T.P. de Química a) ¿A qué se llama biomoléculas? ¿Qué y cuáles son los bioelementos? b) Biomoléculas inorgánicas y orgánicas. c) Generalidades estructurales y funciones biológicas de glúcidos. d) Generalidades estructurales y funciones biológicas de proteínas. e) Generalidades estructurales y funciones biológicas de lípidos. f) Generalidades estructurales y funciones biológicas de ácidos nucleicos. a) Una biomolécula es un compuesto químico que se encuentra en los organismos vivos. Se compone de sustancias químicas como el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, sulfuro y fósforo. Desempeñan funciones de constituir la estructura de la célula o realizar una actividad funcional. Se denominan bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos. Pueden aparecer aislados o formando moléculas. Se agrupan en dos categorías. Bioelementos primarios: aparecen en una proporción del 95% en la materia viva y son el carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, fósforo, azufre, son indispensables para formar las biomoléculas orgánicas. Las propiedades físico-químicas se caracterizan por qué. Tienen enlaces covalentes estables que comparte pares de electrones. Los seres vivos se adaptan al campo gravitatorio terrestre, ya que son los elementos más ligeros de la naturaleza. Bioelementos secundarios: tienen una menor proporción en todos los seres vivos un 4,5%. Se clasifica en dos grupos: Bioelementos secundarios indispensables: se encuentran en todos los seres vivos. Calcio, Sodio, Potasio, Magnesio, Cloro, Hierro, Yodo. Bioelementos secundarios variables (oligoelementos): se encuentran en algunos seres vivos en forma vestigial. Boro, Bromo, Cobre, Flúor, Manganeso, Silicio. b) Biomoléculas orgánicas: se divide en 4 tipos de biomoléculas orgánicos: Carbohidratos: son conocidos como azúcares, glúcidos o hidratos. Tiene un alto contenido de energía que se aprovecha para mantener la vida. Se clasifica en: Monosacáridos: son azucares simples formados por una sola molécula Oligosacáridos: formados por un grupo de 2 a 10 monosacáridos. Depende del número adquiere el nombre de disacáridos, trisacáridos, etc. Polisacáridos: son polímeros de monosacáridos (unión de más de 10 a incluso miles) Lípidos: son conocidos como grasas, puede tener varios números de moléculas de distintos tipos que se define por su solubilidad. Son moléculas orgánicas insolubles en agua y solubles en solventes orgánicos (liposolubles) como el etanol, cloroformo, etc. Se clasifican según su composición química en saponificables e insaponificables. Proteínas: son los que más abundan en los seres vivos, compuesto por carbono, hidrogeno, oxígeno y nitrógeno. Las proteínas son macromoléculas formadas por unidades más sencillas conocidos como aminoácidos. Los aminoácidos, son moléculas más pequeñas con un grupo amino y un grupo carboxilo. Existen 20 aminoácido esenciales para la vida. Ácidos nucleicos: son moléculas orgánicas que se encuentran en la información genética. Se divide en ADN y ARN que son macromoléculas formadas por la unión de unidades denominados nucleótidos. Cada nucleótido se compone de tres unidades separadas: un azúcar de cinco carbonos, ribosa (en el ARN) desoxirribosa (en el ADN), una base nitrogenada y una molécula de fosfato. Los nucleótidos son considerados los pilares estructurales de los ácidos nucleicos. Biomoléculas inorgánicas: se divide en 3 tipos de biomoléculas orgánicos: Agua: es un compuesto formado por dos átomos de Hidrógeno y uno de Oxígeno unidos por enlaces covalentes, y debido a la diferencia de electronegatividades se conforma una molécula con dos dipolos: dos cargas parciales positivas y dos cargas parciales negativas, de ahí su capacidad como disolvente. Incide directamente en los organismos para regular la temperatura corporal, mantener concentraciones intracelulares y extracelulares, conservar la tensión superficial en membranas, participar en el equilibrio de la presión osmótica, disolver iones y compuestos, aportar oxígeno en la fotosíntesis. El agua constituye el 70% del peso corporal, necesitamos para Lubricar nuestros ojos, para respirar, para desintoxicar nuestro cuerpo, para mantener constante la temperatura corporal, debido a esto es importante para poder vivir, podemos dejar de comer por más de dos semanas pero sólo sobrevivir de 3 a 4 días sin tomar agua. Las principales propiedades fisicoquímicas del agua que inciden en los sistemas vivos son: punto de ebullición, punto de congelación, punto de fusión, calor latente de fusión, calor latente de vaporización, tensión superficial, capilaridad, disolvente de compuestos polares y iónicos. Sales minerales: Son moléculas inorgánicas que se forman de la unión de un ácido y una base que el cuerpo necesita en pequeñas cantidades al menos de 1 mg a cerca de 2500 mg diarios) para realizar diferentes funciones como, por ejemplo: potasio, sodio y cloro como activadores de enzimas en plantas; el potasio es abundante en el interior de la célula necesario para la contracción muscular y la conducción nerviosa. Los minerales sólidos y en disolución como calcio, magnesio y fosfato, se encuentran formando parte de los órganos duros, como huesos y dientes en animales. En las plantas y vegetales pueden pasar a formar parte de depósitos sobre su superficie, sobre todo de calcio y sílice. Los minerales en disolución pueden ser metálicos o no metálicos, intervienen en funciones como mantener el equilibrio osmótico de las células y establecer estados físicos adecuados de membrana y citoplasma. Gases: son biomoléculas inorgánicas indispensables para los seres vivos, en este caso son el oxígeno (O2) y el dióxido de carbono (CO2), que se utilizan en la respiración y en las plantas en la fotosíntesis. Estos pueden estar disueltos o integrados en los organismos. c) Los glúcidos son compuestos formados en su mayor parte por átomos de carbono e hidrógeno y en una menor cantidad de oxígeno. Los glúcidos tienen enlaces químicos difíciles de romper llamados covalentes, mismos que poseen gran cantidad de energía, que es liberada al romperse estos enlaces. Una parte de esta energía es aprovechada por el organismo consumidor, y otra parte es almacenada en el organismo. En la naturaleza se encuentran en los seres vivos, formando parte de biomoléculas aisladas o asociadas a otras como las proteínas y los lípidos. Los glúcidos se dividen en monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. Monosacáridos: Están formados por una sola molécula, no pueden ser hidrolizados a glúcidos más pequeños. Su fórmula química es (CH2O)n donde n es cualquier número igual o mayor a tres, su límite es de 7 carbonos. Tienen grupo carbonilo en uno de sus átomos de carbono y grupos hidroxilo en el resto, se lo considera polialcoholes. Los monosacáridos se clasifican en tres características diferentes: la posición del grupo carbonilo, el número de átomos de carbono que contiene y su quiralidad. Si el grupo carbonilo es un aldehído, el monosacárido es una aldosa; si el grupo carbonilo es una cetona, el monosacárido es una cetosa. Los monosacáridos más pequeños son los que poseen tres átomos de carbono, y son llamados triosas; aquellos con cuatro son llamados tetrosas, lo que poseen cinco son llamados pentosas, seis son llamados hexosas y así sucesivamente. Los sistemas de clasificación son frecuentemente combinados; por ejemplo, la glucosa es una aldohexosa (un aldehído de seis átomos de carbono), la ribosa es una aldopentosa (un aldehído de cinco átomos de carbono) y la fructosa es una cetohexosa (una cetona de seis átomos de carbono). Cada átomo de carbono posee un grupo de hidroxilo (-OH), con la excepción del primero y el último carbono, todos son asimétricos, haciéndolos centros estéricos con dos posibles configuraciones cada uno (el -H y -OH pueden estar a cualquier lado del átomo de carbono). Debido a esta asimetría, cada monosacárido posee un cierto número de isómeros. La aldohexosa D-glucosa, tienen la fórmula (CH2O)6, de la cual, exceptuando dos de sus seis átomos de carbono, todos son centros quirales, haciendo que la Dglucosa sea uno de los estereoisómeros posibles. En el caso del gliceraldehído, una aldotriosa, existe un par de posibles esteroisómeros, los cuales son enantiómeros y epímeros (1,3-dihidroxiacetona, la cetosa correspondiente, es una molécula simétrica que no posee centros quirales). La designación D o L es realizada de acuerdo a la orientación del carbono asimétrico más alejados del grupo carbonilo: si el grupo hidroxilo está a la derecha de la molécula es un azúcar D, si está a la izquierda es un azúcar L. Como los D azúcares son los más comunes, usualmente la letra D es omitida. Disacáridos: Los disacáridos son glúcidos formados por dos moléculas de monosacáridos y, por tanto, al hidrolizarse producen dos monosacáridos libres. Los dos monosacáridos se unen mediante un enlace covalente conocido como enlace glucosídico, tras una reacción de deshidratación que implica la pérdida de un átomo de hidrógeno de un monosacárido y un grupo hidroxilo del otro monosacárido, con la consecuente formación de una molécula de H2O, de manera que la fórmula de los disacáridos no modificados es C12H22O11. La sacarosa es el disacárido más abundante y la principal forma en la cual los glúcidos son transportados en las plantas. Está compuesto de una molécula de glucosa y una molécula de fructosa. La lactosa, un disacárido compuesto por una molécula de galactosa y una molécula de glucosa, estará presente naturalmente sólo en la leche. Oligosacáridos: Los oligosacáridos están compuestos por tres a diez moléculas de monosacáridos que al hidrolizarse se liberan. No obstante, la definición de cuan largo debe ser un glúcido para ser considerado oligo o polisacárido varía según los autores. Según el número de monosacáridos de la cadena se tienen los disacáridos (como la lactosa), tetrasacárido (estaquiosa), pentasacáridos, etc. Los oligosacáridos se encuentran con frecuencia unidos a proteínas, formando las glucoproteínas, como una forma común de modificación tras la síntesis proteica. Polisacáridos: Los polisacáridos. Son biomoléculas que se encuadran entre los glúcidos y están formadas por la unión de una gran cantidad de monosacáridos y cumplen funciones diversas, sobre todo de reservas energéticas y estructurales. Los polisacáridos son cadenas, ramificadas o no, de más de diez monosacáridos. Los polisacáridos son polímeros, cuyos monómeros constituyentes son monosacáridos, los cuales se unen repetitivamente mediante enlaces glucosídicos. Estos compuestos llegan a tener un peso molecular muy elevado, que depende del número de residuos o unidades de monosacáridos que participen en su estructura. Este número es casi siempre indeterminado, variable dentro de unos márgenes, a diferencia de lo que ocurre con biopolímeros informativos, como el ADN o los polipéptidos de las proteínas, que tienen en su cadena un número fijo de piezas, además de una secuencia específica. Funciones: Las funciones generales de los glúcidos se pueden reducir a dos: Energética (bien como fuente inmediata de energía o como reserva de esta) Estructural (es decir, forman parte de otras moléculas para construir las estructuras celulares o corporales). Además algunos pueden tener otras funciones más específicas: la vitamina C es un derivado de monosacárido, las gonadotropinas son glucoproteínas que regulan la función de las gónadas, las gomas son secretadas por las plantas como defensa para cerrar sus heridas, la heparina es un anticoagulante natural de la sangre. d) Están compuestas principalmente de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, en ocasiones con trazas de azufre, fósforo y otros elementos. Se encuentran en plantas y animales como parte del cartílagos, la piel, las uñas, el pelo y los músculos. Las proteínas constituyen un grupo de sustancias muy heterogéneas, lo cual está dado por el hecho de que las moléculas proteicas son sustancias de elevada masa molar, formadas por un número variable de aminoácidos diferentes, lo que trae consigo una gran diversidad de estructuras como puede apreciarse incluso desde su clasificación. La cadena que compone el esqueleto de las proteínas está formada por uniones amidas relativamente estables y con vistas a lograr un análisis más adecuado de su estructura se acostumbra a establecer determinados niveles de organización también denominados niveles estructurales que son: Nivel de organización primario o estructura primaria. Nivel de organización secundario o estructura secundaria. Nivel de organización terciario o estructura terciaria. Nivel de organización cuaternario o estructura cuaternaria. Estructura primaria Se refiere al esqueleto covalente de la cadena polipeptídica y establece de modo específico la secuencia de sus restos aminoacídicos, es decir, el orden en que van colocándose los aminoácidos en la cadena, aspecto que está determinado genéticamente. Las cadenas polipeptídicas están constituidas por repeticiones de una unidad básica, que son los aminoácidos, sin embargo en la cadena como tal sólo participan los átomos que forman el enlace peptídico y el átomo de carbono de manera tal que el resto de las moléculas de los aminoácidos se proyecta hacia afuera de la cadena y es lo que se conoce como restos de aminoácidos Como el enlace peptídico es un enlace covalente, la estructura de la cadena la forma un esqueleto covalente, lo cual explica la notable estabilidad y resistencia de esta estructura. Estructura secundaria Se refiere al ordenamiento regular y periódico en el espacio de las cadenas polipeptídicas a lo largo de una dirección. Esta estructura es evidente sobre todo en las proteínas fibrosas, en las que las cadenas peptídicas poseen una conformación extendida o arrollada longitudinalmente y aparece también en segmentos de cadenas polipeptídicas de las proteínas globurales. Estructura terciaria Se refiere al modo en que la cadena polipeptídica se curva o se pliega para formar la estructura estrechamente plegada y compacta de las proteínas globulares. Los dobleces no se presentan al azar, sino que bajo las condiciones ambientales adecuadas sólo se producen en una forma específica característica de una proteína en particular que a menudo es sumamente importante para su función biológica. Estructura cuaternaria Este nivel estructural de las proteínas pone de manifiesto cómo se disponen las cadenas polipeptídicas individuales de una proteína que posee más de una cadena. La mayor parte de las grandes proteínas, ya sean fibrosas o globulares contienen dos o más cadenas polipeptídicas entre las cuales pueden no existir enlaces covalentes pero que se mantienen unidas formando una unidad activa biológicamente. Se considera que cualquier proteína de masa molar superior a 50000 se hallará integrada por dos o más cadenas. A las cadenas peptídicas que poseen su propia estructura espacial se les denomina subunidades o protómeros y a la unidad formada por la unión de las mismas se les denomina oligómero. Funciones estructurales Ciertas partes del organismo animal, que sirven de sostén y protección a muchos tejidos están formadas por proteínas, ejemplo de las cuales son: La queratina, que se encuentra en las uñas, pezuñas, cuernos, lana, piel, plumas, caparazón de los moluscos La elastina, se encuentra en los ligamentos. El colágeno, en los tendones. La fibroína, en la seda. Funciones energéticas Ésta es una de las funciones secundarias que desempeñan las proteínas pero que es necesario tenerla en cuenta porque son capaces de liberar 4 kcal/g al ser metabolizadas. En casos extremos, en que el organismo no disponga de otros alimentos energéticos, puede consumir sus propios tejidos y utilizar las proteínas de éstos como fuente de energía. Funciones específicas Las nucleoproteínas, que se encuentran en el núcleo de las células, son responsables de la reproducción y de la transmisión de las características hereditarias. Las enzimas, que están en todos los tejidos y actúan como catalizadores biológicos en las reacciones metabólicas. Las cromoproteínas, que en su mayoría sirven para transportar gases, como la hemoglobina, en la sangre de los vertebrados, que transporta el oxígeno desde los pulmones hasta las células de los tejidos. Varias hormonas, vacunas, antibióticos y virus, que son sustancias de gran actividad biológica, están formados por proteínas. e) Lípidos, forman parte de la dieta, y es necesario que así sea, ya que son imprescindibles para que la alimentación sea equilibrada, completa y armónica. Los lípidos deben representar entre el 25 – 30% del valor calórico total, 1 gr. de lípidos aporta 9 kcal. Los lípidos se clasifican en dos grupos, atendiendo a que posean en su composición ácidos grasos (Lípidos saponificables) o no lo posean (Lípidos insaponificables). Lípidos saponificables Simples. Lípidos que sólo contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Acilglicéridos. Son ésteres de ácidos grasos con glicerol. Cuando son sólidos se les llama grasas y cuando son líquidos a temperatura ambiente se llaman aceites. Céridos (ceras) Complejos. Son los lípidos que además de contener en su molécula carbono, hidrógeno y oxígeno, también contienen otros elementos como nitrógeno, fósforo, azufre u otra biomolécula como un glúcido. A los lípidos complejos también se les llama lípidos de membrana pues son las principales moléculas que forman las membranas celulares. Fosfolípidos Fosfoglicéridos Fosfoesfingolípidos Glucolípidos Cerebrósidos Gangliósidos Lípidos insaponificables Terpenoides, Eicosanoides, Esteroides Los lípidos desempeñan cuatro tipos de funciones: Función de reserva. Son la principal reserva energética del organismo. Un gramo de grasa produce 9'4 kilocalorías en las reacciones metabólicas de oxidación, mientras que proteínas y glúcidos sólo producen 4'1 kilocaloría/gr. Función estructural. Forman las bicapas lipídicas de las membranas. Recubren órganos y le dan consistencia, o protegen mecánicamente como el tejido adiposo de pies y manos. Función biocatalizadora. En este papel los lípidos favorecen o facilitan las reacciones químicas que se producen en los seres vivos. Cumplen esta función las vitaminas lipídicas, las hormonas esteroideas y las prostaglandinas. Función transportadora. El transporte de lípidos desde el intestino hasta su lugar de destino se realiza mediante su emulsión gracias a los ácidos biliares y al proteo lípidos. f) Los ácidos nucleicos son las biomoléculas portadoras de la información genética. Tienen una estructura polimérica, lineal, cuyos monómeros son los nucleótidos. El grado de polimerización puede llegar a ser altísimo, con moléculas constituidas por centenares de millones de nucleótidos en una sola estructura covalente. De la misma manera que las proteínas son polímeros lineales aperiódicos de aminoácidos, los ácidos nucleicos lo son de nucleótidos. La aperiodicidad de la secuencia de nucleótidos implica la existencia de información. De hecho, sabemos que los ácidos nucleicos constituyen el depósito de información de todas las secuencias de aminoácidos de todas las proteínas de la célula. Existe una correlación entre ambas secuencias, lo que se expresa diciendo que ácidos nucleicos y proteínas son colineares; la descripción de esta correlación es lo que llamamos Código Genético, establecido de forma que a una secuencia de tres nucleótidos en un ácido nucleico corresponde un aminoácido en una proteína. Los ácidos nucleicos resultan de la polimerización de monómeros complejos denominados nucleótidos. Un nucleótido está formado por la unión de un grupo fosfato al carbono 5’ de una pentosa. A su vez la pentosa lleva unida al carbono 1’ una base nitrogenada. Las bases nitrogenadas son moléculas cíclicas y en la composición de dichos anillos participa, además del carbono, el nitrógeno. Estos compuestos pueden estar formados por uno o dos anillos. Aquellas bases formadas por dos anillos se denominan bases púricas (derivadas de la purina). Dentro de este grupo encontramos: Adenina (A), y Guanina (G). Si poseen un solo ciclo, se denominan bases pirimidínicas (derivadas de la pirimidina), como por ejemplo la Timina (T), Citosina (C), Uracilo (U). Estos derivados de la purina y la pirimidina son las bases que se encuentran con mayor frecuencia en los ácidos nucleicos. Entre las principales funciones de estos ácidos tenemos: Duplicación del ADN Expresión del mensaje genético: Transcripción del ADN para formar ARNm y otros Traducción, en los ribosomas, del mensaje contenido en el ARNm a proteínas. Desnutrición La desnutrición energético proteínica (DEP) es una enfermedad de grandes proporciones en el mundo - aunque se concentra de manera principal en los países en desarrollo y provoca cada año la muerte de más de la mitad de los casi 12 millones de niños menores de cinco años que la padecen. Los niños con DEP se enferman con más frecuencia, suelen sufrir la pérdida de sus capacidades intelectuales y, si sobreviven, pueden llegar a la edad adulta con discapacidades mentales o físicas permanentes. En 1998, el Fondo de las Naciones Unidas para la Infancia estimó que en todo el orbe había 226 millones de niños con DEP crónica (evaluada por la disminución de la estatura esperada para su edad), 67 millones con DEP aguda (peso inferior a la estatura esperada) y 183 millones con un peso menor para su edad. Lo anterior quería decir que al menos cuatro de cada IC menores de cinco años en todo el planeta presentaban alguna alteración relacionada con la desnutrición. Por tanto, el niño no recibe suficiente cantidad de energía, proteínas, vitaminas y nutrimentos inorgánicos para poder crecer, sus reservas se agotan y la susceptibilidad a presentar infecciones se incrementa, lo que se asocia con un aumento en la frecuencia de la DEP. Lo anterior se complica aún más cuando durante las enfermedades, como la diarrea, se limita la variedad y cantidad de alimentos, se diluye la leche que se le ofrece al niño, o se suspende el amamantamiento.
