Las Moléculas

Biología. Curso de introducción
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Tema 2. Las moléculas
Elementos químicos presentes en los seres vivos
Toda la materia, viva o inerte, está compuesta por elementos químicos. Se conocen más de cien elementos
en la actualidad pero sólo unos cuantos forman parte de la materia viva. El hidrógeno (H), oxígeno (O), carbono
(C), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S), constituyen el 99 % del peso de los organismos vivos, y forman
parte de sus moléculas fundamentales. Otros elementos de los seres vivos como son el hierro, calcio, sodio,
potasio, magnesio, cobre, cloro, yodo, flúor, etc. Se encuentra en muy baja proporción en la materia viva.
Átomos y moléculas
Cada uno de los elementos químicos se diferencia de los demás en la estructura de sus átomos. Un átomo
está constituido por un núcleo central, que contiene protones y neutrones, y una nube de electrones que rodea a
este núcleo. El número de protones que contiene un átomo es fijo y define a cada elemento;
Los átomos raramente se encuentran libres en la naturaleza ya que tienden a unirse o combinarse unos con
otros para formar moléculas. Un átomo puede ceder electrones, captar electrones, o incluso compartir electrones
con otro átomo. De este modo, los átomos de los elementos son capaces de interaccionar unos con otros y los
átomos quedan unidos por enlaces formando moléculas. En el enlace de los átomos juegan un papel decisivo
los electrones.
Se utilizan fórmulas para identificar las moléculas, indicando los elementos que las componen. Una
fórmula representa de forma más o menos desarrollada la estructura de una determinada molécula sobre
un plano.
Las moléculas de los seres vivos
El análisis químico de diferentes formas de vida ha mostrado que los mismos tipos de moléculas son
fundamentales para todos los seres vivos, desde los organismos más sencillos –las bacterias–, hasta los más
complejos –los seres humanos–.
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De acuerdo a sus características químicas. Se pueden distinguir dos clases de moléculas:
MOLÉCULAS
INORGÁNICAS
Agua
Sales minerales
Gases
MOLÉCULAS ORGÁNICAS
Por su tamaño
Por su estructura
Pequeñas moléculas
orgánicas
Macromoléculas
Carbohidratos
Lípidos
Proteínas
Ácidos nucleicos
El agua y las sales minerales disueltas en ella constituyen los componentes inorgánicos1 de la materia
viva, también algunos gases como el oxígeno y el dióxido de carbono, fundamentales para los seres vivos,
pertenecen a este grupo y se encuentran disueltos en agua en el interior de las células.
El resto constituye fundamentalmente las moléculas orgánicas, basadas en el carbono. Las propiedades
químicas del carbono lo hacen ideal para la construcción de grandes y complejas moléculas, ya que puede formar
enlaces sencillos, dobles y triples con otros átomos de carbono.
Por su tamaño, dentro de las moléculas orgánicas o compuestos del carbono podemos diferenciar dos tipos:
azúcares sencillos
aminoácidos
Pequeñas moléculas orgánicas
nucleótidos
los ácidos grasos
los esteroides, etc.
Macromoléculas (polímeros2)
los polisacáridos
las proteínas
los ácidos nucleicos
moléculas de elevado peso molecular, de gran tamaño y muy complejas, que pueden ser constituidas por millones
de átomos. Una macromolécula está constituida por la unión de moléculas elementales más sencillas. Los
azúcares son las moléculas que constituyen los polisacáridos, los aminoácidos las proteínas y los nucleótidos los
ácidos nucleicos. Estas constituyen la clave de la química de la vida. Cada organismo tiene sus propias proteínas y
ácidos nucleicos, estas moléculas son específicas de cada especie, dependiendo del ordenamiento o secuencia de
las moléculas componentes y del número total de ellas que haya en la macromolécula.
Las moléculas de proteína son cadenas constituidas por la combinación de 20 aminoácidos diferentes, y
los ácidos nucleicos son también largas cadenas constituidas por la combinación de sólo 4 nucleótidos diferentes.
Atendiendo a su estructura química, a sus grupos funcionales y a sus propiedades físicas, las
moléculas orgánicas pueden clasificarse en cuatro grandes grupos: CARBOHIDRATOS, LÍPIDOS, PROTEÍNAS
Y ÁCIDOS NUCLEICOS.
Carbohidratos
Llamados también glúcidos o hidratos de carbono constituyen un grupo de compuestos orgánicos cuya
estructura química es bastante heterogénea. Todos tienen grupos alcohol y grupos aldehído o cetona en sus
carbonos, que son muy importantes para los enlaces y reacciones en las que participan. Este grupo incluye
compuestos que tienen desde tres a cientos de átomos de carbono.
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2
Se dice de los compuestos químicos en cuya composición no entra el carbono como elemento fundamental.
Poli = muchas; meros = partes. Están formadas por unidades más o menos semejantes que se repiten muchas veces.
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Los más sencillo son los llamados azúcares simples o monosacáridos. La glucosa es el más común e
importante de todos los monosacáridos, es muy abundante en los frutos de los vegetales y también en la sangre de
los animales, pero se encuentra en todos los tipos de células vivas.
La glucosa es la molécula que se sintetiza en la fotosíntesis de las plantas, y es la molécula de cuya
degradación química obtienen energía todos los seres vivos.
La glucosa tiene seis átomos de carbono
que caracteriza a otros muchos azúcares como la
fructosa, la galactosa, y en general todos los azúcares de seis átomos de carbono o hexosas, pero se tratan de
moléculas diferentes ya que sus átomos están unidos de diferente forma y tienen por tanto diferente estructura
tridimensional.
Del mismo modo, existe toda una familia de azúcares de 5 átomos de carbono o pentosas, de fórmula
general
como la ribosa. Y de tres átomos de carbono o triosas
Los monosacáridos pueden combinarse entre sí, dos, tres o más veces, para dar disacáridos, que son
largas cadenas que pueden llegar a contener varios cientos o incluso miles de monosacáridos. Algunos
ejemplos de disacáridos muy conocidos son la sacarosa, que es el azúcar común de mesa, formada por glucosa y
fructosa o el disacárido de la lactosa, que está formada por la galactosa y la glucosa.
Los polisacáridos son polímeros en los que las unidades de repetición son los monosacáridos, pueden
constituir substancias de reserva o bien actuar como elementos estructurales; el almidón que es un polisacárido de
reserva que se sintetiza y se almacena en las células de los vegetales; el glucógeno, polisacárido de reserva que
sólo se encuentra en las células animales, y la celulosa, que sólo aparece en las células vegetales y realiza una
función estructural.
Lípidos
Grupo de moléculas bastante heterogéneo en cuanto a su estructura química pero con una importante
propiedad en común y es la naturaleza hidrofóbica de sus moléculas, es decir, poco solubles en agua, y sin
embargo son solubles en disolventes no polares (acetona, éter, cloroformo, etc.).
Debido a esta característica, los lípidos tienden a formar regiones de exclusión del agua y pueden formar
barreras que separan la célula del exterior y también forman compartimentos aislados dentro de la célula. Los
lípidos son componentes esenciales de las membranas. Además de esta función estructural, los lípidos son
moléculas utilizadas como fuente de energía y pueden ser almacenados en las células con este propósito.
Algunas moléculas de lípidos tienen una función muy específica actuando como vitaminas y hormonas.
Algunos ejemplos de lípidos;
Los ácidos grasos están constituidos por una larga cadena hidrocarbonada (hidrógeno y carbono) y un
grupo ácido (carboxilo) en un extremo. Los ácidos grasos insaturados son muy abundantes en los vegetales, y
funden a temperaturas más bajas que los saturados. Los ácidos grasos son muy abundantes en los organismos
vivos y generalmente están formando parte de los lípidos más complejos, como los glicéridos (grasas). Pueden
tener 1, 2 ó 3 moléculas de ácidos grasos unidos a la molécula de glicerina, como los últimos, llamados
triglicéridos.
Los triglicéridos son depósitos muy concentrados de energía en las células. El rendimiento energético en
oxidación completa es de 9 kilocalorías por gramo frente a 4 kcal/g para glúcidos y proteínas. La presencia de
grasas de origen vegetal en la dieta humana es necesaria ya que muchos de los ácidos grasos insaturados no
pueden ser sintetizados por el hombre.
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Otro grupo importante de lípidos son los fosfolípidos, moléculas complejas constituidas también por
ácidos grasos y un alcohol. Son los constituyentes fundamentales de las membranas celulares.
Los esteroides tienen una importante actividad biológica. Pertenecen a este tipo de moléculas: el
colesterol, muy abundante en la membrana de las células y también en el plasma de la sangre; algunas hormonas,
como por ejemplo las sexuales; algunas vitaminas, como la vitamina D; y los ácidos biliares.
Proteínas
Son las moléculas orgánicas más abundantes en las células. Se encuentran en todas las partes de la célula y
son fundamentales para la estructura y función celular. Prácticamente todas las funciones de los seres vivos
dependen de las moléculas de proteínas.
Las proteínas son grandes y largas moléculas compuestas por la unión de otras moléculas más
sencillas llamadas aminoácidos. Por lo tanto, las proteínas son polímeros, donde los aminoácidos son las
unidades que se repiten.
Existen 20 aminoácidos diferentes. Tienen una parte común en sus moléculas que consiste en un grupo
amino y un grupo ácido y difieren unos de otros en la estructura. Los aminoácidos reaccionan unos con otros
formando así largas cadenas con centenares de aminoácidos enlazados entre sí, esto es una proteína. Este
tipo de enlaces se denomina enlace peptídico. Con los 20 tipos distintos de aminoácidos se construyen los
millones de proteínas diferentes que existen en los seres vivos.
Lo más característico de una proteína es por tanto el conjunto de aminoácidos que la forman y su
ordenación relativa o secuencia. Es lo que se llama estructura primaria de la proteína. Cada proteína se
repliega de una forma característica adquiriendo una estructura tridimensional propia (estructuras secundaria y
terciaria) que condiciona su actividad biológica. Cuando una proteína pierde su conformación espacial se dice que
está desnaturalizada.
Las proteínas tienen funciones muy importantes y muy diversas en los seres vivos. Algunas proteínas
tienen una función contráctil, como las proteínas del músculo, actina y miosina. Otras funcionan como
transportadoras, como la hemoglobina, que transporta oxígeno y dióxido de carbono en la sangre. Otras tienen
función de defensa, como las inmunoglobinas que pueden reconocer e inactivar moléculas perjudiciales o
dañinas para el organismo. Otras tienen papel estructural como el colágeno de la piel o de los tendones.
Una de las funciones más impresionantes de las proteínas, es su papel como aceleradoras de las reacciones
químicas que ocurren en los seres vivos, las enzimas.
Enzimas. Mecanismo de acción.
La presencia de una enzima disminuye la cantidad de energía necesaria para que ocurra la acción.
Este efecto se denomina como catalizador. Las enzimas se pueden definir como catalizadores biológicos.
Como consecuencia, cuando interviene una enzima en una reacción se acelera la velocidad de la reacción.
Cada enzima tiene una estructura y también una función única. Las enzimas son muy específicas con
respecto a la molécula sustrato y al tipo de reacción en la que van a intervenir.
¿Cómo actúan las enzimas en una reacción?
La molécula de enzima interacciona directamente con la molécula de sustrato. Consecuencia de una
precisa complementariedad en la forma de las moléculas (modelo de llave y cerradura). La región de la enzima en
la cual tiene lugar la interacción con el sustrato se llama centro activo.
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La reacción tiene lugar mientras el sustrato (S) está unido a la enzima (E); después este complejo (ES) se
separa liberándose el producto (P) y la enzima (E) intacta. Las enzimas intervienen en la reacción sin ser
modificadas en ésta. La reacción puede consistir en la unión de dos moléculas (2 sustratos) para dar lugar a otra
más compleja (1 producto), o viceversa.
¿Qué es lo que hace que una enzima sea específica para un sustrato y una reacción? Precisamente la
estructura tridimensional o conformación espacial de la molécula de enzima. Cuando una proteína pierde su
conformación característica se dice que está desnaturalizada.
Algunas enzimas necesitan para poder funcionar la presencia de otras sustancias químicas. Estas sustancias
necesarias para la actividad de la enzima se denominan cofactores y coenzimas.
Ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos son también grandes moléculas de tipo polímero. En este caso la molécula unidad es
el nucleótido. Pero, a su vez, el nucleótido es una molécula compuesta por tres: un azúcar (pentosa), ácido
fosfórico y una base nitrogenada.
El azúcar es una pentosa, con cinco átomos de carbono. Puede ser de dos tipos: ribosa y desoxirribosa,
ésta tiene una estructura química similar a la anterior pero le falta un átomo de oxígeno.
O
O
CH²OH
H
OH
H
OH
H
H
H
Desoxirribosa
CH²OH
H
H
OH
OH
Ribosa
H
H
OH
El ácido fosfórico (fosfato) se encuentra normalmente en los organismos en estado ionizado, con cargas
negativas.
La base nitrogenada es una molécula compleja, de estructura cíclica, que contiene bastantes átomos de
nitrógeno, y que es capaz de captar hidrógenos, de ahí el carácter de base que es opuesto al de ácido. Hay cinco
tipos de bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina, timina y uracilo.
Los ácidos nucleicos están formados por largas cadenas de nucleótidos enlazados entre sí por el
grupo fosfato.
Hay dos clases de ácidos nucleicos, el ácido desoxirribonucleico (DNA) que siempre lleva el azúcar
desoxirribosa, y el ácido ribonucleico (RNA) que lleva ribosa.
Los ácidos nucleicos son las moléculas que contienen la información genética, es decir, el programa
de la vida.
Es precisamente la ordenación o secuencia de bases la que almacena la información genética. El DNA sólo
tiene 4 bases nitrogenadas distintas (no tiene el uracilo)
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PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN
La estructura y la función de una proteína está determinada por la secuencia específica de las unidades que la
forman:
1. ¿Cómo se llaman estas unidades? Aminoácidos.
2. ¿Cuántas clases diferentes de estas unidades se encuentran en las proteínas? Veinte.
3. ¿Qué número de estas puede haber en una proteína?
Muy variable desde decenas a miles.
Relacione cada uno de los cuatro grupos principales de biomoléculas con una de las siguientes funciones:
4. Energía para los procesos vitales. Carbohidratos o Glúcidos.
5. Membranas para organizar y separar las funciones de la célula. Lípidos.
6. Enzimas para acelerar las reacciones. Proteínas.
7. Información genética. Ácidos nucleicos.
Relacione las siguientes palabras con los conceptos aprendidos a lo largo del tema:
- Aminoácidos
- enzimas
- Desnaturalización - enlace peptídico
- Especificidad
- proteínas
8. Uno de los cuatro grupos de biomoléculas. Proteínas
9. Las subunidades en los polímeros de proteínas. Aminoácidos. Aminoácidos
10. La unión entre dos moléculas de aminoácidos en una cadena de proteína. Enlace peptídico
11. Pérdida de la función debido a un cambio en la estructura de la proteína. Desnaturalización
12. Moléculas que intervienen acelerando la velocidad de las reacciones. Enzimas
13. Característica de las enzimas que reconocen a un único sustrato. Especificidad
Ponga en cada caso el nombre que define el concepto que se desarrolla a continuación:
14. Nombre general para cualquier molécula compuesta formada por una cadena de unidades que se repiten.
Polímeros
15. Uno de los grandes grupos de biomoléculas al que pertenecen el DNA y el RNA. Ácidos nucleicos
16. Tipo de lípidos de molécula cíclica al cual pertenece el colesterol y las hormonas sexuales. Esteroides
17. Grupo de biomoléculas que incluyen el azúcar de mesa y celulosa. Glúcidos
18. Subunidades de los ácidos nucleicos. Nucleótidos
19. Molécula constituida por una larga cadena hidrocarbonada y un grupo ácido carboxílico terminal. Ácido
graso
20. Los polímeros de azúcares se denominan. Polisacáridos
21. Molécula constituida por un grupo fosfato, un azúcar y una base nitrogenada. Nucleótido
22. Supongamos cuatro aminoácidos: alanina (A), metionina (M), serina (S) y prolina (P). ¿Cuántas moléculas
distintas se podrían formar por la unión de únicamente estos cuatro aminoácidos? Indícalas.
Permutación de 4 elementos
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4! = 4.3.2.1 = 24
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