Apuntes Bio 01

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Biología - Plan Común

Las Bases Químicas de la Vida Al término de esta lección podrás: • • •

Conocer los elementos de mayor representatividad en el cuerpo humano, y su ubicación en distintas moléculas. Conocer algunas moléculas orgánicas de importancia en el metabolismo celular. Conocer las unidades fundamentales de algunas de las macromoléculas más importantes para la célula.

¿Qué tiene la química que ver con la biología? Probablemente te estés haciendo esta pregunta al empezar con el estudio de esta unidad, ya que quizás la relación no es tan obvia. Sin embargo, la química tiene mucho que decir cuando estudiamos biología. Los seres vivos se componen a nivel microscópico de moléculas químicas orgánicas e inorgánicas que son relativamente similares, aún entre organismos que no tienen una relación muy evidente, como por ejemplo mamíferos y bacterias. Los ladrillos a partir de los cuales se construye la vida, son prácticamente los mismos entre las diversas formas de vida que conocemos, de manera que es necesario entender que elementos y moléculas componen la unidad fundamental de la vida, la célula, y su entorno inmediato. Empezaremos esta lección analizando que elementos forman parte mayoritaria de las estructuras biológicas (Bioelementos) y posteriormente avanzaremos en la comprensión de la naturaleza química inherente a nuestra condición de organismos vivos. ¡Buena Suerte!

1. Bioelementos. Alrededor del 98% de la masa de un organismo está constituida por sólo seis elementos químicos: Oxígeno (O), Carbono (C), Hidrógeno (H), Nitrógeno (N), Calcio (Ca) y Fósforo (P). Además de estos elementos que representan una fracción mayoritaria en la biomasa, existen otros elementos que se encuentran en cantidades mucho menores y se denominan oligoelementos (del griego oligos, que quiere decir reducido). Los bioelementos cumplen funciones variables, que dependen tanto de su naturaleza química como de su abundancia. A continuación, en una tabla, se describen los bioelementos que conforman un cuerpo humano promedio.

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Elemento % (masa)

Importancia o Función

Oxígeno

65 %

Necesario para la respiración celular, presente en la mayoría de los compuestos orgánicos, forma parte del agua.

Carbono

18 %

Constituye el esqueleto de las moléculas orgánicas, puede formar cuatro enlaces covalentes con otros átomos.

Hidrógeno

10 %

Presente en la mayoría de los compuestos orgánicos, por ejemplo, carbohidratos. Forma parte del agua.

Nitrógeno

3%

Componente de proteínas y ácidos nucleicos (DNA, RNA), algunos lípidos y compuestos de desecho.

Calcio

1.5 %

Componente de huesos y dientes, importante en la contracción muscular, conducción de impulsos nerviosos, comunicación celular y coagulación de la sangre.

Fósforo

1%

Componente de ácidos nucleicos, huesos. Componente de moléculas usadas para transferencia de energía, componente de los fosfolípidos de la membrana celular.

Potasio

0.4 %

Principal catión intracelular, importante en la conducción del impulso nervioso, en el equilibrio electroquímico y la contracción muscular.

Azufre

0.3 %

Componente importante en proteínas.

Sodio

0.2 %

Principal catión extracelular. Es importante en el equilibrio hídrico del cuerpo, importante en la conducción del impulso nervioso.

Magnesio

0.1 %

Necesario para procesos enzimáticos, constituyente de la sangre y muchos tejidos.

Cloro

0.1 %

Principal anión extracelular, importante en el equilibrio y la conducción del impulso nervioso.

Hierro

trazas

Componente de la hemoglobina y mioglobina (proteínas encargadas del transporte del oxígeno por glóbulos rojos), forma parte de algunas enzimas.

Yodo

trazas

Componente de hormonas tiroideas.

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2. Componentes del citoplasma celular. El citoplasma es el medio interno de una célula, lugar donde ocurren una variedad de reacciones químicas y procesos que tienen como finalidad mantener a la célula viva y permitir su perpetuación en el tiempo. El citoplasma se compone de una solución coloidal, compuesta principalmente de agua y proteínas, en la que se encuentran inmersos varios organelos y estructuras. Un coloide es un tipo especial de solución compuesto por partículas de un tamaño intermedio (entre 1 y 10 nm; 1 nm = 0.000000001 m) entre una solución homogénea y una suspensión. Tradicionalmente se ha aceptado que el citoplasma puede alternar entre dos estados o fases por ser un sistema coloidal. El citoplasma puede volverse fluído o semi líquido, llamándose SOL. Por el contrario, si se encuentra en un estado semi sólido pasa a llamarse GEL. El común que el estado sol se encuentre en el centro de la célula y el estado gel se encuentre en la periferia de la misma. Ahora centraremos nuestra atención en los constituyentes del citoplasma.

2.1. Componentes Inorgánicos. Los principales componentes inorgánicos son: • Agua • Sales minerales

Agua El citoplasma contiene en promedio un 80% de agua. Si nos centramos en niveles de organización superiores como tejidos, encontraremos una mayor variedad de situaciones. Existen tejidos que contienen muy poca agua, como los huesos (20%), mientras que otros tejidos poseen una gran cantidad de agua, como el cerebro (85%). La cantidad de agua varía según la edad del individuo, tendiendo a decrecer en la medida que se acerca a la vejez. La molécula de agua se compone de dos átomos de Hidrógeno, y un átomo de oxígeno, de modo que su fórmula molecular es H2O. Como se puede ver en la figura, la molécula de agua presenta una cualidad muy importante: es una molécula polar, es decir, presenta una tendencia a cargarse eléctricamente, formando dos polos, uno positivo y uno negativo. Esta cualidad esta determinada por la gran diferencia de electronegatividad que existe entre el átomo de oxígeno y el átomo de hidrógeno. El oxígeno es capaz de retener con más fuerza los electrones, de modo que estos tienden a acercarse más hacia el oxígeno en la molécula, cargándose negativamente. Por el contrario, los átomos de hidrógeno, con mucha menor capacidad de retener electrones que el oxígeno, se cargan positivamente. El resultado neto es que la molécula de agua posee dos zonas débilmente negativas, y dos zonas débilmente positivas. Esta propiedad le permite formar interacciones débiles con otras moléculas de agua de la vecindad, llamadas puentes de hidrógeno. Un puente de hidrógeno se produce al interactuar cargas débiles opuestas entre distintas moléculas de agua, como se muestra en la figura.

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Aunque la fuerza con la que un puente de hidrógeno mantiene unidas dos moléculas de agua es relativamente pequeña, la fuerza total que mantiene unidas a las moléculas de agua es muy grande, lo que explica propiedades como su alto calor específico, y su alta temperatura de ebullición. Adicionalmente, la capacidad de generar puentes de hidrógeno con otras moléculas de agua otorga 2 propiedades adicionales que son muy importantes: • El agua posee cohesión entre sus moléculas, lo cual le otorga una gran tensión superficial. • El agua tiene gran capacidad de adhesión a otras moléculas o superficies polares, lo cual explica que ascienda por tubos estrechos de forma espontánea (capilaridad). En conjunto, sus propiedades de cohesión y adhesión le permiten al agua ser humectante y lubricadora de superficies. El alto calor específico del agua ayuda a la célula a mantener su temperatura relativamente constante. Finalmente, una de las propiedades más importantes del agua es ser un solvente universal, y además ionizante, lo cual la convierte en un medio de reacción ideal.

Sales Minerales Tanto las células como los líquidos extracelulares (o intersticiales) contienen una gran variedad de sales disueltas. Los iones de estas sales son esenciales para el equilibrio químico, eléctrico y ácido-básico (redox) en los organismos. En animales superiores, son importantes además para el funcionamiento de nervios y músculos, la coagulación de la sangre, la formación de huesos y una amplia variedad de funciones adicionales. En general los iones más abundantes de carga positiva (o cationes) son el Sodio (Na+), Potasio (K+), Calcio (Ca+2) y Magnesio (Mg+2). Los iones más abundantes de carga negativa (o aniones) son el Cloruro (Cl-), el Bicarbonato (HCO3-), el Fosfato (PO4-3) y el Sulfato (SO4-2). Generalmente en organismos marinos, el contenido de sales es similar al del agua salada que los rodea. Por el contrario, en organismos de agua dulce, u organismos terrestres, la cantidad de sal es mucho menor, un tercio de la que se puede encontrar en organismos de agua salada, correspondiendo a menos de un 1% de sal en los líquidos corporales. El equilibrio salino es tan delicado, que su alteración significativa puede causar la muerte, aunque su concentración sea muy pequeña.

2.2. Componentes Orgánicos. Los compuestos orgánicos representan una fracción importante de las moléculas que podemos encontrar en una célula. Sus funciones son tan variadas como sus estructuras, participando de procesos metabólicos, energéticos, estructurales y más. En la gran mayoría de los compuestos orgánicos, el esqueleto principal de la molécula esta compuesto de carbono, elemento que otorga gran flexibilidad de estructuras posibles, al poder formar cuatro enlaces covalentes. Los principales componentes orgánicos son: • Carbohidratos (Hidratos de Carbono). • Lípidos. • Aminoácidos. • Nucleótidos. Lección 1

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2.2.1 Carbohidratos (Hidratos de Carbono) Los carbohidratos son compuestos que tienen una fórmula molecular general de tipo (CH2O) n. Debido a esta similitud con la molécula de agua, se les llamó “hidratos”. Algunos ejemplos comunes son los azúcares, el almidón y la celulosa. Según la cantidad de subunidades o monómeros que posee un carbohidrato puede ser dividido en distintas clases. Las principales clases de carbohidratos son: • Monosacáridos. • Disacáridos. • Polisacáridos.

Monosacáridos Los monosacáridos son azúcares simples que poseen de 3 a 7 átomos de carbono (llamándose triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, heptosas, respectivamente). Monosacáridos importantes son por ejemplo la ribosa y desoxiribosa. Abas son azúcares de cinco carbonos, o pentosas, componentes importantes de ácidos nucleicos. La ribosa forma parte del esqueleto del RNA, mientras que su derivado desoxigenado, la desoxiribosa, forma parte del DNA. Los polisacáridos tienen propiedades estructurales importantes. Cuando la glucosa, por ejemplo, forma un anillo, existen dos formas estructurales (o isómeros) que puede adoptar, que difieren en la orientación de un grupo –OH (hidroxilo). Cuando el grupo hidroxilo está unido al carbono 1 por debajo del plano del anillo, la glucosa se denomina α-glucosa. Cuando el grupo hidroxilo se encuentra por encima del plano del anillo, se denomina β-glucosa. Pese a que es una diferencia pequeña, a nivel biológico adquiere una significancia muy grande. La glucosa es el componente fundamental de 2 moléculas de reserva de energía: el glucógeno (en animales) y el almidón (en vegetales). La polimerización de la α-glucosa da origen al almidón o glucógeno, mientras que la polimerización de la β-glucosa da origen a una molécula completamente distinta: la celulosa, componente principal de la pared celular de las plantas.

α-D-glucopiranosa

β-D-glucopiranosa

La glucosa es el monosacárido más común, siendo una importante fuente de energía para animales y plantas. Durante la fotosíntesis, plantas y algas producen glucosa a partir de CO2 y H2O, utilizando luz solar como fuente de energía. En la respiración celular, la molécula de glucosa se rompe para producir energía, en presencia de oxígeno. La importancia de la glucosa en los seres vivos es muy grande, en humanos, por ejemplo, la concentración de glucosa se mantiene cuidadosamente constante en la sangre. Desbalances de este equilibrio traen como consecuencia enfermedades graves, como la diabetes. Otros monosacáridos importantes son la fructosa, la manosa y la galactosa (presente en la leche).

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Disacáridos. Un disacárido se compone de dos monosacáridos unidos mediante un enlace covalente denominado enlace glucosídico.

Lactosa La lactosa (o azúcar de la leche) esta compuesta por una molécula de glucosa y otra de galactosa.

Maltosa La maltosa o azúcar de malta consta de dos moléculas de glucosa unidas por un enlace glucosídico.

Sacarosa La sacarosa, conocida también como azúcar de mesa, esta formada por una molécula de glucosa unida a una de fructosa.

Polisacáridos. Son los carbohidratos más abundantes, un grupo que incluye el almidón, el glucógeno y la celulosa. Un polisacárido se compone de muchas subunidades (o monómeros) de un azúcar simple, generalmente glucosa. El número de monómeros en un polisacárido es variable, sin embargo, en la gran mayoría de los casos estamos hablando de millones de monómeros en una cadena que puede ser simple y larga, o bien ramificada.

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2.2.2 Lípidos Los lípidos son un amplio grupo de compuestos heterogéneos, que poseen una consistencia grasosa o aceitosa, siendo generalmente insolubles en agua (también llamados inmiscibles, es decir, que no se pueden mezclar). Al igual que los carbohidratos, se componen en general de carbono, hidrógeno y oxígeno, sin embargo, no en la misma proporción, ya que los lípidos suelen tener menos oxígeno y más hidrógeno que los carbohidratos. Los grupos oxígeno, por sus características físicas, tienden a formar enlaces débiles con las moléculas de agua, de manera que una abundancia de átomos de oxígeno en una estructura generalmente la hace hidrosoluble o hidrofílica, en el caso de los lípidos, la relativa escasez de oxígeno en la molécula acentúa su carácter hidrofóbico. A nivel biológico, los lípidos de mayor importancia son las grasas neutras, los fosfolípidos, los esteroides, los carotenoides y las ceras. Las principales tipos de lípidos son: • • • • • •

Grasas neutras Fosfolípidos Carotenoides Esteroides Esfingolípidos Lipoproteínas

Grasas neutra Son los lípidos más abundantes en los seres vivos. Producen más del doble de energía por gramo de materia que los carbohidratos, lo que los vuelve una forma económica de reservar energía. Como parte normal del metabolismo celular, los carbohidratos y proteínas son transformados en lípidos, y luego almacenados dentro de los adipositos, o células del tejido adiposo. Estructuralmente, una grasa neutra consta de una molécula de glicerol unida a una, dos o tres moléculas de ácido graso, formando monoglicéridos, diglicéridos o triglicéridos, respectivamente. El glicerol es un alcohol de tres átomos de carbono, en cada uno de los cuales hay un radical hidroxilo (OH). Un ácido graso es una larga cadena de átomos de carbono con un grupo hidroxilo (-COOH) en un extremo. Dependiendo del número de saturaciones en la cadena del ácido graso, estaremos hablando de ácidos grasos saturados o insaturados. Un ácido graso es insaturado, cuando posee átomos de carbono unidos por un doble enlace, es decir, ha perdido átomos de hidrógeno para poder formar enlaces dobles. Un ácido graso es saturado cuando todos los enlaces entre carbonos son simples y posee el número máximo de átomos de hidrógeno en su estructura. Los ácidos grasos poliinsaturados poseen múltiples enlaces dobles en su estructura. Lección 1

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En general, el grado de saturación de un ácido graso influye en las propiedades visibles de los lípidos. A temperatura ambiente los ácidos grasos insaturados, como los aceites, son líquidos; mientras que los saturados suelen ser sólidos, como la mantequilla. Industrialmente, se manipula el grado de insaturación de las grasas, para obtener productos más (o menos) sólidos a temperatura ambiente. Existen ácidos grasos que no pueden ser sintetizados por animales, y se denominan ácidos grasos esenciales. Entre estos encontramos el ácido linoleico.

Fosfolípidos Los fosfolípidos son lípidos que presentan una característica muy importante: son antipáticos, lo que significa que poseen una región polar y otra apolar. En su zona polar, se ubica una cabeza a la que se encuentra unida un grupo fosfato polar. En su cola, poseen dos largas cadenas hidrocarbonadas (compuestas de H y C) que son apolares. Los fosfolípidos son importantes a nivel celular ya que son los principales constituyentes de las membranas celulares, en las cuales se ubican de forma ordenada en una capa doble, con las cabezas polares mirando hacia el entorno acuoso polar, y las colas hacia el interior hidrofóbico.

Carotenoides Los carotenoides son pigmentos vegetales insolubles en agua, generalmente de color rojo o amarillo. Los carotenoides cumplen importantes funciones en la fotosíntesis, actuando como pigmentos accesorios a la clorofila, que son capaces de captar longitudes de onda en las cuales la clorofila es ineficaz. Ejemplos de carotenoides son el licopeno, de color rojo, abundante en el tomate, y el betacaroteno, de color amarillo-anaranjado, abundante en las zanahorias.

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Esteroides Los esteroides son moléculas que poseen una gran importancia biológica. En general los esteroides tienen una estructura particular, de varios anillos planos hidrocarbonatos. Entre sus funciones mas representativas, los encontramos formando parte de las hormonas sexuales masculinas y femeninas, las hormonas secretadas por la corteza suprarrenal, y el colesterol. Forman parte además del colesterol, el cual es un componente de las membranas celulares animales, y las sales biliares, encargadas de la emulsión de grasas en el intestino.

Ejemplo de Esteroides: El colesterol

Esfingolípidos Los esfingolípidos son derivados de la esfingosina, un aminoalcohol. Un ejemplo de esta clase de lípidos es la esfingomielina, la cual se encuentra formando parte de la envoltura de mielina que rodea los axones de las células nerviosas.

Lipoproteínas Se llaman de esta forma a los lípidos que se encuentran asociados a proteínas para poder ser transportados por la sangre. Recordando, los lípidos son insolubles en agua, la cual está formada por al menos un 55% de agua. Es necesario, por lo tanto, que se encuentren asociados a un “vehículo” que posibilite su transporte en un medio en el cual no se pueden encontrar en solución. Las lipoproteínas pueden ser de distintos tipos, existiendo quilomicrones (un 2% de proteína, 90% de lípidos), lipoproteínas de baja densidad (LDL, 25% de proteína) o de alta densidad (HDL, 50% de proteína).

2.2.3 Aminoácidos Los aminoácidos son los componentes esenciales de las proteínas. Al igual que un polisacárido se compone de subunidades o monómeros de azúcares simples, una proteína se compone de subunidades o “residuos” aminoacídicos. Un aminoácido es una molécula orgánica que posee la generalidad de poseer un grupo amino (-NH2) y un grupo ácido, o también llamado carboxilo (-COOH) en su estructura. Todos los aminoácidos, veinte en total, poseen estos grupos unidos al mismo carbono, llamado carbono alfa. Con algunas excepciones, las plantas son capaces de sintetizar todos los aminoácidos necesarios para sus procesos metabólicos, a partir de sustancias más simples. Sin embargo, las células animales y humanas que son incapaces de sintetizar algunos aminoácidos, necesitan obtenerlos de la dieta. Estos son los llamados aminoácidos esenciales. Ya que los animales tienen distintas capacidades biosintéticas, un aminoácido esencial para un animal, puede no serlo para otro.

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Para humanos, los aminoácidos esenciales son: • • • • •

Fenilalanina Isoleucina Leucina Lisina Lisina

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• • • •

Metionina Treonina Triptófano Valina

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2.2.4 Nucleótidos Los nucleótidos son las biomoléculas esenciales para la transmisión de la información genética, al ser las unidades a partir de las cuales se sintetiza la doble hebra de DNA, o la hebra simple de RNA. Un nucleótido se compone de un grupo fosfato, una azúcar (desoxiribosa en el DNA, ribosa en el RNA) y una base nitrogenada. En el DNA encontramos las bases Adenina, Timina, Citosina y Guanina; mientras que en el RNA encontramos las mismas bases, con la excepción que la Timidina es reemplazada por una base denominada Uracilo. Las bases adenina y guanina se denominan bases purínicas mientras que timidina, citosina y uracilo son denominadas pirimídinicas. Las bases purínicas son más grandes que las bases pirimidínicas. Una característica importante de los nucleótidos es su capacidad de formar puentes de hidrógeno entre ellos, de forma específica. La interacción ocurre de la siguiente manera: • Adenina – Timidina: 2 puentes de hidrógeno. • Citosina – Guanina: 3 puentes de hidrógeno.

El apareamiento de las bases es específico, es decir, Adenina sólo se puede aparear con Timidina (A=T) o bien con Uracilo (A=U) si estamos en el RNA. Por el contrario, Citosina sólo puede aparearse con Guanina (C=G). Esta cualidad permite que la información genética se transmita de manera fiable, a través de las generaciones.

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