La organización y la estructura de los seres vivos 2. Los constituyentes químicos de los seres vivos

LOS BIOELEMENTOS: CONCEPTO Y CLASES Los bioelementos son los elementos químicos que constituyen los seres vivos. De los aproximadamente 100 elementos químicos que existen en la naturaleza, unos 70 se encuentran en los seres vivos. De éstos, sólo unos 22 se encuentran en todos en cierta abundancia y cumplen una cierta función.

Clasificaremos los bioelementos en: Bioelementos primarios o macroelementos: O, C, H, N, P y S. Los más abundantes, representan en su conjunto el 96% del total Bioelementos secundarios: Na+ , K+ , Ca2+ , Mg2+ , Cl-. Aunque se encuentran en menor proporción -4%- que los primarios, son también imprescindibles para los seres vivos. En medio acuoso se encuentran siempre ionizados. Oligoelementos o elementos vestigiales: Son aquellos bioelementos que se encuentran en los seres vivos en un porcentaje menor del 0.1%. Algunos, los indispensables, se encuentran en todos los seres vivos, mientras que otros, variables, solamente los necesitan algunos organismos.

Los bioelementos se unen entre sí para formar moléculas que llamaremos Biomoléculas  Las moléculas que constituyen los seres vivos. Estas moléculas se han clasificado tradicionalmente en los diferentes principios inmediatos, llamados así porque podían extraerse de la materia viva con cierta facilidad, inmediatamente, por métodos físicos sencillos, como : evaporación, filtración, destilación, disolución, etc.

Los diferentes grupos de biomoléculas son: INORGÁNICAS ORGÁNICAS Agua Sales minerales Glúcidos Lípidos Proteínas Ácidos nucleicos

El agua Es una molécula sencilla que constituye la sustancia más abundante en los seres vivos (de un 65% a un 95% de su masa). Su importancia biológica se pone de manifiesto al observar que su abundancia en un ser vivo guarda una estrecha relación con la actividad metabólica que éste realice. La vida es posible gracias a las atípicas características físico-químicas que presenta. Cada molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O). Presenta una estructura angular con polos positivos en los hidrógenos y un polo negativo en el oxígeno. El carácter polar de las moléculas de agua es responsable de la mayoría de sus propiedades. Permite que se produzcan interacciones electrostáticas, denominadas enlaces de hidrógeno, con otras moléculas polares y con iones, o interacciones dipolo-dipolo con otras moléculas de agua.

Propiedades Físico-Químicas del Agua y sus Funciones en los Seres Vivos 1.- Gran Fuerza de Cohesión: La cohesión es la tendencia de las moléculas de agua a estar unidas entre sí, esta característica la hace un líquido prácticamente incompresible, capaz de conferir volumen y turgencia a muchos seres vivos, uni o pluricelulares (por ejemplo, el esqueleto hidrostático en las plantas). 2.-Elevada Capacidad Disolvente: Es el disolvente universal por excelencia. Esta capacidad es responsable de dos importantes funciones del agua en los seres vivos: a) Es el vehículo de transporte que permite la circulación de sustancias en el interior de los organismos y su intercambio con el exterior. b) Es el medio donde ocurren todas las reacciones bioquímicas, ya que la mayor parte de las biomoléculas se encuentran disueltas en ella y necesita un medio acuoso para interaccionar.

3.-Elevado Calor Específico: El agua puede absorber una gran cantidad de calor mientras que su temperatura sólo asciende ligeramente, ya que parte de esa energía habrá sido utilizada en romper los enlaces de hidrógeno. Esto la convierte en un buen aislante térmico que mantiene la temperatura interna de los seres vivos a pesar de las variaciones externas. 4.-Alto Calor de Vaporización: El agua tiene la propiedad de absorber mucho calor cuando cambia del estado líquido al gaseoso, por tanto, para que una molécula se “escape” de las adyacentes, han de romperse las uniones entre ellas y, para esto, se necesita una gran cantidad de energía (más de 500 calorías para evaporar 1 gramo de agua). Los seres vivos utilizan esta propiedad para refrescarse al evaporarse el sudor. Esta propiedad es utilizada como mecanismo de regulación térmica.

dientes, están formados por carbonato cálcico (CaCO3). Sales Inorgánicas: En los sistemas vivos, las sales inorgánicas se encuentran básicamente de tres modos diferentes: disueltas, precipitadas o combinadas con moléculas orgánicas. La mayor parte de las sales se hallan disueltas en medios acuosos (Na+, K+, Ca2+, Cl-, etc.) en forma de iones, que participan en diversas reacciones químicas en función de su afinidad eléctrica. Por ejemplo, regulación de la acidez (pH) y formación de potenciales eléctricos. Otras sales se encuentran precipitadas, formando estructuras sólidas y rígidas, tal es el caso del fosfato cálcico (Ca3(PO4)2), que al precipitar sobre una matriz de proteínas fibrosas forma los huesos. El caparazón de los moluscos y de los crustáceos y la dentina de los dientes, están formados por carbonato cálcico (CaCO3). Otras moléculas inorgánicas se encuentran, por último, combinadas con alguna molécula orgánica. El ejemplo más llamativo es el hierro (Fe2+) en la molécula de hemoglobina y el magnesio (Mg2+) en la clorofila.

Funciones de las Sales Inorgánicas 1.- Función Estructural: Los principales tejidos de sostén están formados por depósitos de sales sobre una matriz. 2.- Regulación de pH: La mayor parte de las estructuras biológicas son estables gracias a un delicado equilibrio de cargas eléctricas que se mantienen en este estado debido a la presencia de una concentración constante de iones H+. Dicha concentración se cuantifica mediante el pH. 3.- Formación de Potenciales Eléctricos: Las sales en solución son iones, por lo tanto pueden ser utilizadas para crear diferencias de potencial. Así se forma, por ejemplo, la diferencia de potencial eléctrico que permite el funcionamiento de células nerviosas y musculares. 4.- Papel de las Sales en la Actividad Enzimática: En un organismo vivo, la mayoría de las reacciones químicas ocurren por la existencia de sustancias que las catalizan (enzimas). Sin estos catalizadores, las reacciones se llevarían a cabo a una velocidad muy baja, tal que apenas rendirían cantidades apreciables de producto. Muchas enzimas necesitan para su funcionamiento la presencia de sales, estabilizando el sustrato (reactante) o regulando la actividad de la enzima.

5.- Regulación del Volumen Celular y Ósmosis: Los medios con concentraciones de sales muy elevadas, denominados hipertónicos, provocan la salida de agua del citoplasma, colapsando las células. Por el contrario, los medios con una concentración de sales muy baja, hipotónicos, producen la entrada de agua en células, que se hincha y se revienta (citólisis). El movimiento de agua a través de membranas semipermeables se denomina ósmosis y la presión que ejerce el agua sobre la membrana durante este proceso osmótico para equilibrar las concentraciones intra y extracelular se conoce como presión osmótica.

Elementos que forman los compuestos orgánicos carbono (C) calcio (C) sodio (Na) oxígeno (O) fósforo (P) cloro (Cl) hidrógeno (H) potasio (K) magnesio (Mg) nitrógeno (N) azufre (S) hierro (Fe)

Son fácilmente incorporados desde la biosfera. Forman entre ellos enlaces covalentes, compartiendo electrones. El carbono, nitrógeno y oxígeno, pueden compartir más de un par de electrones, formando enlaces dobles y triples, lo cual les dota de una gran versatilidad para el enlace químico. Son los elementos más ligeros con capacidad de formar enlace covalente, por lo que dichos enlaces son muy estables.

Debido a la configuración tetraédrica de los enlaces del carbono, los diferentes tipos de moléculas orgánicas tienen estructuras tridimensionales diferentes. Esta conformación espacial es responsable de la actividad biológica. Las combinaciones del carbono con otros elementos, como el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, etc. Permiten la aparición de una gran variedad de grupos funcionales que dan lugar a las diferentes familias de sustancias orgánicas. Estas presentan características físicas y químicas diferentes, y dan a las moléculas orgánicas propiedades específicas, lo que aumenta las posibilidades de creación de nuevas moléculas orgánicas por reacción entre los diferentes grupos.

Monómeros y polímeros Los polímeros son grandes moléculas (macromoléculas) formadas por la unión de subunidades similares o idénticas llamadas monómeros. En el caso de los carbohidratos, los polisacáridos son polímeros, y los monosacáridos, monómeros.

Los glúcidos son compuestos orgánicos constituidos por carbono, hidrógeno y oxígeno. Reciben también el nombre de azúcares, carbohidratos o hidratos de carbono. Dependiendo de la molécula que se trate, los Glúcidos pueden servir como: Combustible: los monosacáridos se pueden oxidar totalmente, obteniendo unas 4 KCal/g. Reserva energética: el almidón y el glucógeno son polisacáridos que acumulan gran cantidad de energía en  su estructura, sirven para guardar energía excedente y utilizarla en momentos de necesidad. Formadores de estructuras: la celulosa o la quitina son ejemplos de polisacáridos que otorgan estructura resistente al organismo que las posee.

Clasificación de los carbohidratos Disacáridos (Sacarosa, lactosa, maltosa) Monosacáridos (Glucosa, fructosa, galactosa, ribosa, desoxirribosa) Polisacáridos (Almidón, glucógeno, celulosa)

Funciones de los Glúcidos

Están formados principalmente por LOS LÍPIDOS Están formados principalmente por C, H y O. Son compuestos insolubles en agua pero solubles en disolventes orgánicos.

Concepto de Lípido Los lípidos son biomoléculas orgánicas formadas básicamente por carbono e hidrógeno y generalmente también oxígeno; pero en porcentajes mucho más bajos. Además pueden contener también fósforo, nitrógeno y azufre . Caracteristicas Es un grupo de sustancias muy heterogéneas que sólo tienen en común estas dos características: Son insolubles en agua. Son solubles en disolventes orgánicos, como éter, cloroformo, benceno, etc.

CLASIFICACIÓN L I P D O S Simples Lípidos saponificables Complejos Terpenos Esteroides Prostaglandinas Monoglicéridos Diglicéridos Triglicéridos Acilglicéridos o grasas Céridos o ceras Fosfolípidos Glucolípidos Lipoproteínas Lípidos saponificables Lípidos insaponificables L I P D O S Lecitinas Cefalinas Esfingomielinas Cerebrósidos Gangliósidos Diapositiva: Clasificación de los lípidos Esteroles Hormonas esteroideas 30

Funciones de los lípidos Los lípidos desempeñan cuatro tipos de funciones: Función de reserva. Son las grasas en animales y los aceites en vegetales. Función estructural. Forman las bicapas lipídicas de las membranas. Recubren órganos y le dan consistencia, o protegen mecánicamente. Función biocatalizadora. En este papel los lípidos favorecen o facilitan las reacciones químicas que se producen en los seres vivos. Función transportadora. El transporte de lípidos desde el intestino hasta su lugar de destino se realiza mediante su emulsión gracias a los ácidos biliares y a los proteolípidos.

grasas y son propios de la mayoría de animales. GRASAS Y ACEITES Acilglicéridos -Son moléculas complejas que resultan de la reacción de la glicerina con uno, dos o tres ácidos grasos (según el número de éstos, se llaman mono, di o triacilglicéridos). Los triacilglicéridos son los lípidos más importantes y abundantes, y constituyen las principales reservas energéticas en células vegetales y animales. Los triacilglicéridos que a temperatura ambiente son líquidos se conocen como aceites y se hallan sobre todo en vegetales; los que son sólidos se llaman grasas y son propios de la mayoría de animales.

FOSFOLÍPIDOS - Forman los llamados lípidos de membrana porque, por sus características, son los principales constituyentes de las membranas biológicas. -Todos ellos son lípidos complejos formados por: · una parte lipídica, apolar (hidrófoba), · otra parte no lipídica (glúcidos, aminas, restos de fosfato, etc.), polar (hidrófila). Este comportamiento anfipático es la causa de su disposición en un medio acuoso, similar a la descrita en los ácidos grasos.

En general son sólidas y totalmente insolubles en agua. Ceras Las ceras son combinaciones de ácidos grasos de cadena larga, con alcoholes también de cadena larga. En general son sólidas y totalmente insolubles en agua. Todas las funciones que realizan están relacionadas con su impermeabilidad al agua y con su consistencia firme. Así las plumas, el pelo, la piel, las hojas, los frutos, están cubiertas de una capa cérea protectora.

Son totalmente insolubles en agua. Esteroides Son derivados de una estructura compleja formada por varios anillos, el ciclo pentano perhidro fenantreno (C.P.P.F.). Son totalmente insolubles en agua. En este grupo se incluye un conjunto de compuestos de gran importancia biológica, como el colesterol, la vitamina D y algunas hormonas, como las sexuales.

Proteínas

Son los principales componentes de los seres vivos (más del 50% del peso seco de las células y alrededor del 16% del peso total). Desempeñan una gran diversidad de funciones como consecuencia de su estructura química variable. Sin embargo, todas ellas tienen la misma composición básica: son polímeros lineales formados por la unión de 20 alfa-aminoácidos distintos. La síntesis de las proteínas está regida directamente por el material genético y, como consecuencia, son moléculas informativas en el sentido de que constituyen un reflejo de la información genética.

Aminoácidos Los proteínas están formadas por monómeros que se llaman aminoácidos, si se unen varios aminoácidos y se estructuran forman las proteínas. Los aminoácidos son compuestos orgánicos que tienen un grupo carboxílico y un grupo amino.

Ácidos Nucleicos Formados por subunidades llamadas nucleótidos. Hay dos tipos: ADN y ARN. Un nucleótido está constituido por tres subunidades diferentes: un grupo fosfato, una pentosa y una base nitrogenada Pentosa

Estructura de un ácido nucleico.

Ácido Desoxirribonucleico (ADN o DNA) Constituido por dos cadenas de desoxirribonucleótidos (polinucleótidas) antiparalelas (unidas por puentes de hidrogeno) y enrolladas en espiral. Las bases nitrogenadas que se hallan formando los nucleótidos de ADN son Adenina, Guanina, Citosina y Timina. No aparece Uracilo. Los nucleótidos se unen entre sí mediante el grupo fosfato. A + G = T + C (Ley de Chargaff)

Los nucleótidos se unen formando una cadena. EL ARN El Ácido Ribonucleico está constituido por la unión de nucleótidos formados por una pentosa, la Ribosa, un bases nitrogenadas, que son Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo. No aparece la Timina. Los nucleótidos se unen formando una cadena. En la célula aparecen cuatro tipos de ARN, con distintas funciones, que son el ARN mensajero, el ARN ribosómico, el ARN transferente  y el ARN heteronuclear.

Funciones de los ácidos nucleicos Aunque sus componentes químicos son muy semejantes, el ADN y el ARN desempeñan papeles biológicos muy diferentes. El ADN es el constituyente primario de los cromosomas de las células y es el portador del mensaje genético. La función del ARN es transcribir el mensaje genético presente en el ADNAy traducirlo a proteínas. El descubrimiento de la estructura y función de estas moléculas es hasta ahora, indudablemente, el mayor triunfo del enfoque molecular en el estudio de la biología. .

Funciones de los ácidos nucléicos: Regular las funciones de las células. Sintetizar las proteínas. Almacenar y transmitir la información genética. El ADN contiene los genes de todas las características necesarias para formar un nuevo individuo. El ARN es el que se encarga del mecanismo de transmisión del mensaje del ADN hasta su expresión en proteínas