Química

Bioquímica: Composición química de los seres vivos. Macromoléculas. Hidratos de carbono. Lípidos. Acidos nucleicos. Proteínas. Bioenergía. La célula.

INTRODUCCION

Propiedades de los seres vivos

Estructuras muy organizadas capaces de mantenerse y renovarse,autorreplicarse y ensamblarse, efectuando un consumo continuo de energía.

Composición química de los seres vivos

Las moléculas presentes en todos los seres vivos son iguales, lo que hace pensar en un ancestro común.

Elementos que forman parte de los seres vivos:

Tienen que ser escogidos del entorno, formando parte de la corteza terrestre o de la atmósfera. La primera limitación es la composición de la corteza y la atmósfera. Los criterios son que sea abundante y asequible. La composición de un ser vivo no es la misma que la de la corteza o la atmósfera sino que unos elementos se escogen antes que otros.

Elementos más abundantes: son abundantes y necesarios para los seres vivos. C, N, H y O.

Elementos traza: presentes en mínima proporción, como el Al.

El He es inerte, no forma parte de los seres vivos.

El C abunda mucho porque es capaz de formar moléculas muy largas con enlaces distintos, lo que da lugar a muchos compuestos diferentes. El Si también forma cadenas pero más cortas (menos variación) y la energía del enlace Si-O es muy alta, formando moléculas muy estables, prácticamente inmutables e imposibles de sintetizar.

Respuesta frente al agua:

La vida transcurre en entorno acuoso por lo que si un elemento debe formar parte de una célula debe responder bien al agua. El Al está en forma de hidróxidos muy insolubles, pero como el Fe es más soluble se escoge antes.

Bioelementos:

Se escogen los elementos más pequeños de cada grupo porque forman enlaces más estables. El Co o el V son más grandes pero cumplen funciones especiales.

- El P y el S son componentes de todos los seres vivos (S de proteínas y P de ácidos nucleicos).

- Iones: Na, Mg, Cl, K, Ca...

Al y Si: a pesar de ser abundantes no son mayoritarios de seres vivos.

- Altas traza: Fe, Cu, Co, Zn, Mn... presentes en todos los organismos en pequeña cantidad. Y, Mo sólo en algunos.

Enlaces:

C-H, C-C, C=C, O-H, C-O, C=O, N-H, C-N, C=N, P-O, P=O ...

Los enlaces no covalentes son muy importantes para la estructura tridimensional de la proteína.

Enlaces esenciales:

Amida: aminoácidos para dar proteínas.

Tioéster: aporta energía en metabolismos.

Fosfoanhidro: aporta energía en metabolismos.

Biomoléculas.

Reactividad de las biomoléculas:

Depende de los grupos funcionales:

Hidroxilo, carbonilo, carboxilo, aldehído, amino, imino, tiol,fosfato, pirofosfato, fosforito.

Todas las reacciones de la célula están catalizadas de manera específica, tanto que distinguen hasta estereoisómeros. Por ello de todas las reacciones posibles sólo ocurren algunas.

Abundancia de las biomoléculas:

El 70% del peso de una célula es agua.. Las moléculas más abundantes son:

macromoléculas 20% (hidratos de carbono, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos) y moléculas pequeñas e iones en menor proporción.

Las moléculas pueden ser muy grandes como el DNA porque porta mucha información, si una proteína debe unir varios ligandos ha de ser grande. Para sintetizar moléculas grandes hacen falta muchas reacciones y muchos intermediarios, que ocupan espacio. Por ello las macromoléculas están formadas por monómeros.

Macromoléculas

Hidratos de carbono

Polisacáridos formados por monosacáridos. Como tienen muchos grupos OH son polares y solubles. Las pentosas son importantes por constituir los ácidos nucleicos.

Funciones:

- Almacén de energía: glucógeno, almidón.

- Estructural: celulosa en paredes celulares.

Los monosacáridos se unen por medio de enlaces glicosídicos.

Lípidos

Apolares e hidrofóbicos. El ácido graso es el lípido más sencillo (cadena hidrocarbonada con carboxilo al final). Los lípidos son ácidos grasos más glicerol, lo que da una grasa (triglicérido), Su función es exclusivamente reserva de energía. Cuando sobra energía se sintetizan grasa para luego movilizarlas. Si en lugar de reaccionar con 3 ácidos grasos un sustituyente es un derivado del fosfato se crea un fosfolípido que tiene 2 partes, una apolar (ácido graso) y otra muy polar (fosfato). Es una molécula anfipática muy importante en la constitución de membranas.

Acidos nucleicos

Son polinucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. Cada nucleótido está formado por 3 partes:

Ribosa + base nitrogenada + fosfato

Como hay 5 bases nitrogenadas derivadas de purinas y pirimidinas hay 5 nucleótidos distintos.

Los genes se localizan en el DNA . El DNA y el RNAm cumplen funciones de expresión e información.

Hay nucleótidos que tienen función propia como el ATP.

El RNA tiene ribosa y el DNA desoxirribosa (porque le falta 1 OH).

Proteínas

Aminoácidos unidos en polipéptidos unidos por enlaces amida (peptídicos). En el mismo carbono (α) tiene el grupo amino y el carboxilo, las diferencias surgen en los huecos, pues puede tener sustituyentes polares y apolares. Las proteínas están formadas por 20 aminoácidos esenciales. Son las moléculas más diversas en cuanto a tipo de función y estructura. Funciones:

- Enzimática: catalizadores de todas las reacciones.

- Transportadora: transporte de O2 por la hemoglobina.

- Estructural: colágeno, queratina.

- Defensa celular: anticuerpos.

- Señalización celular: hormonas.

Tal diversidad se consigue combinando monómeros para formar moléculas muy largas. Número de posibilidades: NL donde N es el número de monómeros existentes y L número de monómeros de la molécula.

Reactividad entre biomoléculas

En la célula hay muchas moléculas juntas, por lo que hay muchas reacciones posibles.

Degradación:

Hay reacciones que degradan las moléculas convirtiendo los polímeros en monómeros que se pueden volver a utilizar o hidrolizarlos para obtener energía.

Síntesis:

Se sintetizan monómeros y luego a partir de ellos polímeros, igual para estructuras supramoleculares. Sintetizar algo implica aumentar el orden, los seres vivos se ordenan y mantienen su orden. Los procesos desfavorecidos termodinámicamente se hacen a expensas del entorno, desordenándolo por cesión de calor. Es necesario un aporte continuo de energía para impulsar procesos no favorables. La energía se extrae del entorno, se transforma y se usa para trabajos de la célula (movimiento, síntesis).

Bioenergía

Criterio de espontaneidad:

Un proceso es espontáneo si ΔS > 0 y ΔG < 0. ΔG = ΔH - TΔ S. Tipos de reacciones:

Exergónica: ΔG < 0, posible.

Endergonica: ΔG > 0, imposible si no se aporta energía.

Sintetizar moléculas no es un proceso favorable por lo que se debe aportar energía. La única manera de impulsar un proceso no favorables es acoplarle un proceso muy favorable. La transformación de B en C es posible (ΔG < 0) y se libera energía. Para transformar A en B se acopla B en C y el proceso es favorable.

No se acoplan las reacciones de degradación con las de síntesis sino que existe un acoplador universal o moneda energética ATP. Al degradar moléculas se sintetiza ATP y al sintetizar se usa el ATP. ADP + fosfato ATP

La fuente de energía son los nutrientes (alimentos o reservas),degradando moléculas orgánicas muy complejas en moléculas más sencillas. Algunos organismos son fotosintéticos y usan la energía de la luz para sintetizar moléculas orgánicas a partir de inorgánicas.

La síntesis de ATP es continua. El metabolismo es el conjunto de reacciones de degradación (catabolismo) y síntesis (anabolismo).

Para que los reactivos se transformen en productos contenido energético reactivos > contenido energético productos, aunque la reacción puede ser muy lenta. Para que la velocidad sea apreciable:

- Se ha de sobrepasar la energía de activación, por ello algunas moléculas no se transforman en otras espontáneamente.

- Para ayudar a una reacción se puede aumentar la energía aumentando la temperatura, pero no en una célula porque es constante. Para rebajar la energía de activación se usan catalizadores, así que sólo ocurren las reacciones catalizadas por los enzimas. Muchas moléculas se transformarían en otras espontáneamente en las condiciones celulares pero no es así porque no sobrepasan la energía de activación. Los enzimas son proteínas muy específicas por lo que de todas las reacciones sólo ocurren algunas. Cada reacción tiene su enzima.

Principio de máxima economía:

Una reacción sólo se produce cuando se necesita bloqueando la acción de algunos de los enzimas que intervienen en el proceso. Otros enzimas no están regulados, pero como están encadenados una ruta se para al bloquear sólo uno.

Para sintetizar una molécula se ha de saber el orden de los monómeros y de ello se encargan moléculas informadoras contenidas dentro de la célula: el DNA tiene la información genética para hacer todas las proteínas y regular su síntesis. Todo el DNA forma el genoma de la célula. Todas las células de un organismo tienen el mismo DNA en los cromosomas (formados por DNA y proteínas). Las proteínas acomplejan al DNA para regular su actividad y darle estructura. En el DNA están localizados los genes, que son una zona del DNA que tiene la información para la síntesis de una proteína. Unas células expresan unas proteínas y otras por lo que se diferencian. Para sintetizar proteínas a partir de DNA se usa otro ácido nucleico que es el RNA, que es una copia de un gen del DNA para hacer una proteína. La molécula de DNA puede replicarse, a partir de una salen dos iguales. La célula gasta mucha energía para que la fidelidad sea absoluta.

La célula

Unidad estructural y funcional de los seres vivos más pequeña. Hay organismos unicelulares y esta célula debe hacer todas las funciones que caracterizan al organismo. Hay organismos pluricelulares con millones de células especializadas que en origen son iguales y luego se especializan aunque tengan el mismo DNA. La característica básica de la célula es la membrana que le da individualidad respecto del medio. A ambos lados de la membrana la composición es distinta y mantener ese estado cuesta energía. Las células pueden tener gran diversidad de tamaños, desde 0.5 μ m hasta centímetros. Las células se clasifican en:

Procariotas:

Bacterias, carecen de compartimentos interiores, ni siquiera para el DNA.

Eucariotas:

Más complicadas y grandes, tienen muchos orgánulos y compartimentos de membrana definida. La composición de cada compartimento es definida.

Morfología de las procariotas:

- Membrana plasmática: rodea a la célula manteniendo la individualidad. Hay muchos transportadores para meter o sacar moléculas. Además tiene la función de producir energía creando un gradiente de concentración para que cuando se deshaga usar esa energía. Para crear este gradiente se usa energía procedente de nutrientes o del sol.

- Pared celular: típica de procariotas, da rigidez, protege frente a daños e hinchamiento osmótico. Está constituida por polisacáridos.

- Citoplasma: parte interior de la membrana, donde están el resto de componentes celulares: proteínas, casi todos los enzimas, ribosomas... El DNA en procariotas tiene una estructura fibrosa irregular y es de forma circular.

- Ribosomas: partículas formadas por proteínas y ácidos nucleicos que sintetizan proteínas.

- Pili: filamentos cortos empleados en la adhesión.

- Filamentos: movimiento celular y citoesqueleto.

Morfología de las eucariotas:

- Membrana plasmática: permite entrada o salida de componentes mediante multitud de transportadores específicos. Así mismo tiene muchos receptores de señales. No está relacionada con la producción de energía.

- Núcleo: contiene el DNA. Tiene una membrana con muchos poros para dejar entrar o salir cosas.

- Nucleolo: más denso, síntesis de subunidades de ribosomas.

Formaciones membranosas.

- Retículo endoplásmico: serie de sacos membranosos.

- Aparato de Golgi

Ambos son importantes para la síntesis, clasificación y secreción de muchas proteínas.

- Mitocondrias: es donde se fabrica mayor cantidad de energía (ATP) en la célula. La membrana interna de las mitocondrias es igual a la membrana plasmática de los procariotas. Membrana interior presenta múltiples pliegues y se supone que parasitaban células hasta que se integraron, pues poseen su propio DNA para sintetizar sus proteínas.

- Lisosomas: bolsas de pH muy ácido donde se hidrolizan los compuestos.

Vegetales:

La fotosíntesis se localiza en la membrana en el caso de procariotas y en los cloroplastos en las eucariotas.

Diferencias con células animales:

- Son fotosintéticas.

- Poseen vacuolas que son grandes sacos membranosos que sirven para almacenar pigmentos, proteínas

- Normalmente poseen pared celular.

Ancestro común:

Se supone que había un procariota a partir del cual se originaron todos los demás.

El agua

La vida transcurre en un entorno acuoso, la célula puede tener hasta un 70-90% de agua. El agua rellena todos los huecos .Un eritrocito estaría formado por:

- 80 moléculas de hemoglobina.

- 1000 moléculas orgánicas más pequeñas.

- 3000 iones

- 500.000 moléculas de agua

El agua determina la estructura tridimensional de las moléculas funcionales como proteínas y ácidos nucleicos, que son polímeros formados por monómeros unidos por enlaces covalentes. Los enlaces no covalentes son muy importantes por:

- Dan la estructura tridimensional a las moléculas funcionales, de la cual depende su función.

- Contacto temporal entre moléculas para interaccionar . Como es débil se forman y se rompen continuamente.

Interacciones débiles:

1- Iónicas:

Atracción o repulsión entre moléculas de cargas iguales. La fuerza viene dada por:

F = q1.q2/r².ε

donde ε es la constante dieléctrica del medio.

La ε del agua es muy alta por lo que F no es muy grande a pesar de que dentro de las débiles son fuertes. Este tipo de interacción es importante pues cuando las cargas están muy cerca. Se dan entre moléculas cargadas, entre dipolos y moléculas o entre dos dipolos. (inducidos o no). No son direccionales.

2- Fuerzas de Van der Waals:

Son más débiles que las anteriores y sólo se dan entre moléculas muy próximas o apiladas. Se inducen dipolos por proximidad. A pesar de ser débiles son capaces de mantener dos cadenas juntas por que hay muchas interacciones, como ocurre con las colas hidrocarbonadas en las membranas.

3- Puentes de hidrógeno:

Es la más fuerte de todas las interacciones. Se establece entre un hidrógeno unido covalente-mente a un átomo electronegativo (como O o N) de manera que el enlace está polarizado y el hidrógeno tiene densidad de carga positiva. A este grupo se le denomina dador de puente de hidrógeno. Este enlace se establece con elementos que tienen pares de electrones por compartir como O y N. Se pueden formar entre grupos de la misma molécula o entre moléculas distintas. Las bases nitrogenadas tienen grupos aceptores y dadores en la misma molécula y en moléculas distintas. Como hay muchos puentes las moléculas son muy estables. La estructura helicoidal de las proteínas está sustentada por puentes de hidrógeno.

4- Hidrofóbicas:

aquellas partes de la molécula que no son solubles en agua se esconden del entorno acuoso e interactúan entre ellas con fuerzas de tipo Van der Waals.

Molécula del agua

Puede tener dos tipos de interacciones débiles:

- Los hidrógenos están polarizados y puede ser dador y el oxígeno tiene dos pares de electrones desapareados por lo que puede ser aceptor.

- Como es un dipolo puede tener interacciones iónicas.

Puede establecer puentes de hidrógeno entre ella misma o con otras moléculas. Una misma molécula de agua puede ser dadora de 2 puentes y aceptora de 2 más, cuatro en total. Por ello cuesta mucho cambiar su estado. En estado sólido cada molécula forma 4 puentes de hidrógeno dada la disposición tridimensional tetraédrica, muy rígida. En este estado quedan huecos en la red tridimensional. Para cambiar su estado se ha de aportar más calor del normal porque hay que romper los puentes. En estado líquido también forma puentes,pero menos, por lo que el calor de vaporización es también alto. Los huecos quedan rellenados.

Importancia para la vida:

Los huecos en el líquido están ocupados por agua, pero en el hielo no, por lo que es menos denso y flota. Gracias a esto en zonas muy frías se forma una capa de hielo en la superficie y bajo hay agua líquida y puede haber vida. Además el hielo aísla.

Que el calor de vaporización sea muy alto tiene dos ventajas:

1- A temperatura normal el agua es líquida lo que da a las moléculas un entorno fluido para que se muevan.

2- Como al evaporarse absorbe calor en la sudoración se consigue rebajar la temperatura corporal.

Cuesta cambiar la temperatura del agua porque cuesta agitar las moléculas. Esto es importante porque los seres vivos son muy dependientes de la temperatura y así se mitigan las variaciones.

Para que puedan moverse en un entorno acuoso las moléculas deberán ser solubles, sino precipitan y se tapan unas a otras disminuyendo la variación. Las que forman puentes de hidrógeno o interacciones iónicas son solubles en agua (hidrofílicas) y esto es importante porque la célula está llena de agua. Ser hidrófobo en medio acuoso es desfavorable y tienden a aislarse del agua aumentando la entropía . Si una molécula tiene una parte hidrofílica y otra hidrofóbica se plegará sobre sí misma . Las hidrofóbicas más importantes están en la membrana. Los fosfolípidos que tienen una cabeza polar y una cola apolar se dispone de tres maneras distintas:

- Monocapa: La parte polar se mantendrá cerca del agua y la apolar fuera.

- Micelas: al agitarlas se dispongan con las colas hacia dentro y la cabeza fuera.

- Bicapa: se disponen de manera que las colas están en contacto y sólo las cabezas tocan el agua, es la misma estructura que una membrana.

 

Autor: 

Editor: Fisicanet ®

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