Bioquimica

ELEMENTOS QUE FORMAN LA MATERIA VIVA El

cuerpo y las cosas que rodean al ser humano están formados por sustancias químicas. En la naturaleza se encuentran dos tipos de sustancias: los elementos y los compuestos. Los elementos son sustancias que, químicamente, no se pueden dividir en otras más simples. Hay 92 elementos en la naturaleza y existen otros 17 que se han obtenido en los laboratorios, como el fermio (Fm), el nobelio (No) y el einstenio (Es). Algunos de los elementos que se encuentran en la naturaleza son el oro, el hierro, cobre y plata. Los nombres de todos los elementos se representan por símbolos, que pueden ser sólo una letra mayúscula o una letra minúscula; por ejemplo, el símbolo del oro es Au, del hierro es Fe, del cobre Cu, y de la plata Ag. Es difícil hallar elementos puros en la naturaleza, pues casi siempre se encuentran combinados. Los compuestos son sustancias en las que se combinan dos o más elementos. Ejemplos de compuestos son la sal de cocina, que está formada por los elementos cloro (Cl) y sodio (Na), y el agua, que está constituida por hidrógeno (H) y oxígeno (O).

En la naturaleza, los compuestos se combinan continuamente unos con otros por medio de las reacciones químicas. Los átomos y las reacciones químicas Los elementos se constituyen por partes muy pequeñas llamados átomos, que se pueden combinar químicamente, ocurriendo así la reacción química. El átomo es la partícula más pequeña que puede entrar en una reacción química.

Un átomo es la parte más pequeña de un elemento que conserva las características de dicho elemento. Esto es, cada elemento tiene su propio tipo de átomo. Los átomos tienen en su centro un núcleo, que está formado por tres clases de partículas: los protones, que se representan por una p, y tienen una carga positiva (+) y los neutrones, que no tienen carga y se representan por una n. Alrededor del núcleo giran los electrones, que están representados por una letra e y tienen una carga negativa (-). Las sustancias se combinan y descomponen en grado atómico, esto es, los átomos se unen y se desunen mediante reacciones químicas. Por ejemplo, en la combinación de dos átomos de hidrógeno con uno de oxígeno, para formar una molécula de agua. La fórmula química del agua es H2O, e indica que este compuesto está formado por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Los átomos se enlazan por medio de dos electrones. En el caso del agua, sus moléculas son muy pequeñas, debido a que sólo están formadas por tres átomos: dos de hidrógeno y uno de oxígeno. Sin embargo, hay moléculas muy grandes, por ejemplo, las moléculas de algunas proteínas, que son sustancias que poseen los seres vivos, están compuestas por cientos o, incluso, miles de átomos. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS SERES VIVOS: C, H, O, N

Entre

los principales elementos que forman el cuerpo de los seres vivos destacan cuatro, éstos son: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N). Estos cuatro elementos forman 97.4% del organismo de los seres vivos (carbono 9.5%, hidrógeno 63%, oxígeno 23.5% y nitrógeno 1.4%). El porcentaje restante (2.6%) lo integran los demás elementos de la tabla periódica. Por su constitución, los compuestos pueden agruparse en dos tipos: orgánicos e inorgánicos. Los orgánicos se caracterizan porque en su composición interviene el carbono, además de otros elementos. Los compuestos en cuya composición no aparece este elemento se llaman inorgánicos.

Hay algunas excepciones: por ejemplo, el dióxido de carbono (CO 2) es un compuesto inorgánico, aunque en su composición aparezca el carbono. Los compuestos inorgánicos que están presentes en los seres vivos son el agua y las sales minerales. Los orgánicos son los carbohidratos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. ELEMENTOS QUE SE ENCUENTRAN EN LOS SERES VIVOS Elementos Hidrógeno Carbono Nitrógeno Oxígeno Sodio Magnesio Manganeso Aluminio Sílice Fósforo Azufre Cloro Potasio Calcio Hierro Cobre Zinc Cobalto Vanadio Boro Selenio Flúor Cromo Níquel Yodo Molibdeno

Grado de contentración Más abundantes

Menos abundantes

Tanto las cosas como los seres vivos están formados por elementos químicos. Sin embargo, en los seres vivos la organización, la disposición y combinación de sus moléculas dan como resultado las propiedades y características por las cuales se manifiesta la vida. Todos los seres vivos son una combinación de compuestos orgánicos e inorgánicos integrados y ordenados, de tal manera que forman la materia necesaria para que se realicen con precisión los distintos procesos funcionales que son esenciales para la vida. PROPIEDADES DE LOS ELEMENTOS BIOGENÉSICOS

Se les llama elementos biogenésicos (formadores de vida, bios, que significa "vida" y, génesis, "origen" o "formación") a aquellos que intervienen en la conformación de los seres vivos. Los más importantes son el carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. El carbono tiene propiedades químicas que lo hacen muy importante para los seres vivos. Por ejemplo, puede unir sus átomos para formar largas cadenas que, a su vez, son los componentes básicos de las sustancias orgánicas, como el caso de las proteínas, las grasas y los azúcares. El carbono es tan importante que hay una rama de la química que se encarga de estudiar los compuestos de cadenas largas y cortas que forma este elemento: la química orgánica. Todas las biomoléculas se basan en los átomos de carbono para formar su estructura. El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido; es más ligero que el aire y es muy activo químicamente, es decir, puede reaccionar con la mayoría de los elementos y compuestos químicos. Forma parte de todos los compuestos orgánicos, junto con el carbono. El oxígeno es un gas muy importante para la mayoría de los seres vivos, pues resulta indispensable para la respiración. Se le encuentra en una proporción de 21% en el aire. Las reacciones en las que el oxígeno se combina con otros elementos se conocen como oxidaciones. Además, el oxígeno es un gas comburente, es decir, ayuda a la combustión de las sustancias y forma parte de gran cantidad de compuestos orgánicos. El nitrógeno también es muy importante para la vida, porque se encuentra en la composición química de todas las proteínas. En la naturaleza se encuentra de forma libre como parte del aire atmosférico, o combinado en forma de sales, llamadas nitratos, que se hallan principalmente en el suelo. El nitrógeno de estas sales es el que los vegetales utilizan para formar proteínas. Estos elementos también pueden encontrarse en las cosas; forman parte de las rocas, el aire, el agua. En los compuestos orgánicos la combinación de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno es equilibrada y estable, pues se unen por medio de enlaces químicos difíciles de romper llamados covalentes, en los que los átomos comparten sus electrones. En la tabla periódica, los elementos biogenésicos tienen la siguiente ubicación: el carbono se encuentra en la familia 14, periodo 2 y su estado es sólido; el hidrógeno es un gas que corresponde a la familia 1, periodo 1; el nitrógeno se localiza en la familia 2, periodo 15 y también es un gas; en tanto que el oxígeno es un gas que se ubica en la familia 16, periodo 2. Juntos, representan el 4.36% del total de elementos de la tabla periódica. Al combinarse entre sí los elementos biogenésicos forman grupos con propiedades físicas y químicas especiales, que se presentan en las moléculas biológicas, dándoles características particulares. Los principales grupos funcionales son: • • • •

Grupo hidroxilo (-OH) Grupo carboxilo (-COOH) Grupo metilo (-CH3) Grupo amino (-NH2)

Estos grupos al reaccionar y combinarse químicamente forman una gran variedad de compuestos orgánicos. COMPUESTOS INORGÁNICOS EN LOS SERES VIVOS

El hidrógeno y el oxígeno se combinan entre sí para constituir el componente celular más abundante: el agua (H2O). Más del 90% del plasma de la sangre es agua; el músculo contiene alrededor del 80% y la mayoría de los tejidos, tanto de las plantas como de los animales, contiene más del 50%. De esta manera, el agua desempeña una función importante en todas las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos. Por ser el componente celular más importante, el agua es un compuesto indispensable para la vida. Los nutrientes que la célula consume, el oxígeno que emplea para oxidarlos y sus propios productos de desecho son transportados por el agua. Las sales minerales están constituidas por elementos como el calcio, sodio, potasio, cloro y magnesio. Estas sustancias se encuentran en pequeñas proporciones en los organismos vivos, pero las funciones que desempeñan son de vital importancia, por ejemplo, son necesarios para que se lleven a cabo los procesos de digestión, respiración y nutrición. Como las sales son muy solubles en agua, se encuentran con facilidad en casi todos los cuerpos de los seres vivos. La fórmula química del agua es H2O tiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno y una masa molar de 18 g/mol. Por medio de la electrólisis, el agua se descompone en sus elementos constituyentes (hidrógeno y oxígeno). El agua pura es insípida, incolora e inodora, y su temperatura de ebullición es de 100º C y la de congelación de 0º C a nivel del mar. COMPUESTOS ORGÁNICOS ÚTILES PARA EL HOMBRE (PETRÓLEO, PLÁSTICOS, MEDICAMENTOS)

Los compuestos orgánicos formados principalmente por combinaciones diferentes de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, tienen propiedades especiales que son útiles para el ser humano. Entre los usos que el hombre ha dado a estos compuestos se encuentran la alimentación, la industria farmacéutica y en otras industrias económicamente muy importantes. En la alimentación se utilizan compuestos orgánicos como vitaminas y proteínas para enriquecer la leche, los cereales, el chocolate en polvo, galletas y muchos otros alimentos de consumo humano.

En la industria farmacéutica se utilizan los compuestos orgánicos que se extraen de las plantas y que tienen propiedades curativas, como la sábila, el nopal, la manzanilla, etcétera. También se usan compuestos orgánicos en la producción de gasolina, diesel, plásticos y llantas, entre otros. El compuesto orgánico más utilizado en la industria es el petróleo, que está formado por los restos de animales y vegetales que quedaron atrapados en las capas del subsuelo. A partir de este compuesto se pueden obtener aceites lubricantes, gasolinas, grasas para maquinaria, parafina y asfalto utilizado en calles y carreteras, entre otros productos. Plásticos Los plásticos son compuestos orgánicos muy empleados, entre ellos están el nailon, que se usa en la fabricación de ropa; el poliuretano o unicel, el polietileno, con el que se hacen las bolsas, etc. Un inconveniente del plástico es que no es biodegradable, por lo que su uso indiscriminado ocasiona problemas de contaminación. La principal característica de los plásticos es su capacidad para moldearse de distintas formas, por ejemplo, en láminas, esferas y rollos, y por medio de diferentes procesos químicos adquieren cualidades como la rigidez, la suavidad, la transparencia, etcétera. El vocablo plástico viene del griego plastikós que significa sustancia moldeable. Medicamentos Los medicamentos son todas aquellas sustancias que se usan en el tratamiento contra las enfermedades; también se les conoce como fármacos o medicinas. La mayor parte de los medicamentos son de origen orgánico, vegetal o animal, aunque actualmente casi todos se preparan en forma sintética por métodos químicos, con el propósito de lograr su producción en grandes cantidades.

Existen medicamentos para contrarrestar diversas enfermedades, algunos mitigan el dolor y otros destruyen microorganismos. Aunque los medicamentos actúan de diferentes formas de acuerdo con su composición química, en general, sus componentes son absorbidos por la célula para restablecer sus funciones. Cuando las enfermedades son infecciosas, los medicamentos trabajan conjuntamente con el sistema inmunitario para facilitar la activación y funcionamiento de las defensas del cuerpo contra los agentes patógenos (los agentes de la enfermedad). Preguntas para investigar y reflexionar:

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¿Por qué muchos medicamentos tienen fecha de caducidad? ¿Qué sucede si se toman después de la fecha indicada?

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¿Qué significa la leyenda "excipiente c.b.p." que presentan los componentes de la mayoría de los medicamentos?

CAPITULO 40. BIOMOLÉCULAS La

mayor parte de los componentes químicos de los organismos son compuestos orgánicos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Las moléculas de los compuestos orgánicos son muy grandes, pues están formadas por muchos átomos; además, por formar parte de los seres vivos se les conoce como biomoléculas. Existe una enorme variedad de biomoléculas, la mayor parte de los cuales son muy complejas, como las bacterias y otros microorganismos procariontes (sin núcleo definido). Por ejemplo, la bacteria Escherichia coli contiene cerca de 5 mil compuestos orgánicos diferentes; entre ellos, unas 3 mil clases diferentes de proteínas y unos mil tipos distintos de combinaciones en las bases de los ácidos nucleicos, que contienen la información genética. Al comparar las proteínas presentes en esa bacteria con las del ser humano, se encontrará que ninguna de las moléculas de la Escherichia coli se parece a las encontradas en el ser humano; ello se debe a que cada especie de organismos posee su propio conjunto de moléculas. Sin embargo, todas ellas se encuentran formadas por moléculas más sencillas ligadas entre sí. Por ejemplo, los 20 aminoácidos esenciales que integran las proteínas son idénticos en todas las especies vivientes, pero están ordenados en secuencias diferentes, formando una gran cantidad de proteínas distintas. Las biomoléculas que se encuentran en la célula tienen una función específica. Los compuestos que contienen los organismos vivos normalmente tienen una función determinada y son indispensables para la vida. LAS PROTEÍNAS: MOLÉCULAS DE USOS MÚLTIPLES

Las proteínas son los compuestos pertenecen, po su macromoléculas.

gran

orgánicos más abundantes en los seres vivos y tamaño, a un grupo de biomoléculas llamadas

Generalmente, en su estructura química contienen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, aunque en algunos casos puede haber pequeñas cantidades de azufre, fósforo, hierro, yodo y otros elementos. Existe una gran variedad de proteínas, por lo que sus funciones dentro de la célula son también muy diversas. Hay proteínas que llevan a cabo funciones estructurales, como la queratina que forma el cuero, pezuñas, plumas, uñas y pelo de los animales. Otras como la albúmina, sirven para controlar la presión de la sangre, es decir, controlar el

transporte de sales, lo que permite la distribución normal de agua en los diversos compartimientos corporales. La hemoglobina es otro ejemplo de proteína; su función es transportar el oxígeno y la mayor parte de CO2 (dióxido de carbono) en los vertebrados. Las hormonas son proteínas pequeñas que realizan complicadas e importantes tareas, entre las que destacan regular y controlar algunas funciones de nuestro cuerpo. Los anticuerpos son proteínas llamadas inmunoglobulinas, cuya función es proteger al cuerpo contra las enfermedades. Podemos estimular la producción de anticuerpos mediante la vacunación. Las enzimas funcionan como catalizadores, acelerando las reacciones químicas en la célula. Los aminoácidos son las unidades básicas de las proteínas. Hay muchos aminoácidos en la naturaleza. Los fundamentales para formar proteínas son 20, éstos pueden combinarse en diferentes proporciones y disposiciones mediante enlaces, para dar lugar a la gran variedad de moléculas de proteínas que existen. Todos los aminoácidos comparten la característica de tener un grupo carboxilo y un amino en su estructura. Entre los principales aminoácidos que forman parte de las proteínas están la arginina, ácido aspártico, ácido glutámico, histidina, lisina, metionina, prolina, triptófano, fenilalanina, tirosina, valina, leucina y la isoleucina. Cuando las proteínas se someten al calor pierden su actividad biológica, a este fenómeno se le denomina coagulación o desnaturalización de las proteínas. Los alimentos de origen animal son en general vastos en proteínas; por ejemplo, la carne de pescado, res, pollo, cerdo; leche y sus derivados, y huevo, entre otros. ENZIMAS: ACTIVADORES METABÓLICOS

Las enzimas son moléculas de proteínas muy especializadas. La célula las elabora a partir de aminoácidos sencillos; actúan como catalizadores para aumentar la velocidad de las reacciones químicas específicas dentro de la célula. Las reacciones químicas que catalizan las enzimas constituyen el metabolismo de las células. Cada una de las enzimas puede catalizar solamente un tipo de reacción química, por lo que en un organismo vivo se pueden contar más de un millar de enzimas diferentes. Son capaces de catalizar reacciones químicas muy complejas en milésimas de segundo. Esas reacciones requerirían semanas o meses si se llevaran a cabo en un laboratorio químico. Las enzimas reciben su nombre dependiendo de la sustancia sobre la que actúan, a cuyo nombre se le añade la terminación asa. Por ejemplo, la ureasa es la enzima que cataliza la reacción de la metabolización de la urea.

Hay algunas enzimas que contienen un componente químico necesario para que funcionen adecuadamente. A este componente se le llama cofactor. El cofactor de una enzima puede ser un metal, como el fierro (Fe), el magnesio (Mg), el zinc (Zn) o el manganeso (Mn). El cofactor también puede ser otra molécula compleja llamada coenzima, que son porciones no proteicas de las enzimas. Entre las coenzimas más importantes se encuentran las vitaminas, llamadas así porque colaboran con las enzimas para lograr la modificación química durante las reacciones metabólicas. LOS LÍPIDOS: ENERGÍA DE RESERVA Y MATERIA PRIMA DE LAS MEMBRANAS

Los lípidos, comúnmente llamados grasas, son sustancias orgánicas que contienen carbono, hidrógeno y, en menor proporción, oxígeno. Algunos lípidos contienen fósforo y se les llama fosfolípidos. Otros pueden combinarse con proteínas y se les llama lipoproteínas. Según la estructura y la composición química de los lípidos, será también su función. Se pueden considerar dos tipos de lípidos: • •

Lípidos de constitución Lípidos de reserva

Los lípidos de constitución están íntimamente ligados a la estructura de las membranas celulares y de los organelos que se encuentran en la célula. ESTRUCTURA DE ALGUNOS ÁCIDOS GRASOS COMUNES Estructura

Nombre

CH3 (CH2)10 COOH

Ácido láurico

CH3 (CH2)12 COOH

Ácido mirístico

CH3 (CH2)14 COOH

Ácido palmítico

Los lípidos de reserva se encuentran en los tejidos en forma de gotitas y se usan cuando el organismo requiere energía extra. Un lípido está formado esencialmente por la unión de un ácido graso y un alcohol, y pueden existir en estado sólido o líquido, según la naturaleza de los ácidos grasos que los constituyan. Entre los lípidos más importantes están: Triglicéridos. Localizados en grasas y aceites. Céridos. Que se encuentran en las ceras, son ejemplos la lanolina obtenida de la lana de las ovejas y la cera que producen las abejas. Se utilizan para elaborar velas y cremas cosméticas.

Fosfoglicéridos. Son lípidos que contienen fósforo además de ácidos grasos y son importantes por encontrarse en las membranas celulares de las células animales. Lecitinas. Que se encuentran en la yema de huevo. Cerebrósidos. Que se encuentran en el tejido nervioso. LOS CARBOHIDRATOS: EL COMBUSTIBLE PRINCIPAL DE LA CÉLULA

Los

carbohidratos son también compuestos orgánicos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Su fórmula general es: (CH2O)n donde n = 3 o un número mayor. Los azúcares se clasifican, por su número de moléculas, en tres grupos principales: • • •

Monosacáridos Oligosacáridos Polisacáridos

Los monosacáridos son azúcares simples que no pueden descomponerse en partes más pequeñas, por ejemplo: glucosa, fructuosa. Los oligosacáridos, también llamados azúcares compuestos, están formados por la unión de dos a seis moléculas de monosacáridos. Los más importantes son los disacáridos (con dos moléculas de monosacáridos unidas) entre ellos se encuentran: Maltosa (glucosa + glucosa) Sacarosa (glucosa + fructuosa) Los polisacáridos, también llamados glucanos, son azúcares con cadenas muy largas de monosacáridos. Los polisacáridos más importantes están en el almidón (polisacárido de reserva en las plantas) y en el glucógeno (polisacárido de reserva en animales). Ambos son cadenas de glucosa; se diferencian en la compleja ramificación de las fórmulas. En general, los azúcares se emplean para producir energía y también se almacenan como sustancias de reserva.

Los azúcares complejos (oligosacáridos y polisacáridos) se fragmentan en el tubo digestivo y dan lugar a moléculas de glucosa, las cuales son llevadas al hígado, donde se almacenan y son cedidas a la circulación general muy lentamente. Los músculos consumen glucosa, ésta al oxidarse proporciona la energía necesaria para las contracciones musculares y para la regulación de la temperatura del cuerpo. Los azúcares que no se consumen son transformados en grasas y se almacenan para ser quemados u oxidados cuando se requiera. ÁCIDOS NUCLEICOS: LAS MOLÉCULAS DE LA INFORMACIÓN

Existen dos tipos de ácidos nucleicos: Ácido desoxirribonucleico (ADN) y ácido ribonucleico (ARN) Ambos ácidos están formados por la unión de nucleótidos. Cada nucleótido consta de: • • •

Una molécula de ácido fosfórico Azúcar (ribosa en el caso de ARN y desoxirribosa en el caso del ADN) Base nitrogenada Las bases nitrogenadas presentes en el ADN son: adenina, guanina, citosina y timina. Las bases nitrogenadas del ARN son: adenina, guanina, citosina y uracilo. Esta última es equivalente a la timina del ADN. A los ácidos nucleicos se les llama también macromoléculas informacionales, debido a que contienen la información biológica o hereditaria, es decir, la información de lo que la célula debe realizar. Esta información está contenida en forma lineal y viene determinada por el orden o secuencia de los nucleótidos.

Ácido Desoxirribonucleico (ADN) El ácido desoxirribonucleico es una molécula muy larga, ella almacena toda la información genética del individuo. Está compuesta por dos cadenas lineales en donde las bases nitrogenadas se unen específicamente con sus bases nitrogenadas complementarias. Es decir, la adenina se une siempre a la timina, la guanina a la citosina, y viceversa. Dicha unión se efectúa por medio de puentes de hidrógeno y hace que el ADN adopte una estructura de doble hélice.

Ácido Ribonucleico (ARN) Existen tres tipos: • • •

ARN mensajero ARN ribosomal ARN de transferencia

ARN mensajero. Se sintetiza en el núcleo celular; de allí pasa al citoplasma donde actúa como patrón para ordenar la secuencia de aminoácidos durante la síntesis de proteínas. Cada molécula de ARN mensajero contiene el código de una o varias proteínas. ARN ribosomal. Es el más abundante en la célula; desempeña una función importante en la estructura y función biológica de los ribosomas. ARN de transferencia. Es una molécula relativamente pequeña; actúa como portador de aminoácidos específicos durante la síntesis de proteínas; esto es, cada aminoácido es transportado por un ARN de transferencia hasta los ribosomas, donde es agregado a la cadena de alguna proteína. Cómo funciona el ADN La información hereditaria o información genética está contenida en la molécula de ADN. Todas las células contienen información genética, por ello, antes de que una célula se divida para dar lugar a dos células hijas, el ADN tiene que duplicarse, de manera que cada célula hija reciba una copia de la información genética que le permitirá realizar las funciones que le corresponden.

A este proceso de autoduplicación del material genético celular se le llama duplicación del ADN. El ADN se encuentra en el núcleo de las células. Para llevar la información del ADN a toda la célula se utiliza el ARN. La copia de la información contenida en el ADN es un ácido ribonucleico conocido como ARN mensajero. Este lleva la información desde el núcleo hasta el citoplasma, concretamente hasta los ribosomas. Los ribosomas traducen la información que les da el ARN mensajero, dando como resultado la biosíntesis o formación de proteínas. La proteína que forma el ribosoma es la que ejecutará las órdenes que envió el ADN desde el núcleo.

El paso de la información del ADN al ARN se llama transcripción genética. Para formar una proteína nueva debe traducirse el lenguaje de las bases nitrogenadas. Este lenguaje es básicamente igual en el ARN y en el ADN, con la sola sustitución de una base, la timina, por otra, el uracilo. El lenguaje de las bases nitrogenadas deberá traducirse y transformarse en el de aminoácidos, que son los componentes de las proteínas. La ordenación de los aminoácidos es lo que diferencia a unas proteínas de otras, y el ARN es el responsable de tal ordenación. Cada tres bases del ARN codifican a un aminoácido, esto constituye el código genético que es universal a todos los seres vivos, y así se traduce el mensaje cifrado en tripletes de bases de ARN a un mensaje cifrado en unidades de aminoácidos, que dará lugar a distintas proteínas. El paso de información desde el ARN hasta las proteínas se llama traducción genética. Las proteínas se encargan de procesos específicos en las células: sirven de material celular, catalizan reacciones (enzimas), etcétera.