio de máxima multiplicidad. Por ejemplo, en el caso de los orbitales p, si hubiera tres electrones se dispondría uno en cada subnivel: p1x, p1y , p1z.
Teniendo en cuenta esta distribución, es necesario un cuarto número que
permita identificar los dos electrones de un mismo orbital: el número de spín,
que refleja el movimiento de los electrones respecto a un eje imaginario en un
campo magnético.
Debido a la dificultad de dibujar los orbitales atómicos, se utiliza una aproximación simplificada de representar la configuración electrónica a modo de cajas
que se irán rellenando de menor a mayor nivel energético según el número de
electrones que tenga el elemento (Fig. 1‑2).
Orbitales atómicos: regiones
en el espacio donde existe la mayor probabilidad de encontrar electrones.
Niveles de energía: los electrones van ocupando los niveles de
menor a mayor energía. En cada nivel puede haber más de un orbital.
En cada orbital, definido por los tres
números cuánticos, solo puede haber un máximo de dos electrones.
1s
ëì
ëì
2px
ë
ë
2py
ë
2pz
Nivel de energía 2
Nivel de energía 1
Nitrógeno,   N    1s2 2p2 2p3
ëì
¿Qué determina el orden de los elementos en la tabla periódica?
En la figura 1‑3 se muestra una tabla periódica en la que se señalan solamente
los elementos químicos presentes en los seres vivos. La posición de cada elemento en la tabla revela sus características.
Cada celda de la tabla periódica contiene un elemento identificado con un
símbolo, el número másico y el número atómico. El orden de los elementos en
la tabla periódica viene determinado por dos ejes: uno, horizontal (períodos); y
otro, vertical (grupos) (Fig. 1‑4). Los elementos se ordenan en un período, de
izquierda a derecha, según aumenta su número de protones y, por lo tanto, de
electrones si el átomo es neutro. Al terminar el período, se habrá completado la
última capa o nivel de energía de ese período, y se comienza a colocar en el siguiente. El último elemento de cada período tiene completo su último nivel de
energía y se denomina gas noble.
2s
ëì
ëì ë
ë
Nivel de energía 2
Nivel de energía 1
Oxígeno,    O    1s2 2p2 2p4
Figura 1‑2. Configuración electrónica de
los átomos de nitrógeno y oxígeno. Se
muestra la forma de los orbitales y la representación a modo de cajas, así como los niveles de energía que ocupan los electrones.
Los elementos pertenecientes a
un mismo grupo tienen el mismo
número de electrones en la última
capa (capa de valencia).
Los elementos pertenecientes a
un mismo período tienen el mismo
nivel de energía (n).
Figura 1‑3. Tabla periódica donde se indican los elementos químicos presentes
principalmente en los seres vivos.
__Libro - Bioquimica. Conceptos esenciales.indb 5
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6      Sección I. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Figura 1‑4. Características que determinan el orden de los elementos de un período y de un grupo dentro de la tabla
periódica. A lo largo del período, de izquierda a derecha, aumenta el número de
electrones en la última capa hasta completar
un nivel de energía. Al descender en un grupo, se aumenta un nivel de energía, pero todos los elementos que pertenecen a un grupo tienen el mismo número de electrones en
la última capa.
Los elementos se combinan y forman moléculas
La valencia de un determinado
elemento químico se puede definir
como su capacidad de combinación,
y es un dígito que indica el número
de enlaces con que el elemento interviene en el compuesto. Por ejemplo, la valencia del carbono es cuatro, y podrá formar cuatro enlaces.
La
definir
sentan
par de
electronegatividad se puede
como la tendencia que prelos átomos a atraer hacia sí el
electrones compartido.
__Libro - Bioquimica. Conceptos esenciales.indb 6
Un elemento es más estable cuanto más se aproxima a una configuración
electrónica en que sus orbitales estén completos. Salvo casos excepcionales, los
átomos tienden a asociarse formando moléculas o agregados atómicos. La unión
entre los átomos se establece a través de enlaces químicos, y estos nuevos agregados poliatómicos (moléculas) se comportan como unidades elementales de
nuevas sustancias. A veces se asocian dos átomos iguales (como en la molécula
de oxígeno, O2). Las moléculas que están constituidas por átomos de diferentes
elementos se denominan compuestos (como, por ejemplo, la molécula de agua,
formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno: H2O).
La mayor parte de las reacciones químicas proceden de la formación y ruptura de enlaces químicos, por lo que resulta necesario conocer la naturaleza de estos enlaces.
La configuración electrónica de cada elemento es la que va a determinar su
reactividad. Los electrones de las últimas capas, que ocupan los niveles de mayor energía, son los que van a participar en las reacciones químicas y se conocen
como electrones de valencia.
Para entender la formación de los enlaces resulta útil la regla del octeto que
se basa en el comportamiento químico de los denominados gases nobles. Estos
elementos tienen poca tendencia a reaccionar químicamente debido a que su
configuración electrónica se caracteriza por tener completa su última capa (la
capa de los electrones de valencia, que posee ocho electrones, a excepción del
helio, que posee dos).
Según esta regla del octeto postulada por Lewis, los átomos son más estables
cuando consiguen ocho electrones en la capa de valencia. Esto puede representarse de forma sencilla utilizando la notación de Lewis, mediante el símbolo
químico de cada elemento rodeado por puntos que representan los electrones de
valencia (Recuadro 1‑1).
Antes de estudiar los enlaces hay que definir una propiedad de gran importancia a la hora de explicar su formación y sus posteriores características: la elec‑
tronegatividad, que es la tendencia que tienen los átomos de atraer hacia sí el
par de electrones compartido.
Cuanto mayor sea el número de electrones, más fácil será completar su última capa; por lo tanto, los átomos que tengan más electrones en su última capa
son más electronegativos. En el caso de los elementos presentes en los seres vivos, el oxígeno y el nitrógeno son más electronegativos que el carbono y el hidrógeno, que poseen una electronegatividad semejante (véase Fig. 1‑4).
Cuando los átomos que reaccionan poseen una elevada electronegatividad, el
enlace se forma porque ambos elementos comparten sus electrones de valencia
hasta completar su última capa: este tipo de enlace, denominado enlace cova‑
lente, es el que se da principalmente en las moléculas biológicas. En el enlace
covalente no hay una transferencia de electrones completa, como ocurre en el
enlace iónico (Fig. 1‑5). De la combinación de los dos orbitales atómicos surge
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Capítulo 1. Las bases de la bioquímica      7
Recuadro 1‑1. La regla del octeto
El método de Lewis permite explicar de forma simple algunos enlaces; postula que los elementos que se sitúan próximos a los gases nobles
tienen tendencia a captar, ceder o compartir electrones hasta completar los ocho electrones que caracterizan a los gases nobles.
Según esta regla del octeto, los átomos son más estables cuando consiguen ocho electrones en la capa de valencia ‑sean pares solitarios o
compartidos‑ mediante un enlace covalente. En cada enlace covalente simple, cada átomo de la unión aporta un electrón; por lo tanto, al dibujar un diagrama o estructura de Lewis, hay que evitar asignar más de ocho electrones a cada átomo.
Sin embargo, hay algunas excepciones. Por ejemplo, el hidrógeno tiene un sólo orbital en su capa de valencia, la cual puede aceptar como máximo dos electrones; por eso, solo puede compartir su orbital con un átomo formando un único enlace. Por otra parte, los átomos no metálicos,
a partir del tercer período pueden formar “octetos expandidos”; es decir, pueden contener más de ocho orbitales en su capa de valencia, por lo
general, colocando los orbitales extra en subniveles.
Átomo
Número de
electrones
no apareados
(en rojo)
Número de
electrones en
la capa externa
completa
H
1
2
H
+
H
�
H H
=
O
2
8
O
+
2H
�
O H
H
=
N
3
8
N
+
3H
�
H
N H
H
=
H � H
Dihidrógeno
O � H
�
H
Agua
H
N � H
H
Amonio
=
H
�
H � C � H
�
H
Metano
C
4
8
C
+
4H
�
H
H C H
H
S
2
8
S
+
2H
�
S H
H
=
S � H
�
H
�
H
O
O P O H
O
H
=
OH
�
O � P � OH
�
OH
P
3
8
3H
+
P
+
4 O
Sulfuro de
hidrógeno
Ácido
fosfórico
Figura 1‑5. Representación de un enlace
covalente, donde los electrones de dos
átomos que forman el enlace se comparten, y de un enlace iónico, donde un
electrón se transfiere de un átomo a
otro, formando iones.
un orbital molecular que determinará las características de la unión. Los orbitales moleculares pueden tener menor energía que los orbitales atómicos de partida, lo que lleva a una estabilización del sistema que favorece su formación. Este
tipo de orbital estable se conoce como orbital enlazante. O pueden presentar
__Libro - Bioquimica. Conceptos esenciales.indb 7
9/2/2010 1:33:12 AM
8      Sección I. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
mayor energía que los orbitales atómicos de partida, lo que provoca una desestabilización. Este tipo de orbitales se denomina orbitales antienlazantes y no favorecen la formación del enlace.
La distribución específica de los electrones dentro de una molécula se denomina configuración electrónica. En condiciones normales, esta distribución se
caracteriza por poseer la mínima energía potencial posible y entonces se dice
que la molécula está en su estado basal o fundamental. Pero existen otras alternativas de mayor energía potencial; en este caso, la molécula posee una mayor
energía potencial y se dice que se encuentra en un estado excitado.
Orbitales híbridos. La tetravalencia del carbono
La hibridación sp3 permite al
carbono establecer cuatro enlaces
covalentes.
Para los elementos del segundo período de la tabla periódica, entre los que se
encuentran el carbono (C), el nitrógeno (N) y el oxígeno (O), los orbitales s y p
de la última capa están tan próximos en su nivel de energía que pueden interaccionar formando orbitales híbridos que combinan caracteres de ambos orbitales. Estos orbitales híbridos consiguen que el elemento forme el mayor número
de enlaces posible, mientras que mantiene la mayor distancia entre ellos para
minimizar las fuerzas de repulsión. Los orbitales híbridos formados por el carbono son los más estudiados y explican la naturaleza de sus enlaces con otras moléculas (Fig. 1‑6).
Enlace covalente coordinado o dativo
Un enlace coordinado es un
enlace covalente en el que los dos
electrones compartidos los aporta el
mismo átomo.
Se produce un dipolo cuando
un par de cargas eléctricas de la misma magnitud pero opuestas, están
separadas por cierta distancia (generalmente pequeña).
En los enlaces covalentes estudiados hasta ahora cada electrón del par de electrones compartido lo aporta uno de los átomos que participa en el enlace. Sin embargo, en algunos casos, el par de electrones compartido procede exclusivamente
de uno de los átomos, mientras que el otro aporta un orbital vacío. El resultado
es una molécula con carga positiva que procede del átomo que aporta el orbital
sin electrones, y, por lo tanto, con mayor número de protones. Para que se forme este tipo de enlace, un átomo tienen que tener un par de electrones sin enlace, es decir un par solitario en su nivel más externo (como ocurre en el oxígeno
y el nitrógeno), y el otro debe disponer de un orbital vacío (como en el caso de
protón: H+) (Fig. 1‑7).
Polaridad y enlaces polares
Cuando dos átomos de electronegatividades muy diferentes forman un enlace
covalente, los electrones no son compartidos en igual medida por los dos átomos, de forma que serán atraídos con más fuerza por el más electronegativo. En
este caso se forma un enlace covalente polar (Fig. 1‑8), en el que el átomo más
ë
Figura 1‑6. Hibridación del átomo de carbono. (a) Estructura tetraédrica de un átomo de carbono; (b) forma y ángulos de los
orbitales híbridos; y (c) configuración electrónica.
__Libro - Bioquimica. Conceptos esenciales.indb 8
ëì
ë
ë
ë
ë
ë
ë
ë
ë
ë
ëì
9/2/2010 1:33:13 AM
Capítulo 1. Las bases de la bioquímica      9
electronegativo presenta una mayor densidad de carga negativa (representada
como d‑), mientras que el otro adquiere una densidad de carga positiva (representada como d+) provocada por la ausencia del electrón que neutralizaba la carga positiva del núcleo. El resultado es la formación de un dipolo, es decir, dos
cargas de signo opuesto separadas por una distancia determinada. Este tipo de
enlaces va a ser muy importante a la hora de entender las interacciones no covalentes que pueden darse entre diferentes moléculas. La molécula de agua presenta enlaces covalentes polares, fundamentales para explicar la solubilidad de las
diferentes moléculas biológicas en agua.
Los grupos funcionales determinan las interacciones
entre biomoléculas
Las múltiples posibilidades que tiene el átomo de carbono para formar moléculas diferentes viene determinada por la capacidad de formar cuatro enlaces con
ángulos muy abiertos, además de ser enlaces covalentes no polares y, por lo tanto, muy estables. Así, las moléculas biológicas pueden formar largas estructuras
lineales, ramificadas e incluso cíclicas, muy firmes. Sin embargo, debido a que la
unión entre carbono e hidrógeno es de naturaleza no polar, será necesaria para
las moléculas biológicas ‑presentes en un medio polar como el agua‑ la colaboración de otros átomos que les permitan formar y romper enlaces, haciendo
que estas moléculas sean más reactivas. Una “molécula viva” o biomolécula debe
estar en constante cambio; y así formarán asociaciones muy importantes, bien
entre ellas o con el agua, ya que éste es el medio en el que se van a encontrar
principalmente.
Los elementos químicos fundamentales en la reactividad de las biomoléculas
van a ser el O y el N, ambos átomos electronegativos, que harán reaccionar entre sí a las moléculas que los porten.
En las diferentes biomoléculas de los seres vivos se encuentran, de forma recurrente, una serie de grupos funcionales. La naturaleza de estos grupos es determinante en el funcionamiento de la molécula biológica; tanto para el establecimiento de enlaces covalentes entre moléculas y la formación de biopolímeros,
o macromoléculas, como para la asociación e interacción mediante enlaces débiles entre ellas y con el medio.
En el recuadro 1‑2 se detallan los principales grupos funcionales presentes
en las moléculas biológicas; en el siguiente apartado, donde se van a describir las
interacciones débiles, se dan las claves para reconocer el papel que juegan estos
grupos funcionales dentro de las grandes macromoléculas celulares y así poder
entender su comportamiento biológico.
Figura 1‑7. Enlace covalente coordinado
dativo en la formación del ión amonio.
Los grupos funcionales son las
diferentes asociaciones entre átomos
que proporcionan características
funcionales a las moléculas.
Las interacciones débiles determinan la función de la molécula
Todo proceso biológico se produce gracias a las interacciones débiles establecidas entre moléculas. Las moléculas deben interaccionar para comenzar una acción, y posteriormente separarse. Tanto la unión y reconocimiento único entre
una enzima y un sustrato, o de un receptor y su ligando, como el proceso de
replicación y transcripción del DNA, todos ellos son procesos que tienen lugar
gracias a una determinada orientación y unión entre las moléculas implicadas.
Estas interacciones son débiles, pero la suma de muchas de ellas en la posición
d‑
enlace covalente apolar
d+
enlace covalente polar
Diferencia de electronegatividad
__Libro - Bioquimica. Conceptos esenciales.indb 9
‑
+
enlace iónico
Figura 1‑8. Diferencia de polaridad en los
enlaces covalentes e iónicos según la
electronegatividad. En un extremo de la
escala están los átomos que forman el enlace apolar con electronegatividades similares;
en el otro extremo, el enlace iónico con
electronegatividades muy diferentes.
9/2/2010 1:33:13 AM
10      Sección I. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Recuadro 1‑2. Grupos funcionales comunes en bioquímica
COMPUESTOS CON HIDRÓGENO
Grupo funcional
Estructura
Alifático
H
�
R � C � H
�
H
R � CH3
Etilo
H H
�
�
R � C � C � H
�
�
H H
R � CH2 � CH3
Eteno
(Etileno)
H H
�
�
R � C � C � H
R � CH � CH2
Metilo
Alcano
Alqueno
Fórmula
Aromático
COMPUESTOS CON NITRÓGENO
Naturaleza
química
primaria
H
R � N H
R � NH2
Polar (base)
secundaria
R � N � R’
�
H
R � NH � R
Polar (base)
Imino
N � H
�
R � C
�
H
R � CH � NH
Polar (base)
Amido
O
�
H
R � C � N H
R � CO � NH2
Polar
No polar
H
R
No polar
H
COMPUESTOS CON FÓSFORO
H
Grupo
funcional
COMPUESTOS CON OXÍGENO
Estructura
Fórmula
Naturaleza
química
O
�
R � O � P � OH
�
OH
R � O � PO3H2
Polar (ácido)
Estructura
Fórmula
Naturaleza
química
R � O � H
R � OH
Polar
Aldehído
O
R � C H
R � C(� O)H
Polar
Cetona
O
�
R � C � R’
R � C(� O) � R’
Polar
Grupo funcional
Estructura
Fórmula
Naturaleza
química
O
R � C OH
R � COOH
Polar
(ácido)
Sulfhidrilo (Tiol)
R � S � H
R � SH
Polar
O
�
R � C � O � R’
R � COO � R’
O
�
R � O � S � O
�
OH
R � O � SO3H
Polar (ácido)
Grupo funcional
Hidroxilo (alcohol)
Carbonilo
Naturaleza
química
No polar
R � O
Fenilo
Fórmula
Amino
H
H
Estructura
Grupo funcional
C primario
C secundario
Carboxilo
Éster
No polar
Fosforilo
COMPUESTOS CON AZUFRE
Sulfurilo
(Ac. sulfúrico)
ENLACES NO COVALENTES DÉBILES EN EL AGUA
PUENTE DE HIDRÓGENO
O � � � � H
       O
� C       H
OH � � � � O � H
        �
       H
Amino
H
       H � � � � O R � N H
       H
Amido
O � � � � H � O
          �
        H
� C � N � H
     �
     H � � � � O � H
         �
         H
�
__Libro - Bioquimica. Conceptos esenciales.indb 10
H H
�
�
H � C � C � H
�
�
H H
PUENTE SALINO
R
H �+
O
N � R
� C ‑
O       H
Alifáticos
Aromáticos
H
� O �
H
H
Carboxilo
(Cualquier
ácido
protonado)
H
C � O � � � � H
            O
         H
�
O�
Carbonilo
INTERACCIÓN HIDROFÓBICA
H
O �
�
H
Hidroxilo
H
� OH � � � � O H
9/2/2010 1:33:14 AM
Capítulo 1. Las bases de la bioquímica      11
correcta, hará que la unión sea altamente específica y fuerte, además de ser vital
para la vida en la célula.
Las interacciones débiles pueden ser de naturaleza electrostática o hidrofóbica. Las primeras incluyen los puentes de hidrógeno, los puentes salinos (enlace
iónico) y las fuerzas de van der Waals.
Puente de hidrógeno
Este tipo de interacción es de naturaleza relativamente fuerte. Es muy común
entre moléculas polares en un medio acuoso, y es la responsable de las múltiples
uniones débiles entre las moléculas de agua.
Para que se forme un puente de hidrógeno es necesaria la presencia de un
átomo de hidrógeno (H) unido covalentemente a un átomo electronegativo (habitualmente el O y N) que, debido a su carga parcial positiva, será atraído por
otro átomo electronegativo presente en una molécula diferente (Fig. 1‑9).
Enlace iónico o puente salino
En la célula, los iones (por ejemplo, Na+, K+ o Cl‑) van a establecer entre sí, interacciones de tipo electrostático (entre cargas opuestas), también denominadas
puente salino (Fig. 1‑10).
Además, aquellos grupos funcionales que se comportan como ácidos o bases,
es decir, que tengan la capacidad de ceder un protón al medio o de captarlo, van
a presentar una carga real (un electrón de más o de menos del que le corresponde al átomo neutro), lo que les convierte en un ión. Los iones, en solución acuosa, pueden atraerse o repelerse según la carga que porten. Este tipo de atracción
electrostática se comportaría como un enlace iónico, sin embargo, se considera
una interacción débil, ya que al estar el ión en solución acuosa se encuentra solvatado (rodeado de moléculas de agua) reduciendo la fuerza del enlace entre los
iones de carga opuesta.
Un puente de hidrógeno se establece cuando un átomo de H, unido covalentemente a un átomo
electronegativo, es atraído por un
átomo electronegativo de un grupo
vecino a una distancia y en una
orientación óptima.
Figura 1‑9. Representación del enlace o puente de hidrógeno. (a) Entre dos moléculas de agua, y (b) entre grupos funcionales. Se indica el
átomo aceptor y el donador del puente.
Figura 1‑10. Enlaces iónicos en el agua:
puente salino. Los cristales iónicos del cloruro sódico se disuelven en agua, debido a la
capa de solvatación de moléculas de agua
que rodea cada ión.
__Libro - Bioquimica. Conceptos esenciales.indb 11
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18      Sección I. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
Nombre
Éter
C
Éster
Anhídridos
Grupos funcionales
Reacción
Hidroxilo + Hidroxilo
R1 � OH   +   OH � R2   �   R1 � O � R2
Carboxilo + Hidroxilo
+ sulfhidrilo
O
R1 � C
�
+   OH � R2
OH +   SH � R2
O
�
R1 � C � O � R2
  
O
�
�
   R1 � C � S � R2   tioéster
P
Éster fosfórico
Fosforilo + Hidroxilo
O
O
�
�
R1 � O � P � OH   +   OH � R2 � R1 � O � P � O � R2
�
�
OH
  
  
OH
S
Sulfurilo + Hidroxilo
O
O
�
�
R1 � O � S � OH   +   OH � R2 � R1 � O � S � O � R2
�
�
O
  
  
O
C � C
Carboxilo + Carboxilo
O
O
O
O
�
�
�
�
R1 � C � OH   +   OH � C � R2   �   R1 � C � O � C � R2
C � P
Mixto
Carboxilo + Fosforilo
P � P
Fosfoanhídrido
Fosforilo + Fosforilo
Carboxilo + Amina
Amida
O
C anomérico + Hidroxilo
Glucosídico
N
Disulfuro
C anomérico + Amina
Sulfhidrilo + Sulfhidrilo
O
�
R1 � C � OH
O
O
O
�
�
�
OH � P � O � R2 � R1 � C � O � P � O � R2
�
�
     
OH
  
  
OH
+
O
O
O
O
�
�
�
�
R1 � O � P � OH + OH � P � O � R2 � R1 � P � O � P � O � R2
�
�
�
�
OH
     
OH
  
  
OH
OH
O
�
R1 � C � OH   +   NH2 � R2
O
�
� R1 � C � N � R2
�
  
  
H
O OH
�
C    +   OH � R2 �
�
H
  
  
O OH
�
C    +   NH2 � R2
�
H
�
  
  
O � O � R2
�
C
�
H
H
�
O N � R2
�
C
�
H
R1 � SH   +   HS � R2   �   R1 � S � S � R2
Figura 1‑17. Enlaces covalentes comunes en bioquímica.
Otro tipo de reacción característica que tiene lugar en la célula es aquella en
la que se transfiere electrones de un sustrato a otro, son las reacciones denominadas de oxidación-reducción o rédox. La mayoría de las reacciones que tiene
lugar durante el metabolismo celular implican esta transferencia de electrones.
Para ello, siempre serán necesario dos reactivos, uno que cede electrones y el
otro que los acepta. En las moléculas biológicas, esta transferencia de electrones
se realiza habitualmente en forma de átomos de hidrógeno, ya que un átomo de
hidrógeno contienen un electrón (H = 1 e‑)
AH2 + B � A + BH2
donde: AH2 = donador de electrones (agente reductor, molécula reducida)
B = aceptor de electrones (agente oxidante, molécula oxidada)
En las biomoléculas los procesos rédox de transferencia de electrones tienen
lugar en los átomos de carbono. La forma más reducida de un átomo de carbo-
__Libro - Bioquimica. Conceptos esenciales.indb 18
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Capítulo 1. Las bases de la bioquímica      19
no será la que esté saturada con cuatro hidrógenos, como en el metano, mientras que la más oxidada será el dióxido de carbono.
Los niveles de oxidación del carbono (Fig. 1‑18) se pueden evaluar fácilmente contando el número de enlaces que establece el carbono con el hidrógeno
(estado más reducido) o con el oxígeno (estado más oxidado).
El poder energético de las sustancias orgánicas será mayor cuanto mayor sea
el poder de oxidación (es decir, cuanto más reducida esté la sustancia) por lo
que, durante el proceso de oxidación, se desprenderá gran cantidad de energía.
El metabolismo celular se encarga de transformar y almacenar este contenido
energético de las moléculas reducidas que la célula usa como fuente de energía.
En la sección III dedicada al metabolismo se analizarán detalladamente estos
procesos de oxidación-reducción.
El contexto celular
Los niveles de organización molecular de la célula permiten observar que, en el
primer nivel o nivel molecular, los componentes celulares son los monómeros o
sillares con los que se va a construir la célula. Estos monómeros se asociarán en
polímeros mediante reacciones de condensación, para dar el segundo nivel o nivel macromolecular (Fig 1‑19). La asociación entre diferentes macromoléculas
formará las estructuras o complejos supramoleculares del tercer nivel, sobre todo
mediante interacciones débiles. Y el último nivel en la jerarquía será el nivel celular o los orgánulos celulares que delimitan los espacios donde van a tener lugar
las diferentes reacciones.
La célula será, por lo tanto, el continente. En una célula eucariota los compartimentos celulares están claramente diferenciados y sus funciones bien especializadas, por lo que no todas las reacciones químicas van a transcurrir en cualquier lugar de la célula. Esta especialización en orgánulos se puede llevar a cabo
de forma muy eficiente porque cada orgánulo está delimitado por una membrana celular cuyas características químicas permiten una disposición en forma de
bicapa lipídica, lo que separa dos medios hidrofílicos. En el capítulo 11 se da
una visión esquemática de las funciones de cada orgánulo y los procesos que se
llevan a cabo.
Por último, un organismo multicelular necesita una observación a un nivel
superior al celular, y este nivel proporciona una visión orgánica sobre cómo
transcurren las reacciones bioquímicas en el organismo completo. Aunque los
procesos bioquímicos que tienen lugar en la célula son, en muchos casos, idénticos en células de diferentes especies, y a lo largo del libro se ha tratado de buscar
Figura 1‑18. Oxidación y reducción de los
grupos funcionales de interés en bioquímica. A medida que se oxida el carbono se
reduce el número de H unidos. Se indica en
azul el número de hidrógenos (electrones)
unidos al carbono.
Proteína
Figura 1‑19. Niveles de organización celular. En este ejemplo el primer nivel está compuesto por los monómeros (aminoácidos y nucleótidos) que mediante enlaces de condensación forman proteínas y ácidos nucleicos, que interaccionan para forma el ribosoma, tercer nivel de
organización.
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20      Sección I. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
aquellos puntos que unifican el metabolismo de las células eucariotas, en determinados procesos es necesario prestar atención al sistema u órgano en el que
transcurre dicho proceso, pues la especialización orgánica es un punto fundamental para comprender el funcionamiento metabólico del organismo. Por
ejemplo, los procesos de síntesis de lípidos no se van a llevar a cabo en cualquier
célula, si no que el hígado será un órgano primordial que tendrá las enzimas
necesarias para llevar a cabo la síntesis de gran cantidad de estas biomoléculas.
Aunque la especialización de los diferentes órganos trasciende al contenido de
este libro, se remarcarán aquellos procesos metabólicos que se produzcan en un
determinado lugar.
COnceptos clave
 Cada elemento químico está formado por un tipo de átomo que se diferencia en el número de protones presentes
en el núcleo.
 Los electrones se localizan en orbitales atómicos, que son las zonas que rodean al núcleo donde existe la máxima
probabilidad de encontrar estos electrones.
 Un elemento es más estable cuanto más se aproxima a una configuración electrónica en que sus orbitales estén
completos.
 La unión entre los átomos se establece a través de enlaces químicos.
 La valencia de un determinado elemento químico se puede definir como su capacidad de combinación, y su número indica el número de enlaces con que el elemento interviene en el compuesto.
 La electronegatividad es la tendencia que tienen los átomos a captar electrones para completar su última capa.
 En los enlaces iónicos, los electrones se transfieren de un átomo con pocos electrones en su última capa (metal) a
otro átomo con la última capa casi completa (no metal).
 El enlace covalente es el más común en las moléculas biológicas; los electrones de las últimas capas de valencia son
compartidos por los átomos que forman el enlace.
 Se produce un dipolo cuando un par de cargas eléctricas de la misma magnitud pero opuestas, están separadas por
cierta distancia (generalmente pequeña).
 Los grupos funcionales son las diferentes asociaciones entre átomos que proporcionan características funcionales a
las moléculas.
 Todo proceso biológico se produce gracias a las interacciones débiles establecidas entre moléculas.
 La naturaleza química de la molécula de agua presenta la característica de comportarse como un dipolo.
 Existen sustancias que pueden comportarse como ácidos y como bases, y se denominan sustancias anfóteras.
 Los grupos ácidos o básicos van a adoptar una carga negativa o positiva dependiendo del pH de la solución. El pH
de una disolución es la medida de la concentración de los protones.
 Los tampones son sistemas acuosos que tienden a amortiguar los cambios que se producen en el pH, cuando se
añaden pequeñas cantidades de ácido (H+) o de base (OH‑).
 La gran mayoría de las reacciones que tienen lugar en la célula son reacciones reversibles y, por lo tanto, tienden a
alcanzar el equilibrio químico.
 En el equilibrio, la relación de las concentraciones de productos y reactivos es constante (Keq ). Pero esto no quiere
decir que dichas concentraciones sean iguales.
 La presencia de grupos funcionales en las biomoléculas proporciona sitios reactivos, donde dichas moléculas van a
unirse a otras o a reaccionar y transformarse.
 El primer nivel de organización molecular de la célula lo constituyen los monómeros, que se asocian en polímeros
en un segundo nivel macromolecular mediante reacciones de condensación.
 La asociación entre diferentes macromoléculas formará las estructuras o complejos supramoleculares del tercer
nivel, sobre todo mediante interacciones débiles, y el último nivel en la jerarquía será el nivel celular o los orgánulos celulares que delimitan los espacios donde van a tener lugar las diferentes reacciones.
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Capítulo 1. Las bases de la bioquímica      21
Ejercicios
1-1 A partir de la siguiente molécula, indique:
a) Los grupos funcionales.
b) La naturaleza química.
c) Si existe algún enlace covalente de condensación.
d) El tipo de interacción débil que puede formar.
e) Un producto de oxidación y otro de reducción del carbono 1.
H
OH H
H
H
O‑
�
�
�
�
�
�
1
2
H � C � C � C � C � C � C � O � P � O‑
� �
�
�
�
�
�
O OH H
OH OH H
O
Solución
H
OH H
H
H
O‑
�
�
�
�
�
�
H � C � C � C � C � C � C � O � P � O‑
� �
�
�
�
�
�
O OH H
OH OH H
O
1
a)
2
aldehído
hidroxilos
fosforilo
b)Todos los grupos indicados son polares. El grupo fosforilo, además, presenta carga negativa a pH fisiológico, por su carácter ácido.
c)Enlace de condensación el enlace éster fosfórico:
H
OH H
H
H
O‑
O‑
�
�
�
�
�
�
�
‑
H � C � C � C � C � C � C � O � P � O � R � CH2OH + HO � P � O‑
� �
�
�
�
�
�
�
O OH H
OH OH H
O
O
1
2
d)Puente de hidrógeno con los grupos OH y CO y puente salino con las cargas negativas del grupo fosforilo
e) Oxidación: R � COOH
Reducción: R � CH2OH
1-2 ¿Qué tienen en común los elementos de un mismo grupo y de
un mismo período?
1-3 ¿Qué partícula atómica determina que un elemento pueda reaccionar con otro?
1-4 ¿Qué grupos funcionales de los que están presentes en las biomoléculas se comportan como ácido o como base?
1-5 Una las siguientes moléculas mediante un enlace covalente tipo
amida
NH2 � CH2 � COOH + CH3 � CH2 � COOH
1-6 A partir de la molécula que ha construido en la pregunta anterior, indique el tipo de interacción débil que puede establecer
con el agua a pH fisiológico.
PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
1-1 ¿Cuál de los siguientes grupos funcionales están ordenados de
más oxidados a más reducidos?
a) Hidroxilo-carbonilo-metilo- carboxilo.
b) Carboxilo-carbonilo-hidroxilo-metilo.
C) Carbonilo-carboxilo-hidroxilo-metilo.
d) Metilo-hidroxilo-carbonilo-carboxilo.
1-2 Cuando una reacción química alcanza el equilibrio:
a) La velocidad de formación de productos es mayor que la
de reactivos.
b) La concentración de productos y reactivos es siempre la
misma.
c) La relación entre las concentraciones de productos y reactivos es constante.
d) a y c son ciertas.
1-3 Una reacción exergónica:
a) Es siempre espontánea.
b) Se hace a una gran velocidad.
__Libro - Bioquimica. Conceptos esenciales.indb 21
c) Es siempre exotérmica.
d) Todas son correctas.
1-4 Una reacción de condensación entre un grupo carboxilo y un
hidroxilo es un enlace:
a) Amina.
b) Amida.
c) Fosfoéster.
d) Éster.
1-5 Entre un grupo carboxilo y un catión en disolución acuosa se
establece:
a) Interacciones hidrofóbicas.
b) Puente salino.
c) Puente de hidrógeno.
d) Enlaces éster.
1-6 Indique cuál de las siguientes interacciones no se considera una
interacción no covalente:
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22      Sección I. LOS MATERIALES DE LA CÉLULA
a)
b)
c)
d)
Puentes de hidrógeno.
Interacciones hidrofóbicas.
Interacciones iónicas.
Enlaces carbono-carbono.
1-7 Indique cuál de los siguientes elementos no se encuentra entre
los cuatro más abundantes en los organismos vivos:
a) Carbono.
b) Hidrógeno.
c) Nitrógeno.
d) Fósforo.
1-9 Indique cuál de las siguientes afirmaciones sobre los tampones
es cierta:
a) Un tampón formado por un ácido débil con un pKa = 5 es
más fuerte a pH 4,0 que a pH 6,0.
b) El pH de una disolución tamponada permanece constante
con independencia de la cantidad de ácido o base que se
añada a dicha disolución.
c) Cuando el pH = pKa, las concentraciones del ácido débil y
de su base conjugada en el tampón son iguales.
d) Para un valor de pH por debajo del pKa, la concentración
de la base conjugada es mayor que la del ácido débil.
1-8 Un ión hidronio:
a) Su estructura es H3O+.
b) Es la forma habitual de uno de los productos de disociación del agua en disolución.
c) Es un ión de hidrógeno hidratado.
d) Todas las anteriores son ciertas.
1-10 ¿Qué pareja de grupos funcionales pueden establecer puentes
de hidrógeno entre sí?
a) Amina-hidroxilo.
b) Metilo-etilo.
c) Carboxilo-Metilo.
d) Hidroxilo-fenilo.
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