Química De Los Seres Vivos La bioquímica estudia los procesos químicos que se desarrollan en los organismos vivos. La vida tiene una base molecular y a las moléculas responsables de la vida se las denomina biomoléculas. Muchas de estas moléculas son de naturaleza polimérica, por lo que frecuentemente se las denomina biopolímeros. Los biopolímeros se clasifican en tres categorías: carbohidratos, ácidos nucleicos y proteínas. Carbohidratos Los carbohidratos o hidratos de carbono son compuestos químicos constituidos por carbono, hidrógeno y oxígeno. Se producen en la fotosíntesis de las plantas y sirven como fuente alimenticia para muchos animales. Su fórmula general es Cn(H2O)m. Monosacáridos: son los hidratos de carbono más sencillos y reciben también la denominación de azúcares. Pueden ser polihidroxialdehídos (aldosas) o polihidroxicetonas (cetosas), según presenten un grupo aldehído o cetona en su estructura. Según tengan 3, 4, 5 o 6 átomos de carbono se clasifican en triosas, tetrosas, pentosas y hexosas. Por ejemplo, la glucosa es una aldosa de seis átomos de carbono (hexosa) de fórmula general C6H12O16. Se comporta como un aldehído, lo que sugiere una estructura en cadena abierta; sin embargo, en disolución acuosa aparece como dos formas cíclicas: a-glucosa y b-glucosa. La ribosa y la desoxirribosa son monosacáridos de cinco átomos de carbono muy importantes en bioquímica, ya que constituyen el RNA y el DNA, respectivamente. Disacáridos y polisacáridos: los disacáridos son azúcares formados por la condensación de dos moléculas de monosacárido. Por ejemplo, la maltosa resulta de la condensación de dos moléculas de a-glucosa. La mayor parte de los carbohidratos existentes en la naturaleza son polisacáridos y tienen como funciones principales almacenar glucosa como fuente de energía para los seres vivos y ser el principal componente estructural de las células. Los más conocidos son la celulosa y el almidón. Ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son polímeros formados por nucleótidos. Un nucleótido es el resultado de la condensación de una molécula de ácido fosfórico, una molécula de azúcar y una base nitrogenada. Son de dos tipos en función del azúcar que forma los nucleótidos: el ácido ribonucleico (RNA), formado por b-d-ribosa, y el ácido desoxirribonucleico (DNA), que contiene un anillo modificado de b-d-ribosa. En los ácidos nucleicos se encuentran cinco bases nitrogenadas diferentes. Todas son aminas heterocíclicas de formas moleculares relacionadas con la función que desempeñan. Se
denominan adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) y uracilo (U). El DNA contiene cuatro de ellas (A, G, C y T) y el RNA, otras cuatro (A, G, C y U). Proteínas Las proteínas son macromoléculas constituidas por un grupo de monómeros denominados aminoácidos. Éstos son compuestos orgánicos que poseen un grupo carboxilo COOH y un grupo amino NH2. Los aminoácidos que constituyen las proteínas son un grupo de veinte, la mayoría de fórmula estructural: Los aminoácidos tienen nombres específicos y se designan abreviadamente por tres letras: glicina (gli), alanina (ala) Los aminoácidos son sólidos cristalinos solubles en agua. La presencia en la misma molécula de un grupo carboxilo con características ácidas ( COOH) y básicas ( NH2) les confiere carácter anfótero. En disolución acuosa se produce la transferencia del protón del grupo carboxilo al grupo amino, lo que hace que los aminoácidos estén en forma de ion dipolar. Las proteínas forman parte del material estructural de los seres vivos: el colágenoen la piel y los huesos, la queratina en el pelo y uñas, etc. Controlan la actividad metabólica de las células, actúan como catalizadores específicos de reacciones celulares e intervienen en el sistema inmunológico. Se forman por la condensación de aminoácidos. La reacción del grupo COOH de un extremo de un aminoácido con el grupo NH2 de otro da lugar a la formación de un enlace CO NH denominado enlace peptídico. Condensación de alanina (ala) y glicina (gli) para formar el péptido ala-gli.
ELEMENTOS QUIMICOS ESENCIALES PARA LA VIDA Elementos quimicos esenciales para la vida Se llaman Elementos químico esenciales o bioelementos a una serie de elementos químico que se consideran esenciales para la vida, y para que este sea considerado como esencial deberá de cumplir condiciones como las siguientes: La ingesta insuficiente del elemento provoca deficiencias funcionales, lo contrario si el elemento vuelve a estar en las concentraciones adecuadas. Sin el elemento, el organismo no crece ni completa su ciclo vital. El elemento influye directamente en el organismo y esta involucrado en sus procesos metabòlicos. El efecto de dicho elemento no puede ser reemplazado por ningún otro elemento. Dicho esto podemos seguir con la clasificación de estos elementos que son Átonos ligeros, elementos ligeros que generalmente se los clasifican según su abundancia en macroelementos, elementos traza y ultrataza, también llamadas estos últimos elementos Oligoelementos. Macroelementos o elementos abundantes son: Oxigeno, Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno, Calcio, Fósforo, Potasio, Azufre, Sodio, Cloro y Magnesio. Los elementos Traza son: Hierro, Silicio, Cobre, Flúor y Bromo. Elementos Ultrataza son los que se van a requerir en una dosis menor a 1 mg por día, Yodo, Manganeso, Vanadio, Selenio, Arsénico, Boro, Níquel, Cromo, Molibdeno y Cobalto. Hay otros elementos que su esencialidad no está aún clara como el : Litio, Cadmio y Estaño. Conocemos entonces algunos de los elementos esenciales para la vida, es decir los mas importantes, pero a continuación conoceremos para que nos sirven y donde se encuentran en el cuerpo humano, en breves rasgos: Oxigeno, lo necesitamos para producir energía. Carbono, presente en todas partes. Hidrógeno, al igual que el carbono es abundante y forma parte de las células. Nitrógeno, en todos los líquidos y tejidos, las proteínas. Calcio, en los pulmones, riñones, hígado, tiroides, cerebro, músculos, corazón, huesos. Fósforo, en la orina en los huesos. Potasio, en las enzimas. Azufre, en las proteínas. Sodio, en todos los líquidos y tejidos en forma de sal. Magnesio, igual que el sodio, es indispensable. Las biomoléculas orgánicas Todas las moléculas orgánicas que forman parte de los seres vivos están constituidas por la unión de varios átomos de Carbono. En los compuestos orgánicos, el Carbono forma un total de cuatro enlaces covalentes, que pueden unirlo a cuatro átomos diferentes o bien a un mismo átomo mediante varios enlaces. El átomo que se une al carbono puede ser otro carbono o un elemento distinto, como Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno o Azufre. La unión entre átomos de Carbono puede dar lugar a estructuras moleculares complejas, incluyendo cadenas lineales, cadenas ramificadas o ciclos. Esto hace de este elemento el más versátil de todos los de la tabla periódica, dando lugar a una enorme variedad de compuestos de la que se benefician los seres vivos.
Desde el punto de vista de su comportamiento químico, la unión del Carbono o del Nitrógeno a ciertos grupos de átomos proporciona características específicas a las moléculas que contienen esos grupos que se denominan grupos funcionales. Los grupos funcionales más importantes que utilizan los seres vivos son el grupo ácido, el grupo -oxo (aldehídos y cetonas), el grupo alcohol y el grupo amino. Usando uno o varios de esos grupos funcionales los organismos son capaces de construir una gran variedad de moléculas diferentes, con las que pueden construir sus estructuras y realizar todas sus funciones.
Para identificar los compuestos orgánicos no solo hay que tener en cuenta su composición, sino también la ordenación de los átomos en la molécula. Muchas moléculas orgánicas orgánicas tienen varios isómeros, es decir, pueden presentar varias estructuras espaciales no equivalentes (configuraciones). La función que realizan las moléculas en los organismos depende de su estructura tridimensional, porque en muchos casos supone la unión entre moléculas complementarias. Esto supone que si una molécula presenta varios isómeros, éstos no son equivalentes entre sí para los seres vivos. Por el contrario, los organismos suelen utilizar un solo isómero de cada molécula. Los tipos de biomoléculas orgánicas Una célula puede contener en torno a unos 1000 tipos diferentes de pequeñas moléculas (masa molecular entre 100 y 500). Esas sustancias están presentes en prácticamente todos los tipos de células, e incluyen: Los 20 aminoácidos que forman las proteínas Los nucleótidos, que componen los ácidos nucleicos Los carbohidratos y sus derivados fosforilados Varios tipos de ácidos orgánicos Todas ellas componen lo que se conoce como metaboloma, es decir, el conjunto de moléculas de pequeño tamaño que están presentes en una célula determinada. Todas son moléculas cargadas o polares, solubles en agua. Se encuentran en concentraciones muy bajas. No pueden entrar y salir libremente de la célula, sino que necesitan transportadores específicos para hacerlo. Intervienen en los principales conjuntos de reacciones químicas que ocurren en la célula, lo que constituye una prueba de un origen evolutivo común de los seres vivos. Además de las moléculas orgánicas pequeñas, las células utilizan otras de mayor tamaño para llevar a cabo sus funciones. Lípidos Los lípidos son sustancias insolubles en agua (hidrófobas) que forman parte de las membranas
biológicas y que se utilizan como reserva de energía o aislante térmico. Algunos deben ser consumidos en la dieta vitaminas liposolubles) y otros realizan funciones hormonales (hormonas sexuales, esteroides). Los ácidos grasos son los lípidos que absorbemos como nutrientes de los alimentos. Los organismos los usan para formar compuestos complejos, como los triacilglicéridos, que se usan como reserva energética o los fosfolípidos, que forman parte de las membranas celulares. Los fosfolípidos tienen unas características químicas peculiares: una parte de su estructura es apolar, y se disuelve mal en el agua; en cambio la otra parte es polar, y por lo tanto hidrófila. En presencia de agua, estas moléculas pueden disponerse formando una doble capa. En ella las zonas externas son hidrófilas mientras que las zonas que repelen el agua quedan en el interior de la bicapa. Esta estructura forma las membranas celulares. Se caracteriza porque mantiene separados el interior y el exterior de la célula, al no permitir el paso de agua ni de sustancias hidrófilas. Carbohidratos Los monosacáridos son los compuestos más sencillos de una familia de sustancias que reciben el nombre de glúcidos o carbohidratos. Desde el punto de vista químico se caracterizan porque en su estructura hay siempre dos grupos funcionales: Un grupo oxo, que puede encontrarse en el primer carbono (dando lugar a las llamadas aldosas)o en el segundo, dando lugar a las cetosas, y grupos alcohol (-OH) en todos los demás carbonos. Los monosacáridos pueden cerrarse sobre sí mismos formando ciclos.
Las células utilizan los monosacáridos como combustibles metabólicos. También se utilizan como elementos de los nucleótidos, que a su vez forman parte de los ácidos nucleicos. Los monosacáridos pueden unirse entre sí formando cadenas, lineales o ramificadas llamadas polisacáridos. Las grandes moléculas formadas por la unión de otras más pequeñas se llaman polímeros, y sus unidades monómeros. En los seres vivos los polisacáridos pueden tener dos funciones fundamentales: reserva de energía, como el almidón en vegetales y el glucógeno en animales, o la formación de estructuras de soporte, como la celulosa, que forma la pared celular en vegetales. Los polisacáridos de reserva energética se utilizan arrancando los monosacáridos de uno en uno. Aminoácidos y proteínas Los aminoácidos son una familia de compuestos que forman las proteínas. Todos presentan una estructura común y una parte específica. La parte común incluye un átomo de carbono unido a un hidrógeno (carbono α, y un grupo ácido y un grupo amino unidos al mismo carbono α. La parte específica es un grupo (radical) que varía de un aminoácido a otro, y que también se encuentra unido al carbono α. Las proteínas están formadas por veinte tipos de aminoácidos distintos, que solo se diferencian por su grupo R. El grupo ácido y el grupo amino de dos aminoácidos pueden reaccionar entre sí formando un enlace que recibe el nombre de enlace peptídico. El compuesto que resulta sigue teniendo un grupo carboxilo en un extremo y un grupo amino en el otro. Esto permite que los aminoácidos
puedan unirse formando cadenas de gran tamaño, llamadas proteínas. En una proteína los 20 aminoácidos pueden combinarse de forma totalmente libre en cuanto a número y orden, lo que hace que el número de proteínas posibles sea virtualmente infinito. Dos proteínas se diferencian entre sí por su estructura primaria, que es el orden en el que se disponen los aminoácidos que forman la proteína. Los aminoácidos que forman una proteína se atraen entre sí, haciendo que la proteína adquiera una forma tridimensional concreta. La forma espacial de la proteína constituye su estructura terciaria. La gran variedad de estructuras primarias posible hace que también pueda existir una gran variedad de estructuras terciarias, lo que tiene gran importancia desde el punto de vista biológico porque la función de cada proteína depende de su forma tridimensional. Gracias a su gran variedad de estructuras, las proteínas pueden realizar la mayor parte de las funciones que realizan los organismos: Hacen posibles las reacciones químicas, forman estructuras celulares, sirven de mensajeros químicos, controlan el funcionamiento de los genes, reciben estímulos, almacenan materiales y energía, transportan sustancias, producen y permiten el movimiento... Nucleótidos y ácidos nucleicos
Los nucleótidos son un tipo de moléculas orgánicas que, a su vez, están formados por la unión de tres tipos de moléculas: uno o varios fosfatos, un monosacárido de cinco carbonos y una base nitrogenada. Los nucleótidos son una familia de compuestos, dentro de la que hay diferentes posibilidades de variación: pueden tener dos tipos de monosacáridos, ribosa y desoxirribosa, de uno a tres fosfatos y varias bases nitrogenadas: adenina, citosina, guanina, timina o uracilo, nicotinamida... En total, en una célula hay unos 200 tipos de nucleótidos y sustancias relacionadas diferentes. Los nucleótidos tienen funciones biológicas relacionadas con la transferencia de energía debido a que los enlaces entre grupos fosfato son de alta energía, lo que significa que para formarse, necesitan que se aporte una gran cantidad de energía, pero también que cuando se rompen, liberan gran cantidad de energía que puede pasar de unas reacciones a otras. Los nucleótidos con tres fosfatos actúan como baterías que pueden descargar energía cediéndola para que ocurran otras reacciones químicas o cargarse gracias a la energía de otras reacciones. La molécula que cumple esta función en la mayor parte de los casos es el ATP. Otra forma de energía química es el poder reductor, que es la capacidad de donar electrones a una sustancia. Este proceso permite que ocurran un tipo de reacciones imprescindibles en los seres vivos, las de oxidación-reducción. La sustancia que realiza esta función con mayor frecuencia en los seres vivos es el NADH (nicotín adenín dinucleótido). Los nucleótidos pueden formar polímeros en forma de cadenas que reciben el nombre de ácidos nucleicos. Hay dos grandes tipos de ácidos nucleicos, según el monosacárido que forme parte de los nucleótidos. Si el monosacárido es la ribosa el ácido nucleico resultante es el ARN (ácido ribonucleico). Las bases nitrogenadas que lo forman son adenina, citosina, guanina y uracilo. Si el monosacárido es la desoxirribosa el ácido nucleico que se forma es el ADN (ácido desoxirribonucleico), y en su composición aparece timina en lugar de uracilo.
Los ácidos nucleicos son heteropolímeros, porque están formados por monómeros distintos, como las proteínas. La parte que varía entre los nucleótidos es la base nitrogenada. Los ácidos ribonucleicos (hay varios tipos) forman siempre una única cadena lineal. Algunos tienen una estructura tridimensional debido a que se pliegan sobre sí mismos. El ADN tiene una estructura característica en forma de doble hélice, formada por dos cadenas complementarias entre sí. Las dos cadenas están unidas mediante puentes de hidrógeno específicos entre bases concretas: la adenina es complementaria de la timina y la citosina es complementaria de la guanina. Debido a esta estructura la secuencia de nucleótidos de una cadena determina la de la otra hebra. Los organismos necesitan información para poder mantener su funcionamiento: elaborar sus componentes, organizarlos en sus estructuras y controlar y regular su funcionamiento, ajustándolo a sus necesidades. Esta información, que se denomina genética porque sus unidades son los genes, se utiliza (se expresa) mediante la síntesis de proteínas. Para que un organismo pueda contener y utilizar información es necesaria una molécula capaz de Almacenar información Producir copias idénticas de sí misma Ser leída, expresando su información En los seres vivos esa molécula es el ADN; la información está almacenada en la secuencia de nucleótidos, puede copiarse gracias a la complementariedad de bases y se expresa mediante la síntesis de proteínas en los ribosomas.