西班牙语化学

BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS 1 BIOQUÍMICA I. BIOELEMENTOS A. Concepto - Se denominan elementos biogénicos o bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos. B. Clasificación 1. Elementos mayoritarios - Están presentes en porcentajes superiores al 0,1 % y aparecen en todos los seres vivos. a. Bioelementos primarios (C, H, O, N /// P, S) - Principales constituyentes de las biomoléculas. En conjunto 95% de la materia viva (C 20 %, H 9.5 %, O 62 % y N 2,5 %). b. Bioelementos secundarios (Na, K, Ca, Mg, Cl) - En conjunto 4,5% de la materia viva. 2. Oligoelementos (Fe, Mn, I, F, Co, Si, Cr, Zn, Li, Mo) - Presentes en porcentajes inferiores al 0,1%, no son los mismos en todos los seres vivos. Son indispen- sables para el desarrollo armónico del organismo. - Se han aislado unos 60 oligoelementos en los seres vivos, pero solamente 14 de ellos pueden conside- rarse comunes para casi todos II. BIOMOLÉCULAS - Las biomoléculas o principios inmediatos, son las moléculas que forman parte de los seres vivos. Agua Inorgánicas Sales minerales Glúcidos Lípidos Proteínas Biomoléculas Orgánica Ácidos nucleicos III. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS A. El agua - El agua - 60-90% de la materia viva. Su abundancia depende de la especie, la edad (menor proporción en individuos más viejos) y la actividad fisiológica del tejido (mayor porcentaje los que tiene mayor actividad como tejido nervioso o muscular). Aparece en el interior de las células, en el líquido tisular y en los líquidos circulantes. 1. Estructura - El agua es una molécula dipolar: los electrones que comparten el O y el H están desplazados hacia el O por su mayor electronegatividad por lo que esa zona de la molécula tiene una ligera carga negativa y la de los H es ligeramente positiva. Cuando dos moléculas de agua se aproximan, la zona positiva de una molécula y la negativa de otra se atraen. Estas interacciones intermoleculares se conocen como puentes de hidrógeno. 2. Propiedades y funciones biológicas - A diferencia de otras sustancias de peso molecular semejante, el agua es líquida a temperatura am- biente. Debido a su polaridad el agua es buen disolvente de los compuesto iónicos y polares. Los líqui- dos orgánicos (citoplasma, líquido tisular, plasma, linfa, savia, ...) son disoluciones acuosas que sirven para el transporte de sustancias y como medio en el que se producen las reacciones metabólicas. - El agua no sólo es el medio en el que transcurren las reacciones del metabolismo sino que interviene en muchas de ellas como en la fotosíntesis, en las hidrólisis y en las condensaciones. - El calor específico (calor necesario para elevar 1ºC la temperatura de 1 g) es relativamente elevado, así como el calor de vaporización. Gracias a estas dos propiedades el agua interviene en la termorregula- ción. - Máxima densidad a 4°C. Como consecuencia el hielo flota sobre el agua líquida, lo que impide los océanos y otras masas menores de agua se congelen de abajo a arriba. - En el agua son elevadas las fuerzas de cohesión (atracción entre las moléculas de agua) y de adhesión (atracción entre el agua y una superficie) lo cual origina los fenómenos de capilaridad por los que el agua asciende en contra de la gravedad por conductos de diámetro muy fino (capilares). Estos fenó- menos contribuyen al transporte de sustancias en los vegetales. - Igual que otros líquidos el agua es incompresible y actúa como amortiguador mecánico (líquido amnió- tico, líquido sinovial) o como esqueleto hidrostático (líquido celómico en anélidos). BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS 2 B. Las sales minerales 1. Sales con función estructural - Aparecen precipitadas formando estructuras esqueléticas, como el carbonato de calcio (caparazones calcáreos) o el fosfato de calcio (esqueleto de vertebrados). 2. Sales con función reguladora - Se encuentran ionizadas, disueltas en un medio acuoso. a. Fenómenos osmóticos - Osmosis: difusión a través de una membrana semipermeable (solo permite el paso del disolvente). - Medios hipertónico (el de mayor concentración), hipotónico (el de menor) o isotónico (cuando los dos medios separados por la membrana semipermeable tienen la misma concentración de solutos). - A través de una membrana semipermeable el agua pasa siempre del medio hipotónico al hipertónico. - Plasmólisis (pérdida de agua de una célula en un medio hipertónico) y turgencia (la célula se hincha en un medio hipotónico, pudiendo llegar a estallar (lisis) si carece de pared celular y la diferencia de concentraciones es grande). b. Regulación del pH - Soluciones amortiguadoras formados por un ácido débil y su base conjugada (o viceversa). - El equilibrio H2CO3 � HCO3- + H+ es responsable del mantenimiento del pH en la sangre. Si el pH tiende a acidificarse el exceso de H+ se une al HCO3- (que actúa como base) formándose H2CO3 recuperándose el pH inicial. Ante una basificación del medio el equilibrio se desplaza hacia la dere- cha liberándose H+ por disociación del H2CO3 (un ácido débil) recuperándose también el pH inicial. La regulación es más precisa porque el H2CO3 se encuentra en equilibrio con el CO2 disuelto en el plasma (CO2 + H2O � H2CO3� HCO3- + H+). c. Cationes que realizan acciones específicas - Na+ - Impulso nervioso y equilibrio hídrico. Abundante en los medios extracelulares. - K+ - Transmisión del impulso nervioso. Contracción muscular. - Ca2+ - Contracción muscular. Coagulación sanguínea. Sinapsis. Cofactor. Estructural. - Mg2+ - Cofactor. Contracción muscular. IV. BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS Grupos Funcionales Hidrófilos Grupos Funcionales Hidrófobos Carboxilo - COOH Radical Alquílico - CH2 - R Hidroxilo o Alcohol - OH Radical etilénico - CH = R Carbonilo > C = O Radical fenilo - C6 H5 Amino - NH2 Los grupos funcionales polares son solubles en agua o hidrófilos. Los no polares son insolubles o hidrófobos. A. Glúcidos 1. Concepto - Biomoléculas orgánicas formadas por C, H y O - Químicamente se pueden definir como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas - Funciones biológicas: energética y estructural - Se pueden clasificar en glúcidos sencillos (monosacáridos), que no se pueden descomponer por hidróli- sis en otros glúcidos, y complejos que sí se pueden descomponer. Los glúcidos complejos comprenden a los disacáridos (dos monosacáridos unidos), a los oligosacáridos (entre tres y diez monosacáridos) y a los polisacáridos (más de diez). 2. Monosacáridos a. Concepto y clasificación - Azúcares sencillos, no hidrolizables, de 3 a 7 átomos de C (triosas, tetrosas, pentosas, hexosas). Si tienen un grupo aldehído se llaman aldosas y si tienen un grupo cetona cetosas b. Propiedades físicas - Sólidos, blancos, cristalizables. Solubles en agua (compuestos polares). Generalmente dulces. c. Principales monosacáridos Triosas - Gliceraldehído y dihidroxiacetona – importantes intermediarios metabólicos. Gliceraldehído Dihidroxiacetona BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS 3 Pentosas - Ribosa – componente de ribonucleótidos (ATP, nucleótidos del ARN). - Desoxirribosa (falta un –OH en el carbono 2) – componente de desoxirribonucleótidos (nucleótidos del ADN) - Ribulosa – un derivado, la ribulosa-1,5-difosfato, es responsable de la fijación del CO2 en la foto- síntesis. Ribosa Desoxirribosa Ribulosa Hexosas - Glucosa – función energética: principal combustible metabólico. Componente de polisacáridos es- tructurales y energéticos. - Galactosa – Combustible metabólico. Forma parte de la lactosa (azúcar de la leche). - Fructosa – Combustible metabólico. Forma parte de la sacarosa. Aparece en frutas y líquidos se- minales. Glucosa Galactosa Fructosa 3. Estructura de las pentosas y hexosas en disolución - Estructura lineal (proyección de Fischer). No explica el comportamiento de los monosacáridos en disolu- ción. - Estructura cíclica (proyección de Haworth) Formación de un hemiacetal (aldosas) o hemicetal (cetosas) intramolecular (entre un grupo carbonilo y otro hidroxilo). Ribosa Desoxirribosa Glucosa Galactosa Fructosa 4. Disacáridos a. Concepto - Oligosacáridos formados por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace O-glucosídico que se produce al interaccionar un grupo OH de cada uno de los monosacáridos, liberándose una molé- cula de agua y quedando un O como puente de unión entre ambos monosacáridos. b. Propiedades - Cristalizables, dulces, solubles. - Mediante hidrólisis se desdoblan en monosacáridos. c. Principales disacáridos - Maltosa (glucosa - glucosa). Producto de la hidrólisis del almidón y el glucógeno. - Celobiosa (glucosa - glucosa). Producto de la hidrólisis de la celulosa. - Lactosa (glucosa - galactosa). Combustible metabólico. Se encuentra en la leche. - Sacarosa (glucosa - fructosa). Combustible metabólico. Azúcar común que se extrae de la caña de azúcar y de la remolacha azucarera. Maltosa Lactosa Sacarosa BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS 4 5. Polisacáridos a. Concepto - Macromoléculas formadas por polimerización* de monosacáridos unidos entre sí mediante enlaces O-glucosídicos. * Un polímero es una macromolécula formada por la repetición de una subunidad básica conocida co- mo monómero. En este caso los monómeros son los monosacáridos. b. Propiedades - Peso molecular elevado (son macromoléculas). - Hidrolizables (por hidrólisis generan monosacáridos) - No dulces. Insolubles c. Principales polisacáridos - El almidón y el glucógeno actúan como reservas energéticas y son hidrolizados en glucosas cuan- do ésta es necesaria. La acumulación de glucosa libre en las células generaría problemas osmóti- cos. - La celulosa y la quitina son polisacáridos estructurales. Los enlaces entre los monosacáridos son más resistentes a la hidrólisis. Almidón - Polímero de la glucosa. Presenta dos formas estructurales: amilasa (forma helicoidal no ramifica- da) y amilopectina (forma helicoidal ramificada). - Reserva energética en vegetales. Aparecen formando gránulos característicos: amiloplastos. Abundante en la patata y en muchas semillas. Amilosa Amilopectina - Glucógeno - Semejante a la amilopectina pero con más ramificaciones. - Reserva energética en animales. Se acumula en el hígado y en los músculos. - Celulosa - Polímero de la glucosa. Estructura lineal no ramificada. Es la molécula más abundante en la natu- raleza. - Función estructural en vegetales: principal componente de la pared celular. Su estructura lineal fa- vorece la disposición en paralelo de varias moléculas que se unen mediante puentes de hidróge- no. - Difícilmente digerible, solo ciertas bacterias (como las que viven en simbiosis en el estómago de los rumiantes) producen enzimas capaces de hidrolizar la celulosa. - Quitina - Polímero de un derivado de la glucosa: la N-acetilglucosamina - Función estructural: principal componente de la pared celular de los hongos y del exoesqueleto de artrópodos. B. Lípidos 1. Concepto - Biomoléculas orgánicas formadas por C, H y O; en algunos casos también P y N. - Químicamente heterogéneos. - Insolubles en agua, pero solubles en disolventes orgánicos apolares. - Presentan un brillo característico y son untuosos al tacto. 2. Ácidos grasos a. Concepto - Ácidos monocarboxílicos de cadena larga (14 - 22C, siempre nº par). Los ácidos grasos son compo- nentes de muchos lípidos y precursores de otros. b. Tipos Saturados - No presentan dobles enlaces en la cadena hidrocarbonada. - Puntos de fusión más altos que los insaturados del mismo número de carbonos. Son más abun- dantes en grasas de animales. - Palmítico (16C), Esteárico (18C). Ácido palmítico BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS 5 Insaturados - Presentan uno o más dobles enlaces en la cadena hidrocarbonada. - Puntos de fusión más bajos que los saturados del mismo número de carbonos. Predominan en grasas de origen vegetal. - Oleico (18:1∆9), Linoleico (18:2∆9,12), Araquidónico (20:4∆5,8,11,14) Ácido oleico Ácido linoleico Ácido araquidónico 3. Esterificación y saponificación a. Esterificación - La esterificación es la reacción de formación de ésteres. Como veremos, los lípidos saponificables que vamos a estudiar este año son ésteres de ácidos grasos. - Reacción de un grupo carboxilo con un grupo hidroxilo (ácido + alcohol → éster + agua). Existen también ésteres en los que el ácido que reacciona con el alcohol es inorgánico (ésteres fosfóricos, sulfúricos, …) b. Saponificación - Hidrólisis de un éster en un medio alcalino (éster + álcali → jabón + alcohol). - Jabón: sal del ácido orgánico que resulta de la hidrólisis en medio alcalino de un éster. 4. Clasificación a. Lípidos saponificables (lípidos complejos) - Esteres formados por un alcohol y ácidos grasos. Grasas neutras (acilglicéridos) Estructura - Glicerina + 1-3 ácidos grasos. Los más importantes son los triacilglicéridos (triglicéridos). Pueden ser grasas simples (ácidos grasos iguales) o mixtas (ácidos grasos diferentes). - Sebos (grasas sólidas), mantecas (semisólidas) y aceites (líquidas). Los sebos y mantecas son ca- racterísticos de los animales y tiene predominio de ácidos grasos saturados. Los aceites son ca- racterísticos de los vegetales y contiene principalmente ácidos grasos insaturados. Triacilglicérido Funciones - Reserva energética en animales y vegetales (producen más calorías por gramo que los glúcidos y las proteínas), protección, aislamiento térmico (se depositan bajo la piel de los animales de sangre caliente y evitan las pérdidas de calor). BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS 6 Ceras Estructura - Monoalcohol de cadena larga + ácido graso. Moléculas fuertemente hidrófobas. Funciones - Estructural y protectora. Forman la película que impermeabiliza la superficie de las hojas y frutos de las plantas. En los animales forman cubiertas protectoras de la piel, pelo y plumas, así como del exoesqueleto de muchos insectos. Fosfolípidos Estructura - Glicerina + 2 ác. grasos + ácido fosfórico. + aminoalcohol Fosfolípido Función - Moléculas anfipáticas: zona polar (glicerina, ác. fosfórico y aminoalcohol); zona apolar (ác. grasos). - Función estructural: son uno de los principales componentes de todas las membranas de todas las células, en las que se disponen formando bicapas. b. Lípidos no saponificables (lípidos simples) - No contienen ácidos grasos y no son ésteres. Constituyen un grupo de moléculas con gran actividad biológica que desempeña funciones muy variadas. Terpenos Estructura - Polímeros del isopreno. Presentan dobles enlaces alternos por lo que frecuentemente son molécu- las coloreadas. β-Caroteno Vitamina A Funciones - Esencias vegetales (mentol, geraniol, limoneno, alcanfor...) - Vitaminas A, K y E. - Carotenoides (licopeno -rojo-, β-caroteno -anaranjado-, xantofila -amarillo-, ...). Son pigmentos fo- tosintéticos que complementan a la clorofila. El β-caroteno es el precursor de la vitamina A. Esteroides Estructura - Derivados del esterano (hidrocarburo policíclico). Se diferencian unos de otros en el número y po- sición de dobles enlaces y en el tipo, número y posición de los grupos funcionales sustituyentes. Esterano Colesterol Funciones - Estructural: el colesterol se encuentra en las membranas celulares de muchos animales y en las li- poproteínas del plasma sanguíneo. Es además precursor de otros esteroides. Su acumulación en las paredes de los vasos sanguíneos es responsable de la arteriosclerosis. - Los ácidos biliares son derivados del colesterol que facilitan la emulsión de las grasas. - Vitamínica: el ergosterol es precursor de la vitamina D; se transforma en ella en la piel por acción de la luz ultravioleta. - Hormonal: progesterona y estradiol (hormonas sexuales femeninas); testosterona (hormona sexual masculina); Aldosterona (corticoide). BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS 7 C. Proteínas 1. Concepto - Biomoléculas orgánicas formadas por C, H, O, N y S. También pueden aparecer otros elementos en menores proporciones. Son macromoléculas de elevado peso molecular (5.000 - 1.000.000) formadas por la polimerización de aminoácidos. - Constituyen un 50% del peso seco de un organismo. - Son específicas de cada especie e incluso de cada organismo. - Biológicamente muy activas. Desempeñan una gran diversidad de funciones. 2. Aminoácidos a. Concepto (αααα-aminoácidos) - Parte común: carbono α, grupo α-amino, grupo α-carboxilo y H–. Parte variable: radical. Existen veinte radicales distintos en los aminoácidos que constituyen las proteínas de los seres vivos. radical grupo α-amino grupo α-amino hidrógeno b. El enlace peptídico - Enlace entre el grupo α-carboxilo de un aminoácido y el α-amino de otro, liberándose una molécula de agua. - La unión de dos aminoácidos mediante un enlace peptídico se denomina dipéptido. Si el nº de ami- noácidos es menor de cien se denomina polipéptido y con más de cien es una proteína. 3. Estructura - La función de las proteínas está relacionada con su estructura tridimensional. Se pueden distinguir cua- tro niveles de complejidad estructural creciente: a. Estructura primaria - Cada proteína se caracteriza por el número, tipo y orden de los aa que la componen. - Esta secuencia de aa condiciona los niveles estructurales siguientes. b. Estructura secundaria - Todos los enlaces de la cadena polipeptídica, excepto los enlaces peptídicos, permiten la rotación de la molécula. De todas las conformaciones posibles solo algunas son estables. La mayoría de las pro- teínas presentan una estructura conjunta. - Hélice alfa: la cadena de aminoácidos adopta una estructura helicoidal mantenida por puentes de H entre el grupo -NH de un aa y el -C=O del cuarto aa que sigue en la secuencia. Los R quedan hacia afuera. - Lámina plegada β: cadena plegada sobre sí misma y en zig-zag. Se estabiliza también mediante puentes de H entre distintas zonas de la cadena polipeptídica. Los grupos R se alternan hacia arriba y abajo. - Algunas proteínas no adquieren una mayor complejidad estructural. En este caso reciben el nombre de proteínas fibrosas c. Estructura terciaria (Globular) - Replegamiento tridimensional de una proteína con estructura secundaria. Determina la actividad de la proteína. Las proteínas con estructura terciaria son más activas, las fibrosas suelen ser estructura- les. Se producen interacciones entre radicales de aa que se encuentran separados en la cadena po- lipeptídica. d. Estructura cuaternaria (Proteínas oligoméricas) - Proteínas oligoméricas, formadas por la asociación de varias subunidades proteicas iguales o dife- rentes mediante enlaces débiles. Un ejemplo de proteína oligomérica es la hemoglobina, formada por cuatro subunidades iguales dos a dos. e. Desnaturalización y renaturalización - Pérdida de la actividad de una proteína al perder su estructura terciaria por algún cambio en el medio (temperatura, pH, salinidad, composición, radiaciones, ...). Si el cambio no ha sido muy drástico se puede producir la renaturalización de la proteína, recuperando su estructura y su actividad. BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS 8 4. Clasificación - Ver cuadro. 5. Enzimas a. Concepto - Biocatalizadores. Proteínas globulares que aceleran las reacciones bioquímicas (unas 107 veces). Cada reacción que se produce en el organismo es catalizada por un enzima. - Pueden ser holo- o heteroproteínas. En este último caso, la parte constituida por aminoácidos se denomina Apoenzima (no activo), el grupo prostético se denomina cofactor y la unión de ambos es el Holoenzima (activo). - Los reactivos sobre los cuales a