ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS MOLÉCULAS EN LOS SERES VIVOS

Objetivo Fundamental: 

Caracterizar los principales componentes orgánicos e inorgánicos de la célula.

Concepto: la química de los organismos vivos es la química de los compuestos que contienen carbono o sea, los compuestos orgánicos.

Moléculas orgánicas son todas las moléculas que contienen C.

Una sola célula bacteriana puede tener más de cinco mil clases de moléculas. Una célula animal doble Compuestas de C H N O P S.

Se ha dicho que es suficiente reconocer cerca de 28 a 30 moléculas para tener un conocimiento que permita trabajar con la bioquímica de las células.

·         Dos de esas moléculas son los azúcares glucosa y ribosa;

·         Un lípido;

·         Veinte, aminoácidos biológicamente importantes; y

·         Cinco bases nitrogenadas, moléculas que contienen nitrógeno y son constituyentes claves de los nucleótidos.

El carbono es singularmente adecuado para este papel central, por el hecho de que es el átomo más liviano capaz de formar múltiples enlaces covalentes. A raíz de esta capacidad, el carbono puede combinarse con otros átomos de carbono y con átomos distintos para formar una gran variedad de cadenas fuertes y estables y de compuestos con forma de anillo.

Las moléculas orgánicas derivan sus configuraciones tridimensionales primordialmente de sus esqueletos de carbono. Sin embargo, muchas de sus propiedades específicas dependen de grupos funcionales. Una característica general de todos los compuestos orgánicos es que liberan energía cuando se oxidan.

Las moléculas que forman los Seres vivos pueden clasificarse en:

Inorgánicas: agua, sales minerales y algunos gases.

Orgánicas: Hidratos de carbono, Lípidos, Proteínas y Ácidos nucleicos.

Todas estas biomoléculas están organizadas en unas unidades superiores que son las células. Una célula es un recipiente, un recinto cerrado en cuyo interior se realizan las secuencias de reacciones químicas necesarias para la vida.

Una célula es un sistema capaz de mantener la concentración de algunas sustancias lo suficientemente alta como para que puedan producirse los procesos químicos que hacen posible que una célula realice todas sus funciones vitales. Por ello las células están rodeadas de membranas que retienen, o concentran de forma selectiva algunos compuestos químicos.

BIOMOLÉCULAS:

EL AGUA:

La vida, tal como la conocemos, tiene lugar en disolución acuosa. El agua es tan familiar que la consideramos generalmente como un fluido más bien poco activo de carácter simple. Se trata, sin embargo, de un líquido activo químicamente con propiedades físicas tan extraordinarias que si los químicos la hubiesen descubierto en épocas recientes, la habrían clasificado como una sustancia exótica.

Las propiedades del agua tienen un significado biológico profundo. Las estructuras de las moléculas en las que se basa la vida, las proteínas, los ácidos nucleicos, las membranas lipídicas y los hidratos de carbono complejos, son la consecuencia directa de sus interacciones con las moléculas de agua.

Átomos:  2 atomos de H, y uno de O

 

HIDRATOS DE CARBONO o CARBOHIDRATOS

Los carbohidratos o sacáridos (griego: Sakcharón, azúcar) son componentes esenciales de los organismos vivos y son, de hecho, la clase más abundante de las moléculas biológicas, además constituyen las principales moléculas de reserva energética que se encuentran en casi todos los seres vivos.

Componentes: monosacáridos (azúcar sencillo) con átomos: C, O, H

Para los sistemas vivos. Los más simples son

Los monosacáridos ("azúcares simples"). (p.ej. glucosa, fructosa, galactosa)

Los monosacáridos pueden combinarse para formar disacáridos ("dos azúcares") como la lactosa componente de la leche. (p.ej. maltosa (glu-glu), sacarosa (glu-fru), lactosa (glu-gal))

Polisacáridos (cadenas de muchos monosacáridos). (p.ej. almidón (amilosa), glicógeno (almidón animal), celulosa

Funciones:

Productor de energía: como azúcar y almidón (=reserva)

Estructural: pared de células vegetales (celulosa)

Reservorio de energía (Hígado y músculo) de uso rápido en organismos animales, incluyendo al hombre (glicógeno)

      

 Glucosa un monosacárido

            

 celulosa un polisacárido

 LÍPIDOS:

Son moléculas hidrofóbicas que, como los carbohidratos, almacenan energía y son importantes componentes estructurales. Incluyen las grasas y los aceites, los fosfolípidos, los glucolípidos, las ceras, y el colesterol y otros esteroides.

Se trata de un grupo de sustancias que tienen en común el no ser solubles en agua, por lo que forman agregados: Bicapa en membranas y gotas en el citoplasma pero sí son solubles en disolventes orgánicos apolares (benceno, acetona...), tienen un tacto untuoso y manchar el papel de forma característica.

Componentes:

Glicerina (Alcohol terciario)

Ácidos grasos (3 unidades)

Átomos: C, O, H, contienen menos oxígeno en relación al H y C, comparado con los azúcares.

Se presentan como: Grasas y aceites

Funciones:

Productor de energía y reserva de energía como grasa y aceite, ( de uso más lento que los carbohidratos)

Estructural: membranas celulares forman una Bicapa (fosfolípidos) impermeable a sustancias solubles en agua.

Térmica: aislante térmico.

También importante: Algunos ácidos grasos no pueden ser sintetizados por el cuerpo humano y deben ser ingeridos con el alimento. (Ácidos grasos esenciales). Ya que algunas vitaminas son solubles en grasa y solo pueden ser ingeridas con la grasa, no es posible evitar del todo la ingestión de grasa.

   

 Glicerol   fosfatidilcolina un fosfolípido

PROTEÍNAS:

Son moléculas muy grandes compuestas de cadenas largas de aminoácidos, conocidas como cadenas polipeptídicas. A partir de sólo veinte aminoácidos diferentes usados para hacer proteínas se puede sintetizar una inmensa variedad de diferentes tipos de moléculas proteínicas, cada una de las cuales cumple una función altamente específica en los sistemas vivos. Son sustancias que componen las estructuras celulares y las herramientas que hacen posible las reacciones químicas del metabolismo celular.

Componentes: Aminoácidos (20 variedades distintas)

Átomos: C, O, H, N, S

Se presentan como:

Dipéptidos, (conformados por 2 aminoácidos)

Oligopéptidos (más de 10 aminoácidos) y

Proteínas (más de 100 aminoácidos)

Funciones:

Estructural: por ejemplo en la musculatura, en el tejido conjuntivo, en las membranas celulares.

Enzimática (biocatalizadores) en todos los procesos metabólicos.

Defensa: Inmunoglobulinas (por ejemplo en el combate de infecciones) = anticuerpos.

Hormonal: (sustancias mensajeras).

Receptora: detección de estímulos en la superficie celular.

Glicina un aminoácido 

 

                                                     ubiquitina una proteína

ÁCIDOS NUCLEICOS:

Una característica esencial de los seres vivos es su capacidad para reproducirse. Para ello cada individuo debe contener una descripción completa de sí mismo, que además ha de ser capaz de transmitir a sus descendientes para que ellos puedan construir otro individuo con esas características. A nivel celular, una célula ha de disponer de esas instrucciones para construir una réplica idéntica de sí misma. En una célula, esa información se encuentra en el ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN tiene la particularidad de que posee información también para hacer copias de sí mismo. Para que la información contenida en el  ADN se pueda expresar hace falta otra sustancia que es el ácido ribonucleico (ARN).

Son moléculas complejas formadas por un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos y una base nitrogenada. Son los bloques estructurales de los ácidos desoxirribonucleico (DNA) y ribonucleico (RNA), que transmiten y traducen la información genética. Los nucleótidos también desempeñan papeles centrales en los intercambios de energía que acompañan a las reacciones químicas dentro de los sistemas vivos.

El principal portador de energía en la mayoría de las reacciones químicas que ocurren dentro de las células es un nucleótido que lleva tres fosfatos, el ATP.

Constituidos por:

Nucleótidos (compuestos de fosfato, ribosa o desoxirribosa [azúcar] y base nitrogenada [Base púrica o pirimídica]

Átomos: C, O, N, H, P

Se presentan como:

Ácido desoxirribonucleico, ADN, ADN con las bases adenina, timina, citosina, guanina, siempre de doble cadena en el núcleo celular

Ácido ribonucleico ARN, ARN con las bases adenina, uracilo, citosina y guanina, de cadena sencilla, solo excepcionalmente de doble cadena; como ARN-mensajero en el núcleo celular y citoplasma, como ARN-de transferencia en el citoplasma, como ARN-ribosomal en el citoplasma

Funciones:

Almacenamiento de la información hereditaria, ADN

Síntesis proteica: ARN- mensajero, ARN-de transferencia, ARN-ribosomal

Comparación:

ADN: desoxirribosa, timina, doble cadena

ARN: ribosa, uracilo en lugar de timina cadena sencilla.

                                                    Doble cadena de ADN

PAPEL CENTRAL DEL CARBONO

Puede formar 4 enlaces covalentes con cuatro átomos diferentes y entre si Una molécula orgánica deriva su configuración final de la disposición de sus átomos de C, esqueleto. De la configuración depende las propiedades y función dentro de los sistemas vivos.

Hidrocarburos, compuestos formados solo por C e H, estructuralmente son el tipo más simple de moléculas orgánicas Derivan de los restos de organismos que murieron hace millones de años. Son de poca importancia en organismos vivos, pero de estos sale gasolina, etc.

Grupos funcionales

Determinan las propiedades químicas de las moléculas orgánicas Unidos al esqueleto de C, reemplazando a uno o más de los H presentes en el hidrocarburo.

Ejm. Grupo –OH (hidroxilo). Cuando un H y un O se unen covalentemente, un e exterior del O sobra, queda no apareado, no compartido, puede entonces ser compartido con un electrón exterior que, de modo semejante, quedo disponible en una átomo de C, formando así un enlace covalente con el C.

Conocer los grupos funcionales facilita reconocer moléculas particulares y predecir sus propiedades.

Ej. Grupo carboxilo –COOH, propiedades de ácido 

Alcoholes, con sus grupos hidroxilos polares, tienden a ser solubles en agua Metilo, grupos funcionales no polares, insolubles en agua.

Aldehído asociados con olores y sabores acres. Formaldehido. Mayoría de grupos funcionales son polares y confieren solubilidad en agua.

ISÓMEROS Y ACTIVIDAD BIOLÓGICA

Isómeros son compuestos cuya fórmula química es igual, pero diferente en disposición de átomos Isómeros estructurales: igual forma molecular, pero diferente forma de unión entre átomos.

Estos difieren en sus propiedades químicas. Isómeros ópticos o enantiómeros: moléculas idénticas excepto en su geometría tridimensional, “espejo”.

Todos los aa se presentan en dos formas, los dos isómeros ópticos, llamados forma L y forma D. Solo los aa L se encuentran comunmente en las proteínas de los seres vivos

EL FACTOR ENERGÉTICO

Los Enlaces covalentes que se encuentran comúnmente en las moléculas orgánicas, son enlaces fuertes y estables, sus electrones se mueven alrededor de dos o más núcleos atómicos. Estos enlaces pueden romperse por fuentes de energía, kilocalorías, y después pueden volver a formar la misma molécula o una diferente, lo cual depende de varios factores: la temperatura, la presión y los átomos que estén disponibles.

Dependiendo de las fuerzas relativas de los enlaces rotos y de los formados se liberará o se obtendrá energía del medio circundante. Los seres vivos utilizan enzimas para minimizar el uso de energía.