Bioelem Biomolec 2011_02

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS SERES VIVOS BIOELEMENTOS BIOMOLÉCULAS Uno de los retos de la Biología actual es la descripción de los complejos mecanismos químicos y físicos que sustentan la vida Elementos químicos de la materia viva Moléculas que componen a los seres vivos

MAPA CONCEPTUAL La materia viva Bioelementos Primarios Secundarios Oligoelementos Está formada por Enlaces químicos Por su abundancia son Establecen Biomoléculas Formando Inorgánicas Orgánica Sales minerales Agua Proteínas Glúcidos Nucleótidos Lípidos Son Son Estructural Energética Dinámica De función De tipo Si su proporción es muy pequeña

BIOELEMENTOS (a) Primarios o macroelementos (b) Secundarios o microelementos (c) Oligoelementos o elementos traza Elementos químicos de la materia viva Bioelementos Primarios Secundarios Oligoelementos Por su abundancia son Si su proporción es muy pequeña

(a) BIOELEMENTOS PRIMARIOS  Imprescindibles para formar los tipos principales de moléculas biológicas  Son los más abundantes  95% de la masa total de un ser vivo Carbono (C) Oxígeno (O) Hidrógeno (H) Nitrógeno (N) Fósforo (P) Azufre (S)

(b) BIOELEMENTOS SECUNDARIOS  En menor porcentanje (3,3%), pero imprescindibles para seres vivos Calcio (Ca 2+ ) Cloro (Cl - ) Magnesio (Mg 2+ ) Contracción muscular Movimiento celular Regulación del funcionamiento enzimático, etc. Constituyente de huesos y dientes Coagulación sanguínea Constituyente de la clorofila  Otras funciones Sodio (Na + ) Potasio (K + ) Conducción del impulso nervioso Balance de agua en sangre y fluido intersticial

(c) OLIGOELEMENTOS  Presentes en organismos en cantidades muy pequeñas (menos del 0,1%), pero indispensables para el desarrollo armónico del organismo Manganeso (Mn) Hierro (Fe) Cobalto (Co) Cobre (Cu) Zinc (Zn) Boro (B) Aluminio (Al) Vanadio (V) Molibdeno (Mo) Yodo (I) Silicio (Si) Fluor (F) Selenio (Se)  Funciones catalíticas imprescindibles

BIOMOLÉCULAS (a) Inorgánicas (b) Orgánicas  Moléculas que componen a los seres vivos  Distintas formas de asociación entre bioelementos Biomoléculas Inorgánicas Orgánica De tipo

(a) BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS  No son formadas sólo por los seres vivos, pero son muy importantes para ellos (1) Agua (2) Sales minerales Biomoléculas Inorgánicas Sales minerales Agua Son De tipo

(a) BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS AGUA Núcleo= protones + neutrones Electrones de valencia Niveles energéticos

Enlaces covalentes MOLÉCULA DE AGUA O H H

MOLÉCULA DE AGUA Mayor electronegatividad Menor electronegatividad O H H

Extremo parcialmente negativo Extremo parcialmente positivo MOLÉCULA DE AGUA O H H

Extremo positivo sobre átomos de hidrógeno, y extremo negativo sobre el átomo de oxígeno POLARIDAD DE LA MOLÉCULA DE AGUA DIPOLO

Al existir un dipolo en la molécula, ésta puede atraer a sus vecinas por fuerzas de atracción entre cargas de diferente signo. Estas fuerzas se denominan atracción dipolo-dipolo POLARIDAD DE LA MOLÉCULA DE AGUA

PUENTES DE HIDRÓGENO La atracción dipolo-dipolo, que es inusualmente fuerte, se denomina puente de hidrógeno

Enlaces covalentes ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DEL AGUA

ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DEL AGUA

EL AGUA 75% de la superficie de la tierra 65% a 95% de la masa de los seres vivos Surgió la vida Extraordinarias propiedades físicas y químicas

PROPIEDADES DEL AGUA Tensión superficial

PROPIEDADES DEL AGUA Capilaridad Movimiento ascendente de un líquido en un tubo estrecho fuerzas entre moléculas de agua fuerzas entre las moléculas de agua y paredes del capilar atracción cohesiva

Alto calor específico Cantidad de calor que necesita una sustancia para subir 1ºC la temperatura de 1 gramo de dicha sustancia Calor específico se necesita mucho calor para que el agua aumente su temperatura no es fácil que el agua se caliente ni que se enfríe se desprende mucho calor cuando ésta se enfría Gran parte del calor es usado para romper los puentes de hidrógeno. Una vez conseguido esto, el calor se invierte en aumentar el movimiento de las moléculas, aumentando con ello la Tº

Congelación y Densidad grandes porciones flotantes de glaciares muy frecuentes en las regiones polares Icebergs En estado sólido (hielo), el agua es menos densa que en estado líquido

> 4ºC 0 - 4ºC Disminuye el movimiento Moléculas se acercan Moléculas se distancian - T°C Aumenta el volumen y por lo tanto disminuye la densidad Disminuye el volumen Densidad = Masa Volumen

EL AGUA COMO DISOLVENTE Uniones ion-dipolo > Enlace iónico de la sal > Puentes de hidrógeno del agua De compuestos iónicos De compuestos polares Como Alcoholes Aldehidos Cetonas Establece puentes de hidrógeno con ellos Capacidad de solvatar: separar o disolver iones

(b) BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS  Sintetizadas exclusivamente por seres vivos  Se estructuran a base de átomos de carbono (1) Carbohidratos (2) Proteínas (3) Lípidos (4) Moléculas hechas de nucleótidos Biomoléculas Orgánica Proteínas Glúcidos Nucleótidos Lípidos Son De tipo

Grupos de átomos unidos a una cadena de carbonos e hidrógenos (b) BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS Las moléculas orgánicas van a tener determinadas agrupaciones características de átomos que reciben el nombre de grupos funcionales Hidroxilo (OH) Carboxilo (COOH) Amino (NH 2 ) Grupos funcionales de importancia en Biología: Fosfato (H 3 PO 4 )

HIDROXILO (OH) CARBOXILO (COOH) AMINO (NH 2 )  Hace que las moléculas sean hidrosolubles  Abundante en azúcares  Moléculas que lo poseen se llaman ácidos  liberan un protón (H + )  En aminoácidos y ácidos grasos  En aminoácidos FOSFATO (H 3 PO 4 )  En fosfolípidos y en nucleótidos  Se representa como P

(b) BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS (1) Carbohidratos (2) Proteínas (3) Lípidos (4) Moléculas hechas de nucleótidos

(1) CARBOHIDRATOS (CH 2 O)n (Construidos de azúcares simples)  Se clasifican según el número de unidades de azúcar que contienen: Monosacáridos Disacáridos Polisacáridos Carbohidratos Unidad (azúcar) Enlace glucosídico (covalente) Enlace glucosídico

Triosas Pentosas Hexosas Monosacáridos De 3 átomos de carbono (C 3 H 6 O 3 ) De 5 átomos de carbono (C 5 H 10 O 5 ) De 6 átomos de carbono (C 6 H 12 O 6 )  Gliceraldehído  Dihidroxiacetona Ejemplos: Participan en el metabolismo de los azúcares  Ribosa  Desoxirribosa Ejemplos: Parte de la estructura de nucleótidos  Glucosa  Fructosa  Galactosa Ejemplos: Por contener muchos grupos hidroxilo son muy hidrosolubles Unidad (azúcar)

Disacáridos Sacarosa Lactosa Maltosa Glucosa + Fructosa Glucosa + Galactosa Glucosa + Glucosa Sintetizada por plantas, es la responsable del sabor dulce de los frutos Es el azúcar de la leche

Polisacáridos Almidón Glucógeno Celulosa  Forma en que las plantas almacenan glucosa en semillas y otras estructuras  “ Harina ”  forma saludable de consumir carbohidratos (como alternativa a dulces)  Forma en que los animales almacenan glucosa, principalmente en el hígado  No sirve para almacenamiento, sino que cumple un papel estructural, ej. pared celular

FUNCIONES DE CARBOHIDRATOS C 6 H 12 O 6 + 6O 2  6CO 2 + 6H 2 O + energía Función energética  fuente de energía inmediata para la célula Función estructural  por algunos polisacáridos entre los que destacan: Función protectora Función de reconocimiento electrones Se oxida Reduce a “ otros ”  Celulosa  Quitina  principal componente de exoesqueleto de artrópodos Ciertos polisacáridos estructurales se asocian con proteínas y recubren los epitelios respiratorio y digestivo (mucinas de secreción) Debido a la presencia de algunos oligosacáridos sobre la superficie de la membrana celular

(2) PROTEÍNAS Constituyen el 50% de masa seca de seres vivos Responsables de características de células Una célula difiere de otra por el tipo de proteína que predomina en ella, especialmente en lo que a su función se refiere

ESTRUCTURA Polímeros de aminoácidos ( aa ) Se caracterizan por poseer un grupo carboxilo (-COOH) y un grupo amino (-NH 2 ) Las otras 2 valencias del carbono se saturan con un átomo de H y un grupo variable denominado radical R Se distinguen 20 tipos de aa

Los aa se unen por enlace covalente formado por deshidratación Enlace peptídico Entre el grupo carboxilo de un aa y el grupo amino del siguiente con desprendimiento de una molécula de agua

Hay 20 tipos de aa en las proteínas  Alanina  Valina  Leucina  Isoleucina  Metionina  Fenilalanina  Triptófano No polares  Glicina  Serina  Treonina  Cisteína  Asparina  Glutamina  Tirosina Polares sin carga  Ácido aspártico  Ácido glutámico Ácidos  Lisina  Arginina  Histidina Básicos

NIVELES DE ORGANIZACIÓN (a) Estructura primaria Es la secuencia lineal de aa, es decir, el orden en que están colocados los aa en una proteína La función de una proteína depende de su secuencia y de la forma que ésta adopte

(b) Estructura secundaria Corresponde a plegamientos que se forman debido a interacciones entre aa no adyacentes Entre las interacciones responsables de la e. secundaria están los puentes de hidrógeno  Forma helicoidal Existen 2 tipos de estructura secundaria:  Forma laminar

Forma helicoidal La estructura primaria se enrolla helicoidalmente sobre sí misma. Se debe a la formación de puentes de hidrógeno entre –C=O de un aa y el –NH- del cuarto aa siguiente Predomina en proteínas fibrosas (ej. colágeno, elastina, queratina y seda). Estas fibras son elásticas debido a que los puentes de H se forman y se destruyen

Forma laminar Se forma una cadena en forma de zigzag

(c) Estructura terciaria Es la forma tridimensional, generalmente globular, de una proteína cuya estructura secundaria se ha plegado sobre sí misma, debido a interacciones entre aa no adyacentes

Se mantiene estable gracias a enlaces entre radicales R de aa:  Puentes disulfuro entre radicales de aa que tienen S  Puentes de hidrógeno  Puentes eléctricos  Interacciones hidrófobas

La estructura terciaria es esencial para la función de una proteína  en un anticuerpo  no se une al antígeno  en un receptor de membrana  no captará la señal que corresponde Alteración  desnaturalización  en una enzima  no calzará con reactantes

(d) Estructura cuaternaria Unión, mediante enlaces débiles (no covalentes), de más de una cadena polipeptídica (subunidad o protómero) con estructura terciaria, para formar un complejo proteico Ejemplos:  Hexoquinasa  con 2 subunidades  Hemoglobina  con 4 subunidades globulares

Los genes determinan el orden de aa en la proteína (E. primaria) El orden de aa en la proteína determina la forma en que se pliega el polipéptido (E. secundaria y terciaria) FORMA  FUNCIÓN Los genes determinan la función de las proteínas

FUNCIÓN ESTRUCTURAL Algunas proteínas constituyen estructuras celulares  Glucoproteínas  forman parte de membranas celulares y actúan como receptores o facilitan el transporte de sustancias  Histonas  forman parte de cromosomas que regulan la expresión de genes Principales componentes estructurales de células (crecimiento, desarrollo y reparación de tejidos)

FUNCIÓN ESTRUCTURAL Otras proteínas confieren elasticidad y resistencia a órganos y tejidos  Colágeno  del tejido conjuntivo fibroso (tendones, cartílagos, pelos)  Elastina  del tejido conjuntivo elástico  Queratina  de la epidermis  Fibroina  segregada por arañas y gusanos de seda para fabricar telas de araña y capullos de seda, respectivamente

Son las más numerosas y especializadas FUNCIÓN ENZIMÁTICA Biocatalizadores de reacciones químicas del metabolismo celular  Ácido graso sintetasa  cataliza síntesis de ácidos grasos Consideremos que todas las enzimas son proteínas (hacen posible las reacciones químicas)

FUNCIÓN HORMONAL  Insulina y glucagón  regulan niveles de glucosa en la sangre  Hormona del crecimiento  Adrenocorticotrópica  regula síntesis de corticosteroides  Calcitonina  regula metabolismo del calcio Acción hormonal en células adyacentes Acción hormonal en células lejanas

FUNCIÓN DEFENSIVA  Inmunoglobulinas  actúan como anticuerpos frente a posibles antígenos  Trombina y fibrinógeno  contribuyen a formación de coágulos sanguíneos para evitar hemorragias  Mucinas  efecto germicida y protegen a las mucosas  Algunas toxinas bacterianas ( Botulismo ), o venenos de serpientes  son proteínas con funciones defensivas Todos los anticuerpos son proteínas

FUNCIÓN DE TRANSPORTE  Hemoglobina  transporta oxígeno en la sangre de vertebrados  Hemocianina  transporta oxígeno en la sangre de invertebrados  Mioglobina  transporta oxígeno en los músculos  Lipoproteínas  transportan lípidos por la sangre  Citocromos  transportan electrones Estructuras encargadas del transporte de sustancias a través de la membrana plasmáticas ( canales , transportadores y bombas )

FUNCIÓN CONTRÁCTIL miofibrillas responsables de la contracción muscular  Dineina  relacionada con movimiento de cilios y flagelos Casi todos los movimientos se deben a la acción de combinaciones de proteínas  Actina  Miosina  Tubulina  en microtúbulos , filamentos responsables de movimiento de cilios y flagelos

FUNCIÓN DE RESERVA  Ovoalbúmina  clara de huevo  Gliadina  del grano de trigo  Hordeína  de la cebada  Lactoalbúmina  de la leche Reserva de aa para desarrollo de embrión

FUNCIÓN REGULADORA Regulan la expresión de ciertos genes Regulan división celular  Ciclina FUNCIÓN HOMEOSTÁTICA Mantienen el equilibrio osmótico y actúan con otros sistemas amortiguadores para mantener constante el pH del medio interno Estructuras receptoras de señales en la membrana plasmática

(3) LÍPIDOS Grupo diverso de moléculas, con 2 características importantes:  Contienen regiones extensas formadas casi exclusivamente por H y C, con enlaces  C ― C  C ― H No polares  Regiones no polares  lípidos son hidrofóbicos Aceites, grasas y ceras Fosfolípidos Esteroides Lípidos

ACEITES, GRASAS Y CERAS Sólo contienen C, H y O Contienen una o más subunidades de ácido graso Largas cadenas de C e H con grupo carboxilo en extremo Grupo carboxilo En general, no tienen estructuras en forma de anillo

GRASAS Y ACEITES Deshidratación Nombre químico : Triglicéridos Se utilizan como almacén de energía a largo plazo, tanto en plantas como animales  almacenan cierta cantidad de energía en menos masa que los carbohidratos

GRASAS Y ACEITES Con enlaces sencillos en cadenas de C  está saturado porque está “lleno” de átomos de H: tiene el mayor N° posible de átomos de H Si hay dobles enlaces entre algunos átomos de C  está insaturado , tiene menos átomos de H

GRASAS ACEITES Sin dobles enlaces  cadena de ácido graso es recta  ácidos grasos pueden acomodarse muy juntos , por lo que forman un sólido a T° ambiente Con dobles enlaces  Dobles enlaces producen flexiones en la cadena de ácido graso  Flexiones mantienen separadas las moléculas de aceite, por lo que son líquidos a T° ambiente

CERAS Se forman por la unión de un ácido graso y un monoalcohol, mediante un enlace éster

CERAS Químicamente similares a grasas  altamente saturadas, por lo que son sólidas a T° ambiente En plantas terrestres: En animales:  Impermeabilizantes para el pelo de mamíferos y pluma de aves  Impermeabilizantes para exoesqueletos de insectos  Construcción de complejas estructuras como colmenas  Recubrimiento impermeable en hojas y tallos Molécula completamente apolar, hidrófoba  función típica consiste en servir de impermeabilizante

FOSFOLÍPIDOS Similares a aceites con excepción de que uno de los 3 ácidos grasos es reemplazado por un grupo fosfato que tiene unido un grupo funcional polar corto, el cual generalmente contiene N

Colas hidrofóbicas  insolubles en agua Cabeza polar  tiene carga eléctrica y es soluble en agua ( hidrofílica ) FOSFOLÍPIDOS

FOSFOLÍPIDOS Importantes componentes estructurales de las membranas celulares

ESTEROIDES Estructuralmente diferentes de todos los demás lípidos 4 anillos de C fusionados, de los cuales se proyectan diversos grupos funcionales Las diferencias en los grupos funcionales unidos a los anillos pueden dar como resultado, grandes diferencias en la función de los esteroides

FUNCIONES F. de reserva : son la principal reserva energética del organismo F. estructural : forman las bicapas lipídicas de membranas celulares. Recubren y proporcionan consistencia a los órganos, y protegen mecánicamente estructuras o son aislantes térmicos como el tejido adiposo. Forman cubiertas impermeables en plantas o animales F. catalítica : aportan vitaminas que facilitan el trabajo de enzimas en las reacciones biológicas. En ausencia de la vitamina, la enzima no puede funcionar con todos los perjuicios que puede ocasionar. Ej. retinoides (vitamina A), tocoferoles (vitamina E), naftoquinonas (vitamina K) y calciferoles (vitamina D). F. informativa : muchas hormonas tienen estructura lipídica (esteroides, prostaglandinas, leucotrienos, calciferoles, etc) y constituyen señales químicas que permiten la adaptación del organismo a diversas condiciones ambientales

ACIDOS NUCLEICOS Largas cadenas de subunidades similares llamadas nucleótidos (1) Un azúcar (pentosa) (2) Un grupo fosfato (3) Una base nitrogenada  Ribosa  Desoxirribosa

NUCLEÓSIDOS Azúcar Base nitrogenada

NUCLEÓTIDOS Ribosa Desoxirribosa Ácido desoxirribonucleico ADN Ácido Ribonucleico ARN Fosfato Azúcar Base nitrogenada

Los nucleótidos se enlazan en largas cadenas cuando el grupo fosfato de un nucleótido forma un enlace covalente ( unión fosfodiester ) con el azúcar de otro

Ácido desoxirribonucleico ADN Ácido Ribonucleico ARN CADENAS DE NUCLEÓTIDOS

Tipos de base nitrogenada Cadena de nucleótidos CADENAS DE NUCLEÓTIDOS

ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO El ADN se encuentra en los cromosomas de todos los seres vivos y sus sucesión de nucleótidos deletrea la información genética necesaria para construir las proteínas de cada organismo

CÓDIGO GENÉTICO regla de correspondencia entre la serie de nucleótidos de los ácidos nucleicos y las series de aminoácidos (polipéptidos) en que se basan las proteínas

DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA CELULAR

Coenzimas:  NAD  NADP  FAD NUCLEÓTIDOS LIBRES EN LAS CÉLULAS Ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos forman los ácidos nucleicos ARN, ADN Transportadores de energía:  ATP  ADP Mensajeros intracelulares: AMP cíclico (receptores hormonales)

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