Fases fisicoquímicas de la vida
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BIOLOGÍA 1º TEMA Fases fisicoquímicas de la vida La vida es el conjunto de cosas que permite que haya seres vivos. Un ser vivo es un individuo con organización e información suficiente para realizar funciones vitales. (Nutrición, reproducción y relación). Nutrición: Intercambio de materia y energía con el medio que permite el mantenimiento de la vida. Relación: Capacidad de recibir información del medio, de evaluar esa información y de responder adecuadamente, con el objetivo de mantener la vida. Reproducción: Capacidad de formar otros organismos. Con el objetivo de mantener la especie, no para la vida de uno mismo. La reproducción tiene que ver con la evolución. Con 6 elementos químicos sencillos ya se tiene un ser vivo, esos elementos son universales, x lo tanto todos somos iguales. Pero por otro lado tenemos muchas moléculas diferentes altamente organizadas y ello determina diversidad, algo muy complejo. Los seres vivos tienen otra característica, siguen un principio de economía molecular. Hacemos las funciones con lo mínimo, si se requiere más, pues se utilizan mas moléculas, pero siempre con lo mínimo. Lo más importante de los seres vivos es la forma que tienen las moléculas. Ellas deben encajar entre sí. Funciones de Nutrición. La nutrición de los seres vivos tiene que ver con todo lo relacionado con el intercambio de materia y energía con el medio. Ese intercambio permite que el ser vivo mantenga la organización, se reproduzca y con el paso del tiempo pueda evolucionar. Los distintos seres vivos toman del medio diferente tipo de materia y diferente tipo de energía. Los autótrofos toman del medio materia inorgánica y energía solar de la luz. Los heterotrofos toman del medio materia sobre todo orgánica y algo también de inorgánica y energía química. Los autótrofos transforman la materia inorgánica en orgánica para los heterotrofos. Que la cual mediante fotosíntesis contiene energía química. Los heterótrofos, la utilizan, manteniendo la organización, y producen el metabolismo, transformándola en inorgánica, y la energía se desprende en forma de calor. Por lo tanto, con la materia hay un ciclo cerrado, mientras que con la energía es abierto. Las moléculas las utilizamos de una forma muy ordenada, muy precisa, de tal manera, que la energía que contienen las moléculas orgánicas, se mantenga en su mayor parte, en forma de energía química, de energía útil para realizar todo el trabajo biológico y que solo se vaya transformando en forma de energía calorífica la menor parte posible. Es decir, el rendimiento energético de los seres vivos es enorme, y ello es posible porque en la organización de los seres vivos existen unas moléculas proteicas, los enzimas, capaces de canalizar y de organizar de manera específica, todas y cada una de las reacciones químicas que ocurren en el organismo. Forman redes de reacciones relacionadas entre sí. Permiten diversificar los caminos y que por lo tanto consiguen, siguiendo el principio de economía molecular, que se conserve la energía y que con muy pocas moléculas se puedan conseguir muchos resultados. 1 Dibujo. Funciones de relación Tienen que ver con la capacidad que tienen las células y los seres vivos de conocer las condiciones que le rodean, para poder desarrollarse de la mejor manera posible en esas condiciones. Esto exige primero un reconocimiento que es físico o que es molecular, exige también una comunicación en el organismo, y la elaboración de una respuesta integrada. Esa respuesta va a ser también química, y va a dar como resultado la modificación del comportamiento. Funciones de reproducción Tienen que ver con la capacidad de los seres vivos para formar otros organismos semejantes, antes de que la vida del organismo termine. La reproducción de los seres vivos es posible por la presencia en ellos de unas moléculas, los ácidos nucleicos, que tienen la capacidad de autoduplicarse y además de mantener información, durante esa autoduplicación, lo que permite que los nuevos organismos tengan semejanzas. Pero en la duplicación del ADN también se encuentra la capacidad de cambio, lo que permite el proceso de evolución. Los seres vivos están formados por una serie de elementos químicos que no llegan a 20 de los cuales 6 son llamados bioelementos primarios porque se encuentran formando parte de la estructura de las principales moléculas, de ellos hay 4, C, H, O y N, que forman más del 95% de toda la materia viva, y de esos 4 el más característico es el C. Además hay otros elementos químicos que llamamos secundarios porque se encuentran también en la materia viva, disueltos en el agua. Son universales como el Ca, Na, K y Mg; y otros aparecen solo en algunos seres vivos, pero en ellos son imprescindibles. Los que se encuentran en una cantidad menor del 0.1% los llamamos oligoelementos. Bioelementos primarios: C, H, O, N, P, S*. Más del 96% del total Bioelementos secundarios: Ca++, Na++*, K+*, Mg+*, Cl−* Otros*: Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Al, V, Mo, J, Si, F.(Estos 7 últimos, no son universales) *Oligoelementos: Menos del 0.1%. La proporción de elementos químicos que hay en los seres vivos varía con relación a la proporción de elementos que hay en el entorno en el que se formaron los seres vivos. Mientras que el Si es el elemento químico más abundante en la roca de la corteza, y el C es en ella, relativamente escaso. Los seres vivos seleccionaron el C y no el Si, siendo ambos elementos químicos parecidos, sin embargo el C, tiene como ventaja para los seres vivos frente al Si, el ser un átomo más ligero y la capacidad que tiene para formar moléculas reducidas combinadas con el H y con una mayor capacidad energética, mientras que el SI tiende a oxidarse y en esa forma se encuentra en los silicato. Carbono. Es un elemento químico que tiene de valencia 4 y tiene tendencia a compartir electrones, con otros elementos químicos o con otros átomos de Carbono. Y al hacerlo puede compartir una, dos o incluso tres de sus valencias, formando enlaces simples, dobles o triples. Esto da lugar a que a partir del Carbono se puedan formar moléculas químicas muy variadas, y de una gran complejidad. Al compartir las valencias, los electrones, los átomos de Carbono, forman estructuras tetraédricas. 2 Las estructuras tetraédricas que forma el Carbono tienen simetría o no, y tienen más o menos simetría dependiendo de con quien comparta las valencias. Cuando cada átomo de Carbono comparte al menos dos de sus valencias con el mismo elemento químico, o con el mismo grupo funcional, tiene simetría. Mientras que, cuando las 4 valencias del Carbono las comparte con 4 elementos o con 4 grupos funcionales distintos, el Carbono es asimétrico. Y las moléculas que se forman con Carbonos asimétricos, pueden tener formas diversas en función de la orientación espacial que presente, y esto origina que en las moléculas orgánicas halla isómeros geométricos o espaciales. Los isómeros son moléculas iguales en todo, menos en la forma. Como en los seres vivos importa la forma de las moléculas, tienen mucha importancia este tipo de isomería. El Carbono al poder unirse a otros átomos de Carbono o a otros elementos químicos diferentes da lugar a la formación de numerosos grupos funcionales. Hidrógeno. Es el elemento químico más pequeño y el más abundante en los seres vivos. Es abundante porque, sobre todo, forma parte del agua. Pero también porque comparte su único electrón con el Carbono, y al hacerlo forma compuestos reducidos del Carbono. Por lo tanto es un elemento muy abundante en las moléculas orgánicas. Oxígeno. Es un átomo con 6 electrones en la última órbita y con tendencia a compartir 2, para rellenar esa última órbita. También forma parte del agua y de muchos grupos funcionales, (el alcohol, la cetona, el aldehido...). Además se encuentra en muchas moléculas orgánicas, sirviendo de puente entre los monómeros y los polímeros. Nitrógeno. Tiene 5 electrones, y por lo tanto, tiene tendencia a compartir 3 electrones. Y es un elemento que las moléculas orgánicas se intercala en muchas ocasiones en las cadenas de Carbono, contribuyendo a una mayor variedad de estas. Fósforo. Lo encontramos en los seres vivos en forma de ácido ortofosfólico. (H3PO4), disociado en el medio acuoso celular o precipitado en forma de sales, en forma de fosfatos en las formaciones esqueléticas. El ácido fosfórico tiende a formar enlaces covalentes con las moléculas orgánicas, constituyendo enlaces ricos en energía, que se forman para almacenar la energía que se va desprendiendo en los procesos biológicos, y por lo tanto, que se desprende cuando esos enlaces se rompen. Muchas moléculas orgánicas llevan H3PO4. Por ejemplo, ATP, fosfolípidos, nucleótidos... Azufre. Se encuentra formando parte de algunos aminoácidos y es importante en las proteínas porque contribuye a formar enlaces covalentes en ellas que mantienen las estructura. Hay unos bioelementos que son secundarios y que en los seres vivos forman sales pero disueltas en agua. En forma de sales contribuye a las durezas, a las formaciones esqueléticas, y disueltas en el agua de forma iónica cumple funciones importantes en el mantenimiento de las condiciones celulares y extracelulares. Por ejemplo, procesos de osmosis, mantenimiento del PH. 3 Hay otra serie de elementos químicos que se encuentran siempre en cantidades muy pequeñas en forma de oligoelementos, que cumplen funciones específicas. Por ejemplo, el yodo contribuye en los vertebrados a formar la hormona tiroxina. Grupos funcionales: El Carbono al combinarse con elementos químicos da lugar a la formación de una gran variedad de moléculas. Si solo se combina con el Hidrógeno, se forman hidrocarburos. Si hay un carbono se llamará met−, si hay dos et−, si hay tres pro−, si hay cuatro but−, si hay cinco pent−, y así. Si forman un enlace simple se llama −ano, si es doble −eno y si es triple −ino. Los radicales. Los radicales de los hidrocarburos son los alquilos. Es el mismo hidrocarburo que en el extremo tiene una valencia sin saturar y por lo tanto puede unirse a otra molécula. Se nombran igual que el hidrocarburo del que procedan, terminado en −il. Los alcoholes Son las moléculas que se forman cuando en los hidrocarburos se sustituye un Hidrógeno por un OH. Es decir, es un grupo hidróxido. Se nombra igual que el hidrocarburo del que proceda terminado, eso sí, en −ol. Aldehídos y cetonas. Se forman cuando los hidrocarburos se sustituyen dos Hidrógenos por un Oxígeno. Es decir por un grupo carbonilo. Si la sustitución se hace un Carbono primario, es decir, en un Carbono que esté en el extremo de la molécula, lo que se forma es un aldehído. (−al) Mientras que, si la sustitución se hace en un Carbono secundario, es decir, que esté en el interior de la molécula entre otros dos Carbonos, lo que se forma es una cetona. (−ona) Los ácidos. Se forman a partir de los hidrocarburos cuando en estos se sustituyen dos Hidrógenos por un Oxígeno y un tercer Hidrógeno por un OH. Es decir, son las moléculas que llevan el grupo carboxilo. −oico. Los ácidos cuando se encuentran en un medio acuoso se ionizan pudiendo combinarse con iones metálicos formando sales. −ato. Aminas Se forman cuando en un hidrocarburo se sustituye un hidrógeno por un grupo amino o bien de revés, cuando se sustituye uno de sus hidrógenos por un radical alquilo. Ch3 N Ch3 Dimetil, etil, amina. Ch3 4 Biomoléculas en los seres vivos EL AGUA El H2O es la molécula más abundante en los seres vivos. Varía de unos a otros, y de unas partes del organismo a otras. Pero como media, un 70% de un ser vivo es H2O. El H2O tiene unas características. Es un líquido muy especial. Estructura dipolar. Formado por dos átomos de H2, y uno de O2. Entre sí forman un ángulo de unos 105º. En el vértice del ángulo está el O2. Y en los lados están los H2, que dan lugar a la formación de un armazón tridimensional, que se mantiene incluso en el estado gaseoso y que no se rompe del todo hasta que el H2O no alcance los 600 ºC. Esto le da al H2O. El enlace que une a las moléculas es en parte covalente y en parte iónico. 2/3 covalentes, 1/3 iónicos. Esto permite que un porcentaje de las moléculas de H2O, se encuentren disociados. Enlaces El enlace más frecuente es el covalente. Aparece en las moléculas de H2O, y en todas las moléculas orgánicas. Aparece también uniendo los monómeros para formar los polímeros. Y es un enlace fuerte que contribuye a la estabilidad de las moléculas orgánicas. El enlace iónico también es frecuente en los seres vivos, se encuentra en las sales y en los iones metálicos que se unen a las moléculas orgánicas. Contribuye a dar forma a las moléculas. En el medio acuoso se comporta como un enlace débil que se mantiene únicamente en zonas donde no hay agua. Puente de H2 Es una atracción electrostática débil que se da entre elementos químicos, unos muy electronegativos y otros muy electropositivos. Situados en distintas zonas de una misma molécula o en diferentes moléculas. Aparece sobre todo entre el N2 y el H2 o entre el O2 y el H2. En los seres vivos los puentes de Hidrógeno son muy importantes. Contribuyen a mantener estructuras moleculares. Las interacciones hidrofóbicas Son atracciones que se establecen entre moléculas insolubles en agua cuando se encuentran en un medio acuoso. La tendencia de esas moléculas es a unirse lo más posible entre sí, de manera que el contacto con el agua sea la mínima posible. Son interacciones hidrofóbicas lo que mantiene unidas a las membranas celulares. Las fuerzas de Van der Waals Son atracciones electrostáticas inespecíficas entre zonas de moléculas que en conjunto tienen un exceso o una orientación desequilibrada de los electrones. El agua tiene dos propiedades básicas: • Es bipolar, mas o menos. 5 • Enlace covalente, pero no completamente. La gran cohesión que hay entre las moléculas de agua garantiza la unidad del medio interno, y en concreto permite el acceso de la savia bruta en contra de la gravedad por los vasos leñosos de la planta o árbol. El agua tiene un elevado punto de fusión y de ebullición. Tiene un gran calor específico. Y el conjunto de todas esas propiedades facilita que se mantenga la temperatura de las células con independencia de la temperatura externa, que no cambie la temperatura, que cambie con dificultad. Permite que se mantenga los seres vivos en el interior de los lagos o de los mares que se hielan por el invierno. El agua disuelve a una gran cantidad de sustancias porque disuelve tanto a las sustancias iónicas como a las polares, que son la mayor parte de moléculas orgánicas. A las que son macromoléculas y por ello no las puede disolver, las dispersa formando disoluciones coloidales. Y a las únicas moléculas de los seres vivos que el agua no puede ni disolver ni dispersar, son las que llevan cadena hidrocarbonada, que en este caso tienden a formar grandes masas específicas. Algunas moléculas orgánicas tienen una parte hidrocarbonada, por lo tanto hidrófoba. Y otra con grupos polares o que se ionizan, y por lo tanto, hidrófila. Esas moléculas son anfipáticas. CH3 − CH2 − CH2 − COOH ANFIPÁTICAS. −−−Hidrófoba−−−−−−−−.−hidrófila−. Dibujos de micelas y liposomas. El agua reacciona con una gran cantidad de moléculas pudiendo producir, o bien hidratación, o bien hidrólisis. En la radiación el H2O se incorpora en determinadas moléculas y en la hidrólisis las moléculas de H2O sirven para romper moléculas. Por hidrólisis se rompen la mayor parte de moléculas orgánicas. Los polisacáridos se convierten en monosacáridos. Los lípidos en ácidos grasos. Las proteínas en aminoácidos. Los ácidos nucleicos en nucleótidos. Dibujo SALES En los seres vivos, las sales se pueden encontrar precipitadas en las formaciones esqueléticas, en el medio acuoso, tanto en el medio intracelular como en el extracelular. Unas y otras no atraviesan fácilmente la membrana de las células porque esta es semipermeable. Esto desencadena que las sales disueltas originen en la membrana de la célula una determinada presión osmótica cuando la presión que ejerce las que están fuera hacia dentro, y las que están dentro se igualan, la célula puede mantener su tamaño y tu turgencia. Dibujos Las sales disueltas en el medio celular y en el extracelular contribuyen también a mantener la acidez, el PH adecuado de las células, que tiene que mantenerse cercano a la neutralidad, porque en caso contrario, la forma 6 de las macromoléculas, de las proteínas, de los ácidos nucleicos, se desnaturalizarían. Las sales que contribuyen a mantener la acidez de las células forman lo que se llaman sistemas tampón o amortiguadores. Esas sales son sales cuyos ácidos son ácidos débiles y que tienen un equilibrio químico que se desplaza hacia el ácido o hacia la sal, fácilmente, en función de la concentración que en cada momento hay a en la célula de iones H2. De tal manera que los suministran, si hacen falta, o los retiran del medio celular si están en exceso. Hay varias sustancias que contribuyen a esta acidez de las sales. Pero en el medio intracelular funcionan como sistemas amortiguadores, los fosfatos; y en el medio extracelular, el bicarbonato. SISTEMA FOSFATO H2PO4− + H2O HPO4− + H2O + H+ SISTEMA BICARBONATO NaHCO3 + H+ Na+ + H2CO3 H2CO3 CO2 + H2O Las sales minerales cumplen en el organismo funciones específicas, por ejemplo, activar diferentes enzimas e intervenir también en los procesos que tiene que ver con la comunicación celular, como son por ejemplo la entrada de sustancias en la célula, el movimiento o el desplazamiento de las fibras de actina sobre las de miovina y también, la transmisión del impulso nervioso a través de las neuronas. MOLECULAS ORGÁNICAS GLUCIDOS Son moléculas orgánicas características de los seres vivos, color blanco, sabor dulce, reductoras, solubles en agua o que por hidrólisis, se convierten en sustancias de esas características. Por lo tanto, vemos que hay dos tipos: • Sencillos: no sufren hidrólisis, representan esas características. Son osas. • Complejos: sufren hidrólisis. Son ósidos. OSAS o Monosacáridos (Se descomponen por hidrólisis) Disacáridos Holósidos Oligosacáridos Polisacáridos Homosacáridos Heterosacáridos OSIDOS o Polisacáridos Heterósidos (No se descomponen por hidrólisis) 7 OSAS Son azúcares sencillos formados por un tipo de molécula de glúcido. Desde el punto de vista químico son polihidroxialdehidos o polihidroxicentonas. Es decir, cadenas de 3 a 7 carbonos, que llevan en cada uno, un grupo hidroxilo (−OH), menos en uno que lleva un grupo carbonilo, (Aldehído o cetona). Se nombran en función del número de Carbonos que tengan. Terminado en −osa y poniendo delante aldosa− o cetosa−. Cuando llevan los −OH a la izquierda se les llama poniendo una L− delante, y una R− si los −OH están a la derecha de la molécula lineal. En los seres vivos, todos los monosacáridos son D−. Son asimétricos los carbonos en una molécula los que no están en un extremo. Ejemplos Cuando cambia de posición todos los −OH asimétricos son enantiomorfos. Cuando cambia de posición algunos −OH asimétricos se llaman epímeras. Estas moléculas hay que saberlas de memoria. Moléculas lineales: Moléculas lineales. Los isómeros geométricos se diferencian únicamente por sus propiedades ópticas. El resto de propiedades las tienen idénticas. Por ello se las llaman también isómeros ópticos. La propiedad óptica que tienen diferente es hacia donde desvían la luz polarizada cuando esa luz por una disolución de esa sustancia. Ciclación de las moléculas. Las moléculas de monosacáridos de más de 5 carbonos, cuando se disuelven en el agua establecen un enlace entre el carbono aldehído o cetónico y el carbono alcohólico situado en la penúltima posición, último carbono asimétrico, que es de tipo hemiacetal o hemicetal interno, y que cicla o cierra la molécula. Hemiacetal−−−−−−−−−aldehído + alcohol Hemicetal−−−−−−−−−−cetona + alcohol Lo que ocurre es, simplemente, una reorganización en los enlaces de la molécula que sigue teniendo, por lo tanto, el mismo número de carbonos, hidrógenos y oxígenos, y los mismos grupos funcionales, y es reversible. En las moléculas cicladas, los −OH que en la molécula lineal estaban a la derecha se ponen hacia abajo, y los que estaban a la izquierda se ponen hacia arriba. En realidad, lo que esto significa, es que quedan por debajo o por encima del plano que forman los carbonos. Al cerrarse la molécula, el carbono carbonílico, se hace asimétrico, lo cual da lugar a que aparezcan dos nuevos isómeros que se llaman , cuando el −OH del carbono carbonílico queda hacia abajo; y , si el −OH queda hacia arriba. 8 Al ciclarse los monosacáridos unos forman un anillo hexagonal, se le llama pirano. Y si forman un anillo pentagonal, se le llama furano. Estas moléculas hay que saberlas de memoria Son moléculas lineales y cicladas. Moléculas lineales y cicladas. Al ciclarse las moléculas, el carbono carbonilo deja de ser C = O, y pasa a ser C − OH, sin embargo, ese C − OH que aparece, no es alcohólico, sigue siendo carbonílico. La molécula se sigue comportando como si tuviera un carbono carbonílico. Los monosacáridos tienen poder reductor porque llevan un carbono carbonílico con posibilidad de oxidarse reduciendo a otras moléculas. Cuando la molécula está ciclada no pierde el poder reductor, lo cual nos indica que el carbono carbonílico se sigue comportando como tal. En realidad, cuando los monosacáridos de 5 o 6 carbonos se disuelven en agua, se produce una mezcla en el agua, que se llama racémica, de monosacáridos , , y abiertos. Y en un principio se produce una cierta inestabilidad porque unas se cierran, otras se abren... etc., hasta que se alcanza un equilibrio con un porcentaje de cada tipo. Funciones de los monosacáridos en los seres vivos. La principal función de los monosacáridos es la de aportar energía en todos los procesos que la necesitan. Cuando hay monosacáridos en exceso, se unen a otros monosacáridos y quedan como sustancias de reserva. Además algunos monosacáridos son intermediarios del metabolismo. Otros monosacáridos sirven para formar otros tipos de moléculas más complejas, por ejemplo, las pentosas forman los nucleótidos. También los monosacáridos se pueden transformar en otras moléculas que actúan como vitaminas. OSIDOS Son las moléculas de glúcidos que se pueden romper por hidrólisis y transformarse en osas. Eso significa, que están formados por varias moléculas de monosacáridos. Cuando se unen entre sí, las moléculas de los monosacáridos para formar ósidos, las que se unen son moléculas cicladas, es decir de 5 o 6 Carbonos. Y lo hacen mediante unos enlaces o_glicosídico, en el que se pierde una molécula de agua y se unen el carbono carbonílico de uno de los monosacárico con un carbono alcohólico carbonílico de otro monosacárido. Al perderse la molécula de agua quedan unidos por un puente de oxígeno. Si se unen un carbonílico con un alcohólico da un monocarbonílico. Si se unen un carbonílico con un carbonílico da un dicarbonílico. Si el enlace es monocarbonílico, se pueden unir sucesivamente muchos monosacáridos, y si es dicarbonílico, solo se pueden unir dos. Maltosa y lactosa Cuando el enlace es monocarbonílico, la molécula que se forma, se nombra indicando el nombre de las dos moléculas que participan en el enlace. La que aporta el carbono carbonílico se coloca a la izquierda, y se 9 nombra terminado en −osil; la segunda se coloca a la derecha, y se nombra terminado en −osa. Se indica además que Carbonos participan en el enlace y si es o el carbono carbonílico. Cuando el enlace es dicarbonílico, las dos moléculas aportan el carbono carbonílico al enlace. En este caso, la primera que participa en el enlace se nombra terminada en −osil, y la segunda terminada en −osido. Dicarbonílico Al formarse el enlace O−glicosídico, se pierde una molécula de agua, por lo tanto, para romper ese enlace hay que introducir una molécula de agua. Se rompe por hidrólisis. Al unirse esas mediante enlaces o−glicosídicos, se forman distintos tipos de moléculas que se diferencian entre sí, por el número de monosacáridos que las formen, por los monosacáridos que lleven, y por la función que realicen en los seres vivos. La maltosa se encuentra en la manta. La lactosa es el azúcar que se encuentra en la leche. Los disacáridos que no tienen carbonos carbonílicos libres, no son reductores. La sacarosa Los polisacáridos se forman cuando se unen entre sí muchas moléculas de monosacáridos, mediante enlace o−glucosídico monocarbonílico. En los polisacáridos más frecuentes los que se unen son cientos y miles de moléculas de glucosa. En el glucógeno y el almidón se unen moléculas de −glucosa, con enlace (1−4) excepto de donde hay ramificaciones que el enlace es (1−6). • El glucógeno es el polisacárido de reserva en las células animales. • El almidón es también un monosacárido que reserva glucosa en las células vegetales. En los granos de almidón hay en realidad dos moléculas distintas, la −amilosa (que no tiene ramificaciones), y la amilopectina (que sí las tiene). • La celulosa es otro polisacárido frecuente. Está formado por miles de moléculas de −D−glucopiranosa. Por lo tanto se unen entre sí, mediante enlaces −(1−4). El enlace −(1−4), es más estable que el enlace . Por lo tanto la celulosa es un polisacárido estructural para formar la pared de las células. Heterósidos. Hay uno muy importante, la quitina, que se encuentra en la pared celular de algunos hongos. LÍPIDOS Los lípidos son moléculas orgánicas que presentan una gran variedad estructural. Desde el punto de vista químico son diferentes unos a otros, sin embargo, tienen una serie de características físicas comunes. Y nos permite definir como límites. 10 • Son insolubles en agua. • Son solubles en disoluciones orgánicas. • Son poco densos. • De color blanco o claro. • Tienen bajo punto de fusión. • Ser líquidos a la temperatura ambiente o hacerse en seguida líquidos aumentando un poco la temperatura. • Untuosos al tacto. Tipos de lípidos: − Grasas neutras Lípidos simples, (C, H, O). Saponificables − Ceras (ácidos grasos)− Fosfolípidos − Esfingolípidos Lípidos complejos, (C, H, O, P, N). No − Esteroides saponificables − Terpenos Ácidos grasos Son ácidos orgánicos con una larga cadena hidrocarbonada con un gran número de Carbonos. (Más de 10). En los seres vivos, los ácidos grasos, son de un número par de Carbonos, y suelen ser entre 14 y 24. Estos ácidos grasos pueden ser saturados o no. Son saturados cuanto todos los carbonos están unidos mediante enlaces simples, y no saturados, cuando hay al menos un doble o triple enlace. Ácidos grasos. Los ácidos grasos son moléculas que con respecto al agua, tienen un comportamiento anfipático, por lo tanto formarán liposomas o micelas. Los ácidos grasos pueden reaccionar con las bases fuertes formando la sal del ácido graso. Saponificación. Saponificables Grasas Desde un punto de vista químico, triacilglicéridos, es decir, moléculas que se forman por la unión o condensación, mediante enlace ester, de tres ácidos grasos iguales o distintos con la glicerina, con el propanotriol. El enlace ester se forma cuando se une un ácido orgánico o no con un alcohol, desprendiéndose en la unión una molécula de agua, por lo tanto, el enlace ester se rompe por hidrólisis. Grasas y 1−3 pamitil, 2 oleil glicérido Las grasas son saturadas o no, en función de los ácidos grasos que lleven. Saturados son aquellos q todos sus ácidos grasos son saturados, y no saturados son aquellos que alguno de sus ácidos grasos no son saturados 11 1 ácidos graso no saturado−−−−−−−−−−−−−−−−−−− Monoinsaturado. Varios ácidos grasos no saturados−−−−−−−−−− Polinsaturado. Las grasas son insolubles en agua y en el medio acuoso forman gotas de grasas. Funciones de las grasas • Constituyen reserva energética en todos los seres vivos. • Al ser insolubles en agua y formar depósitos de agua, tienen una función aislante y protectora. Suele estar donde hay órganos blandos para aislarlos. Ceras Son ésteres de un ácido graso y un alcohol de cadena larga. Habitualmente del mismo número de Carbonos que el ácido graso. Son insolubles e impermeables en agua. Fosfolípidos Son esteres de la glicerina con dos ácidos grasos y un ácido fosfórico. En las que el ácido fosfórico se sitúa en situación trans en relación con los ácidos grasos. Se le añade por enlace éster un amino alcohol. Esquema, y ejemplo. La característica básica de los fosfolípidos es que son anfipáticos, a parte de insolubles en agua. Las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos forman colas hidrófobas, pero la zona más corta donde se encuentra el ácido fosfórico y el amino alcohol, constituyen una cabeza hidrófila. Por eso, estas moléculas son las adecuadas para formar las membranas celulares. Y esa es la función que tienen en los seres vivos. Es una función estructural. Esfingolípidos y glucolípidos Tienen una molécula en parte diferente a los fosfolípidos, pero también llevan colas constituidas por ácidos grasos hidrófobos y cabezas hidrófilas. Por lo tanto también son moléculas anfipáticas y se encuentran formando parte de las membranas celulares. No saponificables. En su molécula no llevan ácidos grasos. En los seres vivos estos lípidos tienen funciones específicas. Algunos de estos lípidos forman vitaminas, hormonas. Algunos son sustancias coloreadas, o aromáticas, (los colores y aromas de las plantas dependen de estos lípidos), y entre ellos los hay a su vez de dos tipos: Esteroides Derivan de la molécula estereno. Forman vitaminas y hormonas entre los cuales está el colesterol. Éste es anfipático. Es un componente de las membranas celulares. Tiene una función estructural. Colesterol Terpenos 12 Son polímeros que se forman a partir del isopreno. Éste es el 2−metil, 1−3−butadieno. Se van uniendo diferentes moléculas de isopreno y se forma los terpenos. Isopreno PROTEINAS Las proteínas y los ácidos nucleicos forman un grupo de moléculas que se caracterizan por ser exclusivas de los seres vivos pero se caracterizan además porque son exclusivos de cada ser vivo y por lo tanto contienen una cantidad de información mucho mayor que el resto. Son las moléculas responsables de la diversidad de los seres vivos. Esta exclusividad se consigue sin embargo estando formada, tanto las proteínas como los ácidos nucleicos, por los mismos componentes básicos en todos los seres vivos. Las proteínas están formadas por aminoácidos. Los mismos en todos los seres vivos. Y los ácidos nucleicos están formados por nucleótidos. Y también los mismos nucleótidos en todos los seres vivos. Sin embargo, a medida que se van uniendo, se van formando polímeros diferentes porque la ordenación va siendo distinta en cada molécula. Son cadenas polipeptídicas con una forma tridimensional característica que se forman a medida que se van uniendo entre sí aminoácidos mediante enlace peptídico. La forma tridimensional que se adquiere es muy importante porque determina la función que va a tener cada proteína, de tal manera, que un cambio en la forma supone un cambio en la función, pero a su vez la forma depende de la secuencia de aminoácidos que tenga la cadena polipeptídica, por lo tanto cualquier cambio en el orden o en los aminoácidos que lleve en la proteína va a provocar un cambio en su forma. Los aminoácidos Las proteínas se forman por una combinación de 20 aminoácidos diferentes entre sí, pero que todos ellos son ,L,−aminoácidos. La diferencia entre unos y otros está en la cadena lateral, ®. Los aminoácidos pueden llevar: • cadena hidrocarbonada, ,L,−aminoácidos • cadenas alcohólicas, • átomos de S, • grupos ácidos, • grupos amino, • cadenas aromáticas. Esas diferencias en ® hacen que no todos los aminoácidos tengan las mismas propiedades, pueden ser: • neutros • ácidos • bases • solubles en agua • anfipáticos Las propiedades que van a tener las proteínas dependerán de la proporción que haya en cada proteína de los distintos aminoácidos y de la zona de la proteína en la que se encuentren esos aminoácidos. La mayor parte de los aminoácidos, en el medio acuoso se comportan como ácidos, como bases o como sustancias neutras dependiendo de la acidez del medio. 13 Enlace peptídico Se forma cuando se une el grupo ácido de un aminoácido con el grupo amino del aminoácido siguiente, perdiéndose en la unión una molécula de agua y quedando unidos directamente el Carbono y el Nitrógeno. Enlace peptídico Al unirse dos aminoácidos mediante este enlace, se forma un dipéptido. Siempre crecen por el extremo amino al ácido. Resonancia Aquí se produce resonancia. El doble enlace no tiene porque estar siempre entre C y O. También puede estar entre C y N. Esto hace que el enlace peptídico sea en parte un doble enlace. Y es rígido, por ahí la cadena no puede girar. Ejercicio Sabiendo que el aminoácido cys tiene como cadena lateral −CH2 −SH; que el enlace ala tiene como cadena lateral −CH3; que el aminoácido lys tiene como cadena lateral −(CH2)4 −NH2; y que el aminoácido asp tiene como cadena lateral − CH2 −COOH. Escribir los siguientes pentapéptidos: • Cys− ala− lys− asp • Asp− lys− ala− cys Esquema rápido de la cadena principal y las cadenas laterales Estructura de las proteínas Las proteínas son cadenas polipéptidicas muy largas. Pueden tener desde más de 50 aminoácidos hasta más de 2000, que se pliegan adquiriendo una forma tridimensional, una conformación característica que determina la función que va a realizar esa proteína. La forma final la adquiere la proteína a través de sucesivos plegamientos de la cadena lineal, lo que permite diferenciar en las proteínas, distintas estructuras, cada una de las cuales indica un determinado grado de plegamiento de la proteína. Hay cuatro estructuras: Primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. La estructura primaria es la cadena polipeptídica sin plegar con las cadenas laterales situadas en el orden determinado por la secuencia de aminoácidos. Esa estructura determina que tipos de plegamientos posteriores va a tener la cadena polipeptídica y por lo tanto, su forma final. La estructura secundaria aparece a medida que la cadena comienza a plegarse por el C. Y aminoácidos que están cerca, se van uniendo por enlaces de Hidrógeno en los que participan el Oxígeno y el Hidrógeno del grupo peptídico. En las proteínas suele haber diferentes combinaciones de plegamientos secundarios. Algunos son exclusivos de proteínas completas, pero otros aparecen en muchas proteínas, entre ellos está el − hélice y la estructura − plegada. En ésta última, la cadena principal va adquiriendo una configuración en zig−zag, alternando hacia arriba y hacia abajo, las diferentes componentes. Para que esta estructura se mantenga, se necesita que en otra zona de la proteína, la cadena polipeptídica tenga también una zona , donde se puede establecer puentes de 14 Hidrógeno entre los Oxígenos de la cadena polipeptídica y los Hidrógeno. La estructura − hélice, se produce cuando la cadena polipeptídica va girando en espiral de manera que los aminoácidos situados en una determinada posición de la cadena tienen enfrente al situado, 4 posiciones antes y 4 posiciones después. De tal manera, que se establecen puentes de Hidrógeno entre el Oxígeno de ese aminoácido y el Hidrógeno situado 4 posiciones antes y también entre el Hidrógeno de ese aminoácido y el Oxígeno situado 4 posiciones después. Esta estructura es más estable que la otra. Las ® van quedando hacia fuera de la espiral. Dibujo de las ® Estructuras − hélice y − plegada La estructura terciaria resulta de una combinación de estructuras secundarias. Cada zona de la proteína plegada con una determinada estructura secundaria, se pliega aún más hasta adquirir una forma tridimensional característica y que para muchas proteínas es la forma final. Al hacerlo, se establecen uniones entre aminoácidos que en la cadena lineal podrían estar muy alejados entre sí, y quienes participan en esas uniones son habitualmente las ® de los aminoácidos. Aunque esa estructura terciaria varía, es diferente para cada proteína, en general, distinguimos proteínas fibrosas, en la que su forma final es muy alargada, y proteínas globulares o en ovillo, en la que su forma final es más o menos redondeada. A medida que una proteína se va formando, se puede observar, la existencia de dominios diferentes. Definimos dominio como una determinada zona de la cadena que se pliega con independencia del resto. Para que la estructura terciaria se mantenga se necesita que haya enlaces entre las ®. Son enlaces de naturaleza diversa, dependiendo de cuales sean los aminoácidos que queden cerca. Pueden ser enlaces covalentes, iónicos, interacciones hidróficas, puentes de Hidrógeno, fuerzas de Van der Walls. Los enlaces covalentes son importantes porque al ser fuertes, estabilizan la forma final y mucho. En cada proteína suele haber dos o tres enlaces y en ellos participa siempre el aminoácido cisteína. Cisteína. La estructura cuaternaria la presentan solo aquellas proteínas que están formadas por varias cadenas polipeptídicas diferentes y se refiere a la forma de unirse las cadenas polipeptídicas. Por ejemplo, la hemoglobina, que es una proteína formada por cadenas polipéptidas, dos a dos iguales entre sí y unidas a una zona no proteica llamada el grupo hemo, donde se encuentra el Fe. Dibujo Propiedades de las proteínas Al ser macromoléculas, no son solubles, pero pueden ser hidrófilas o hidrófobas. Con las que son hidrófilas el agua puede formar dispersiones coloidales. La desnaturalización se produce cuando al cambiar las condiciones celulares la forma de las proteínas se altera porque se rompen los enlaces de puente de Hidrógeno o los que sea, que mantienen la estructura secundaria y terciaria. Esto ocurre cuando cambia el PH, cuando cambia la temperatura en exceso. En teoría una proteína 15 desnaturalizada se puede volver a naturalizar. La mayor parte de los casos no es así. Otra propiedad es la espenfidad. Las proteínas tienen cada una de ellas una función específica debido a que necesitan mantener la forma para realizar la función y a que esas formas dependen de la estructura primaria. Cada proteína realiza una función concreta. Cuando en individuos de distinta especie hay proteínas que sirven para la misma función, la forma de ellas necesariamente tiene que ser muy parecida, aunque cambien algunos de los aminoácidos. Esto permite hacer comparaciones de proteínas. Tipos de proteínas Por la forma pueden dividirse en fibrosas o globulares. En muchos casos una fibrosa se forma por la unión de muchas globulares. Dibujo Por los elementos que lleven pueden dividirse en holoproteínas, formadas por una o varias cadenas polipeptídicas, o heteroproteínas, formadas además de por una o varias cadenas polipeptídicas, por una parte no proteica. Funciones de las proteínas Cumplen muchas funciones. En general, hay proteínas estructurales. Entonces forman parte de las membranas celulares. Tienen, también, una función enzimática. Es decir, sirven para catalizar de forma específica todas las reacciones químicas que ocurren en el organismo. Otra función más, es la reguladora. Por ejemplo, hay proteínas como la insulina que son hormonas, y las hormonas siempre regulan. Además está la función transportadora. Como por ejemplo, la hemoglobina que transporta el Hierro. La función defensiva sería otra. Un ejemplo son los anticuerpos. Además de lo anterior también tienen la función contráctil. Por ejemplo, en el músculo, que permite su alargamiento y su acortamiento. Por último, también tienen una función energética. Como por ejemplo la albúmina del huevo. En general, las proteínas no tienen esta función. Solo en casos extremos, cuando el organismo no tenga otra fuente energética, se podrá utilizar a las proteínas como energéticas. ACIDOS NUCLEICOS Son moléculas que contienen la información genética primaria. Son moléculas complejas que se forman por la unión mediante el enlace de tipo éster de otras moléculas que también son complejas. (Los nucleótidos). Los nucleótidos Los nucleótidos son moléculas formadas por la unión, mediante enlace éster, de un ácido fosfórico y un nucleósido. Éste a su vez, se forma por la unión, mediante enlace 16 n−glicosídico de una pentosa y una base nitrogenada. En los nucleótidos de los ácidos nucleicos, el azúcar o la pentosa que lleven, puede ser: • −D ribofuranosa. • −D desoxirrifuranosa. Esquema de nucleótido y tipos de nucleótidos. Las bases nitrogenadas. Unas son purícas, que llevan la estructura de la purina. Y otras son piriminínicas, que derivan de pirimidina. Esquema de las purícas y pirimidínicas Bases purícas. Tenemos la adenina (6,aminopurina) y la guanina (2,amino−6,oxipurina) Bases pirimidínicas. Tenemos la timina (2,4,dioxi−5,metil), la citosina (2,oxi−4,amino) el uracilo (2,4,dioxi). Esquema de un nucleósido púrico y otro pirimidínico. Esquema de un nucleótido púrico y otro pirimidínico. Resumimos en este esquema las bases nitrogenadas. Adenina Púrica Guanina BASES Citosina Pirimidínica Uracilo (Cuando es ribosa) Timina (Cuando es desoxirribosa) • Sabiendo que la guanina es 2−amino, 6−oxipurina, escribir un nucleótido de ribosa que lleve como base guanina. (ácido guanílico). • Ácido desoxicitinílico, sabiendo que la citosina es 2−oxi, 4−aminopirimidina. Los polinucleótidos Los nucleótidos se pueden unir mediante enlace de tipo éster, se forman largas cadenas de nucleótidos que son los polinucleótidos. Al unirse se unen siempre el Carbono 3' con el ácido fosfórico situado en la posición 5' del otro nucleótido. Al quedar libre el 3', por ese extremo se puede unir otro nucleótido y de esta manera se pueden unir un número indefinido de nucleótidos. Polinucleótidos es a partir de 3 mononucleótidos. 17 Esquema de un polinucleótido En todos los polinucleótidos hay dos extremos diferentes: • El ácido que tiene el ácido fosfórico libre o extremo 5'. • El que tiene en el 3' el OH libre. Los polinucleótidos crecen del 3' al 5'. Cuando los nucleótidos se unen para formar polinucleótidos, o todos los nucleótidos son de ribosa, o todos son de desoxirribosa. En cualquier caso, en los polinucleótidos se diferencian también un eje común a todos ellos formado por el fosfórico−pentosa, fosfórico−pentosa, fosfórico−pentosa,.... etc... del que sobresalen las bases nitrógenadas. Eje de los polinucleótidos La diferencia entre un polinucleótido y otros está, no en el eje principal, tampoco en los tipos de bases, (a excepción de lo de Uracilo y Timina, que también es otra diferencia), sino que está en el orden en el que se coloquen las bases. En ese orden está codificada la información genética. Los ácidos nucleicos Moléculas formadas por moléculas de polinucleótidos. Se distinguen dos tipos de ácidos nucléicos: • Ácido ribonucleico −−−−−−−−−ARN • Ácido desoxirribonucleico−−−−−−−−−−ADN Las diferencias entre uno y otro, están en la pentosa que llevan, en alguna de las bases, en la estructura y en la función que realizan. El ADN Contiene la información genética que se transmite de célula en célula y de generación en generación, debido a su capacidad para autoduplicarse. Está formado por dos hebras de polinucleótidos de desoxirribosa antiparalelas complementarias, y con una estructura secundaria en doble hélice. Esa estructura en doble hélice adquiere una organización más compleja en las células, al enrollarse sobre sí mismas y/o al unirse a proteínas. El ADN Las dos hebras de doble hélice se enrollan entre sí de manera que las bases quedan hacia el interior y el eje principal fosfórico−azúcar, fosfórico−azúcar... queda en la parte externa. Las bases se situan de forma perpendicular a un eje de doble hélice y se sitúan entre ellas a la distancia adecuada como para que la citosina y la guanina se establezcan tres puentes de hidrógeno y entre la adenina y la guanina dos. Los puentes de hidrógeno son los únicos enlaces que mantienen unidos a la doble hélice aunque cada uno de ellos sea muy débil. Es una estructura estable. 18 ADN enrollado El ADN se puede desnaturalizar al cambiar las condiciones de la célula. Pero también se puede renaturalizar. Las moléculas de ADN tiene dos características básicas: • Contiene información genética. • Capacidad para autoduplicarse. Para ello debe abrirse, y así los nucleótidos complementarios de cada hebra abierta se van uniendo y se va formando dos nuevas dobles hélices y cada una de ellas tiene una hebra de la original molécula y la otra es recién formada. Esta forma de duplicarse es semiconservativa que garantiza el mantenimiento de la información genética. Autoduplicación • Capacidad para que a partir de ella se formen moléculas de ARN que van a llevar la información para la expresión de los genes. Para que ello ocurra la molécula de ADN se abre un trozo, utilizando como molde una de las hebras. Se forma así una molécula de ARN que una vez formada sale del ADN y este se recupera intacto. Formación del ARN El ARN Son moléculas formadas por polinucleótidos de ribosa con una única hebra que llevan como bases la adenina, la guanina, la citosina y el uracilo. Hay tres tipos de ARN: • ARNn, es mensajero. • ARNr, es ribosómico. • ARNt ó s, es de transferencia o soluble. Todos ellos se producen a partir de trozos de ADN e intervienen en el traspaso de la información de ADN hasta las proteínas, es decir, en la formación de éstas. Cada uno de ellos lo hace de forma distinta y por eso son diferentes: • En el tamaño. • En la forma tridimensional que tienen. • En el lugar de la célula en que se encuentran. • En el tiempo que permanecen en la célula desde que se forman. ARNr, forma parte de los ribosomas y en ellos se une a proteínas del ribosoma. Se forma a partir de trozos de ADN situado en el nucleolo de las células y en cada ribosoma hay tres diferentes moléculas de ARNr. ARNt ó s, se encuentra en el citoplasma unido en determinados aminoácidos o libre. Hay 61 moléculas de ARN de transferencia o solubles diferentes, que son parecidos en casi toda la molécula pero cada una de ellas se diferencia en las demás sobre todo en tres nucleótidos, situados hacia la mitad de la molécula y que forman anticodon. Por el extremo 3' se unen a un aminoácido, cada uno de ellos sólo a un aminoácido específico. Estas moléculas de ARN después de formada se pliegan y adquieren una forma tridimensional específica en la que en determinadas zonas forman una estructura en doble hélice. ARNs, hay muchas moléculas posibles diferentes. Tantas como proteínas pueden haber en las células. Se forman a partir de diferentes trozos de ADN y por lo tanto los distintas moléculas de ARNs son diferentes en cuanto a la longitud y en cuanto a la secuencia de nucleótidos que lleven. Una vez formadas permanecen en la 19 célula muy poco tiempo, el suficiente para atravesar los ribosomas y para que en ellos se lea la información que llevan en tripletes de nucleótidos en codones información y en el ribosoma se vayan formando las proteínas. En los ribosomas convergen para formar las proteínas los tres tipos de ácidos ribonucleicos. Las proteínas se forman en los ribosomas a medida de que estos se van uniendo aminoácidos. Para ello la estructura de los ribosomas tiene ARN ribosómico. Para ello también el ARN mensajero va atravesando el ribosoma y le va informando de que aminoácidos debe unir. Esa información la lleva en los tripletes de nucleótidos, en los codones de información. Y el ARN trasferente, con los anticodones, se encarga de llevar al ribosoma el aminoácido que en cada caso se debe incorporar en función del triplete de ARN mensajero que esté en ese momento en el ribosoma. Acciones del ARN Hablaremos de otros nucleótidos para concluir: Algunos nucleótidos no forman parte siempre de los ácidos nucleicos. Se encuentran en las células como coenzimas, permitiendo el funcionamiento de los enzimas porque se encarga de llevar grupos funcionales de unas reacciones a otras. También intervienen en trasferencias energéticas de unas reacciones a otras. Entre ellos está: Dibujo de éstos ATP AMP cíclico NAD+ NADP+ FAD 20