COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS SERES VIVOS Uno de los retos de la Biología actual es la descripción de los complejos mecanismos químicos y físicos que sustentan la vida BIOELEMENTOS BIOMOLÉCULAS Elementos químicos de la materia viva Moléculas que componen a los seres vivos

MAPA CONCEPTUAL La materia viva Bioelementos Primarios Secundarios Está formada por Bioelementos Por su abundancia son Si su proporción es muy pequeña Primarios Secundarios Oligoelementos Establecen Formando Enlaces químicos Biomoléculas De tipo De función Agua Son Inorgánicas Sales minerales Estructural Energética Glúcidos Proteínas Dinámica Son Orgánica Lípidos Nucleótidos

BIOELEMENTOS Elementos químicos de la materia viva (a) Primarios o macroelementos (b) Secundarios o microelementos (c) Oligoelementos o elementos traza Bioelementos Por su abundancia son Si su proporción es muy pequeña Primarios Secundarios Oligoelementos

(a) BIOELEMENTOS PRIMARIOS  Imprescindibles para formar los tipos principales de moléculas biológicas  Son los más abundantes  95% de la masa total de un ser vivo Oxígeno (O) Carbono (C) Hidrógeno (H) Nitrógeno (N) Fósforo (P) Azufre (S)

(b) BIOELEMENTOS SECUNDARIOS  En menor porcentanje (3,3%), pero imprescindibles para seres vivos Sodio (Na+) Conducción del impulso nervioso Potasio (K+) Calcio (Ca2+) Contracción muscular Constituyente de huesos y dientes Coagulación sanguínea Magnesio (Mg2+) Constituyente de la clorofila Cloro (Cl-) Balance de agua en sangre y fluido intersticial  Otras funciones Movimiento celular Regulación del funcionamiento enzimático, etc.

(c) OLIGOELEMENTOS  Presentes en organismos en cantidades muy pequeñas (menos del 0,1%), pero indispensables para el desarrollo armónico del organismo  Funciones catalíticas imprescindibles Manganeso (Mn) Boro (B) Hierro (Fe) Aluminio (Al) Cobalto (Co) Vanadio (V) Cobre (Cu) Molibdeno (Mo) Zinc (Zn) Yodo (I) Silicio (Si) Fluor (F) Selenio (Se)

BIOMOLÉCULAS  Moléculas que componen a los seres vivos  Distintas formas de asociación entre bioelementos Biomoléculas (a) Inorgánicas De tipo Inorgánicas (b) Orgánicas Orgánica

(a) BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS  No son formadas sólo por los seres vivos, pero son muy importantes para ellos (1) Agua (2) Sales minerales Biomoléculas De tipo Agua Son Inorgánicas Sales minerales

(a) BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS AGUA Niveles energéticos Electrones de valencia Núcleo= protones + neutrones

O Oxígeno H H Hidrógeno

MOLÉCULA DE AGUA O H Enlaces covalentes

Menor electronegatividad MOLÉCULA DE AGUA O H Mayor electronegatividad Menor electronegatividad

O MOLÉCULA DE AGUA Extremo parcialmente negativo H Extremo parcialmente positivo

POLARIDAD DE LA MOLÉCULA DE AGUA DIPOLO Extremo positivo sobre átomos de hidrógeno, y extremo negativo sobre el átomo de oxígeno

POLARIDAD DE LA MOLÉCULA DE AGUA Al existir un dipolo en la molécula, ésta puede atraer a sus vecinas por fuerzas de atracción entre cargas de diferente signo. Estas fuerzas se denominan atracción dipolo-dipolo

PUENTES DE HIDRÓGENO La atracción dipolo-dipolo, que es inusualmente fuerte, se denomina puente de hidrógeno

ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DEL AGUA Enlaces covalentes

ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DEL AGUA

EL AGUA 75% de la superficie de la tierra 65% a 95% de la masa de los seres vivos Surgió la vida Extraordinarias propiedades físicas y químicas

PROPIEDADES DEL AGUA Tensión superficial

PROPIEDADES DEL AGUA Capilaridad Movimiento ascendente de un líquido en un tubo estrecho atracción cohesiva fuerzas entre las moléculas de agua y paredes del capilar fuerzas entre moléculas de agua

Calor específico Cantidad de calor que necesita una sustancia para subir 1ºC la temperatura de 1 gramo de dicha sustancia Alto calor específico se necesita mucho calor para que el agua aumente su temperatura se desprende mucho calor cuando ésta se enfría no es fácil que el agua se caliente ni que se enfríe Gran parte del calor es usado para romper los puentes de hidrógeno. Una vez conseguido esto, el calor se invierte en aumentar el movimiento de las moléculas, aumentando con ello la Tº

Congelación y Densidad En estado sólido (hielo), el agua es menos densa que en estado líquido Icebergs grandes porciones flotantes de glaciares muy frecuentes en las regiones polares

> 4ºC 0 - 4ºC Densidad = Masa Volumen Disminuye el volumen - T°C Disminuye el movimiento 0 - 4ºC Moléculas se acercan Moléculas se distancian Aumenta el volumen y por lo tanto disminuye la densidad

EL AGUA COMO DISOLVENTE De compuestos iónicos Uniones ion-dipolo > Enlace iónico de la sal > Puentes de hidrógeno del agua Capacidad de solvatar: separar o disolver iones De compuestos polares Como Alcoholes Establece puentes de hidrógeno con ellos Aldehidos Cetonas

(b) BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS  Sintetizadas exclusivamente por seres vivos  Se estructuran a base de átomos de carbono (1) Carbohidratos (2) Proteínas (3) Lípidos Biomoléculas Orgánica Proteínas Glúcidos Nucleótidos Lípidos Son De tipo (4) Moléculas hechas de nucleótidos

(b) BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS Las moléculas orgánicas van a tener determinadas agrupaciones características de átomos que reciben el nombre de grupos funcionales Grupos de átomos unidos a una cadena de carbonos e hidrógenos Grupos funcionales de importancia en Biología: Hidroxilo (OH) Carboxilo (COOH) Amino (NH2) Fosfato (H3PO4)

HIDROXILO (OH) CARBOXILO (COOH) AMINO (NH2) FOSFATO (H3PO4)  Hace que las moléculas sean hidrosolubles  Abundante en azúcares CARBOXILO (COOH)  Moléculas que lo poseen se llaman ácidos  liberan un protón (H+)  En aminoácidos y ácidos grasos AMINO (NH2)  En aminoácidos FOSFATO (H3PO4)  En fosfolípidos y en nucleótidos  Se representa como P

(b) BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS (1) Carbohidratos (2) Proteínas (3) Lípidos (4) Moléculas hechas de nucleótidos

(1) CARBOHIDRATOS (CH2O)n (Construidos de azúcares simples)  Se clasifican según el número de unidades de azúcar que contienen: Monosacáridos Unidad (azúcar) Carbohidratos Disacáridos Enlace glucosídico (covalente) Polisacáridos Enlace glucosídico

Triosas Monosacáridos Pentosas Hexosas De 3 átomos de carbono (C3H6O3) Participan en el metabolismo de los azúcares Ejemplos:  Gliceraldehído  Dihidroxiacetona Unidad (azúcar) Monosacáridos Pentosas De 5 átomos de carbono (C5H10O5) Ejemplos:  Ribosa  Desoxirribosa Parte de la estructura de nucleótidos Hexosas De 6 átomos de carbono (C6H12O6) Ejemplos:  Glucosa  Fructosa  Galactosa Por contener muchos grupos hidroxilo son muy hidrosolubles

Sacarosa Disacáridos Lactosa Maltosa Glucosa + Fructosa Sintetizada por plantas, es la responsable del sabor dulce de los frutos Disacáridos Lactosa Glucosa + Galactosa Es el azúcar de la leche Maltosa Glucosa + Glucosa

Almidón Polisacáridos Glucógeno Celulosa  Forma en que las plantas almacenan glucosa en semillas y otras estructuras  “Harina”  forma saludable de consumir carbohidratos (como alternativa a dulces) Polisacáridos Glucógeno  Forma en que los animales almacenan glucosa, principalmente en el hígado Celulosa  No sirve para almacenamiento, sino que cumple un papel estructural, ej. pared celular

FUNCIONES DE CARBOHIDRATOS Función energética  fuente de energía inmediata para la célula C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + energía Se oxida Reduce a “otros” electrones Función estructural  por algunos polisacáridos entre los que destacan:  Celulosa  Quitina  principal componente de exoesqueleto de artrópodos Función protectora Ciertos polisacáridos estructurales se asocian con proteínas y recubren los epitelios respiratorio y digestivo (mucinas de secreción) Función de reconocimiento Debido a la presencia de algunos oligosacáridos sobre la superficie de la membrana celular

(b) BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS (1) Carbohidratos (2) Proteínas (3) Lípidos (4) Moléculas hechas de nucleótidos

(2) PROTEÍNAS Constituyen el 50% de masa seca de seres vivos Responsables de características de células Una célula difiere de otra por el tipo de proteína que predomina en ella, especialmente en lo que a su función se refiere

ESTRUCTURA Polímeros de aminoácidos (aa) Se caracterizan por poseer un grupo carboxilo (-COOH) y un grupo amino (-NH2) Las otras 2 valencias del carbono se saturan con un átomo de H y un grupo variable denominado radical R Se distinguen 20 tipos de aa

Los aa se unen por enlace covalente formado por deshidratación Enlace peptídico Entre el grupo carboxilo de un aa y el grupo amino del siguiente con desprendimiento de una molécula de agua

Hay 20 tipos de aa en las proteínas  Glicina  Serina  Treonina  Cisteína  Asparina  Glutamina  Tirosina Polares sin carga  Alanina  Valina  Leucina  Isoleucina  Metionina  Fenilalanina  Triptófano No polares  Ácido aspártico  Ácido glutámico Ácidos  Lisina  Arginina  Histidina Básicos

NIVELES DE ORGANIZACIÓN (a) Estructura primaria Es la secuencia lineal de aa, es decir, el orden en que están colocados los aa en una proteína La función de una proteína depende de su secuencia y de la forma que ésta adopte

(b) Estructura secundaria Corresponde a plegamientos que se forman debido a interacciones entre aa no adyacentes Entre las interacciones responsables de la e. secundaria están los puentes de hidrógeno Existen 2 tipos de estructura secundaria:  Forma helicoidal  Forma laminar

Forma helicoidal La estructura primaria se enrolla helicoidalmente sobre sí misma. Se debe a la formación de puentes de hidrógeno entre –C=O de un aa y el –NH- del cuarto aa siguiente Predomina en proteínas fibrosas (ej. colágeno, elastina, queratina y seda). Estas fibras son elásticas debido a que los puentes de H se forman y se destruyen

Forma laminar Se forma una cadena en forma de zigzag

(c) Estructura terciaria Es la forma tridimensional, generalmente globular, de una proteína cuya estructura secundaria se ha plegado sobre sí misma, debido a interacciones entre aa no adyacentes

Se mantiene estable gracias a enlaces entre radicales R de aa:  Puentes disulfuro entre radicales de aa que tienen S  Puentes de hidrógeno  Puentes eléctricos  Interacciones hidrófobas

La estructura terciaria es esencial para la función de una proteína Alteración  desnaturalización  en un anticuerpo  no se une al antígeno  en un receptor de membrana  no captará la señal que corresponde  en una enzima  no calzará con reactantes

(d) Estructura cuaternaria Unión, mediante enlaces débiles (no covalentes), de más de una cadena polipeptídica (subunidad o protómero) con estructura terciaria, para formar un complejo proteico Ejemplos:  Hexoquinasa  con 2 subunidades  Hemoglobina  con 4 subunidades globulares

Los genes determinan el orden de aa en la proteína (E. primaria) El orden de aa en la proteína determina la forma en que se pliega el polipéptido (E. secundaria y terciaria) FORMA  FUNCIÓN Los genes determinan la función de las proteínas

FUNCIÓN ESTRUCTURAL Principales componentes estructurales de células (crecimiento, desarrollo y reparación de tejidos) Algunas proteínas constituyen estructuras celulares  Glucoproteínas  forman parte de membranas celulares y actúan como receptores o facilitan el transporte de sustancias  Histonas  forman parte de cromosomas que regulan la expresión de genes

FUNCIÓN ESTRUCTURAL Otras proteínas confieren elasticidad y resistencia a órganos y tejidos  Colágeno  del tejido conjuntivo fibroso (tendones, cartílagos, pelos)  Elastina  del tejido conjuntivo elástico  Queratina  de la epidermis  Fibroina  segregada por arañas y gusanos de seda para fabricar telas de araña y capullos de seda, respectivamente

FUNCIÓN ENZIMÁTICA Consideremos que todas las enzimas son proteínas (hacen posible las reacciones químicas) Son las más numerosas y especializadas Biocatalizadores de reacciones químicas del metabolismo celular  Ácido graso sintetasa  cataliza síntesis de ácidos grasos

FUNCIÓN HORMONAL  Insulina y glucagón  regulan niveles de glucosa en la sangre  Hormona del crecimiento  Adrenocorticotrópica  regula síntesis de corticosteroides  Calcitonina  regula metabolismo del calcio Acción hormonal en células adyacentes Acción hormonal en células lejanas

Todos los anticuerpos son proteínas FUNCIÓN DEFENSIVA Todos los anticuerpos son proteínas  Inmunoglobulinas  actúan como anticuerpos frente a posibles antígenos  Trombina y fibrinógeno  contribuyen a formación de coágulos sanguíneos para evitar hemorragias  Mucinas  efecto germicida y protegen a las mucosas  Algunas toxinas bacterianas (Botulismo), o venenos de serpientes  son proteínas con funciones defensivas

FUNCIÓN DE TRANSPORTE Estructuras encargadas del transporte de sustancias a través de la membrana plasmáticas ( canales, transportadores y bombas)  Hemoglobina  transporta oxígeno en la sangre de vertebrados  Hemocianina  transporta oxígeno en la sangre de invertebrados  Mioglobina  transporta oxígeno en los músculos  Lipoproteínas  transportan lípidos por la sangre  Citocromos  transportan electrones

FUNCIÓN CONTRÁCTIL Casi todos los movimientos se deben a la acción de combinaciones de proteínas  Actina miofibrillas responsables de la contracción muscular  Miosina  Dineina  relacionada con movimiento de cilios y flagelos  Tubulina  en microtúbulos, filamentos responsables de movimiento de cilios y flagelos

FUNCIÓN DE RESERVA  Ovoalbúmina  clara de huevo Reserva de aa para desarrollo de embrión  Gliadina  del grano de trigo  Hordeína  de la cebada  Lactoalbúmina  de la leche

FUNCIÓN REGULADORA FUNCIÓN HOMEOSTÁTICA Regulan la expresión de ciertos genes Regulan división celular  Ciclina FUNCIÓN HOMEOSTÁTICA Mantienen el equilibrio osmótico y actúan con otros sistemas amortiguadores para mantener constante el pH del medio interno Estructuras receptoras de señales en la membrana plasmática

(b) BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS (1) Carbohidratos (2) Proteínas (3) Lípidos (4) Moléculas hechas de nucleótidos

(3) LÍPIDOS Grupo diverso de moléculas, con 2 características importantes:  Contienen regiones extensas formadas casi exclusivamente por H y C, con enlaces  C ― C No polares  C ― H  Regiones no polares  lípidos son hidrofóbicos Aceites, grasas y ceras Lípidos Fosfolípidos Esteroides

ACEITES, GRASAS Y CERAS Sólo contienen C, H y O Contienen una o más subunidades de ácido graso Largas cadenas de C e H con grupo carboxilo en extremo Grupo carboxilo En general, no tienen estructuras en forma de anillo

Nombre químico: Triglicéridos GRASAS Y ACEITES Nombre químico: Triglicéridos Deshidratación Se utilizan como almacén de energía a largo plazo, tanto en plantas como animales  almacenan cierta cantidad de energía en menos masa que los carbohidratos

GRASAS Y ACEITES Con enlaces sencillos en cadenas de C  está saturado porque está “lleno” de átomos de H: tiene el mayor N° posible de átomos de H Si hay dobles enlaces entre algunos átomos de C  está insaturado, tiene menos átomos de H

GRASAS ACEITES Sin dobles enlaces Con dobles enlaces  cadena de ácido graso es recta  Dobles enlaces producen flexiones en la cadena de ácido graso  ácidos grasos pueden acomodarse muy juntos , por lo que forman un sólido a T° ambiente  Flexiones mantienen separadas las moléculas de aceite, por lo que son líquidos a T° ambiente

CERAS Se forman por la unión de un ácido graso y un monoalcohol, mediante un enlace éster

CERAS Químicamente similares a grasas  altamente saturadas, por lo que son sólidas a T° ambiente Molécula completamente apolar, hidrófoba  función típica consiste en servir de impermeabilizante En plantas terrestres:  Recubrimiento impermeable en hojas y tallos En animales:  Impermeabilizantes para el pelo de mamíferos y pluma de aves  Impermeabilizantes para exoesqueletos de insectos  Construcción de complejas estructuras como colmenas

FOSFOLÍPIDOS Similares a aceites con excepción de que uno de los 3 ácidos grasos es reemplazado por un grupo fosfato que tiene unido un grupo funcional polar corto, el cual generalmente contiene N

FOSFOLÍPIDOS Cabeza polar  tiene carga eléctrica y es soluble en agua (hidrofílica) Colas hidrofóbicas  insolubles en agua

FOSFOLÍPIDOS Importantes componentes estructurales de las membranas celulares

ESTEROIDES Estructuralmente diferentes de todos los demás lípidos 4 anillos de C fusionados, de los cuales se proyectan diversos grupos funcionales Las diferencias en los grupos funcionales unidos a los anillos pueden dar como resultado, grandes diferencias en la función de los esteroides

FUNCIONES F. de reserva: son la principal reserva energética del organismo F. estructural: forman las bicapas lipídicas de membranas celulares. Recubren y proporcionan consistencia a los órganos, y protegen mecánicamente estructuras o son aislantes térmicos como el tejido adiposo. Forman cubiertas impermeables en plantas o animales F. catalítica: aportan vitaminas que facilitan el trabajo de enzimas en las reacciones biológicas. En ausencia de la vitamina, la enzima no puede funcionar con todos los perjuicios que puede ocasionar. Ej. retinoides (vitamina A), tocoferoles (vitamina E), naftoquinonas (vitamina K) y calciferoles (vitamina D). F. informativa: muchas hormonas tienen estructura lipídica (esteroides, prostaglandinas, leucotrienos, calciferoles, etc) y constituyen señales químicas que permiten la adaptación del organismo a diversas condiciones ambientales

(b) BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS (1) Carbohidratos (2) Proteínas (3) Lípidos (4) Moléculas hechas de nucleótidos

ACIDOS NUCLEICOS Largas cadenas de subunidades similares llamadas nucleótidos (1) Un azúcar (pentosa)  Desoxirribosa  Ribosa (2) Un grupo fosfato (3) Una base nitrogenada

NUCLEÓSIDOS Azúcar Base nitrogenada

NUCLEÓTIDOS Fosfato Azúcar Base nitrogenada Desoxirribosa Ribosa Ácido desoxirribonucleico ADN Ácido Ribonucleico ARN

Los nucleótidos se enlazan en largas cadenas cuando el grupo fosfato de un nucleótido forma un enlace covalente (unión fosfodiester) con el azúcar de otro

CADENAS DE NUCLEÓTIDOS Ácido desoxirribonucleico ADN Ácido Ribonucleico ARN

CADENAS DE NUCLEÓTIDOS Tipos de base nitrogenada Cadena de nucleótidos

ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO

ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO El ADN se encuentra en los cromosomas de todos los seres vivos y sus sucesión de nucleótidos deletrea la información genética necesaria para construir las proteínas de cada organismo

CÓDIGO GENÉTICO regla de correspondencia entre la serie de nucleótidos de los ácidos nucleicos y las series de aminoácidos (polipéptidos) en que se basan las proteínas

DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA CELULAR

NUCLEÓTIDOS LIBRES EN LAS CÉLULAS Ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos forman los ácidos nucleicos ARN, ADN Transportadores de energía:  ATP  ADP Mensajeros intracelulares: AMP cíclico (receptores hormonales) Coenzimas:  NAD  NADP  FAD