Sergio D. Ifrán - Nancy E. Fernández – Silvia Márquez
INTRODUCCIÓN
Como hemos visto los seres vivos están caracterizados, entre otras cosas, por poseer una organización celular, es decir determinadas moléculas se organizan de una forma particular y precisa e interactúan entre sí para establecer la estructura celular. Así como las células son los ladrillos con los que se construyen los tejidos y los organismos, las moléculas son los bloques con que se construyen las células.
Al estudiar químicamente estas moléculas observamos que las mismas están constituidas en un 98% por elementos tales como C, H, O, N, P y S; (el 2 % restante esta representado por elementos como el Fe, Ca, Na, K, Cu, Mg, I, Cl. Etc.)
La combinación de estos seis elementos puede dar lugar a la formación de millones de moléculas distintas, sin embargo como veremos más adelante, la mayoría de los seres vivos está formado por un número relativamente bajo de tipos de compuestos.
Aquellos compuestos en cuya composición interviene el carbono se los denomina compuestos orgánicos; dentro de este grupo podemos mencionar a los monosacáridos, polisacáridos, aminoácidos, proteínas, lípidos, nucleótidos y ácidos nucleícos (no son los únicos compuestos orgánicos que existen, pero sí son la mayoría). Estos representan aproximadamente el 30% de la composición química de los seres vivos. El 70% lo constituye el agua. También encontramos algunos iones tales como el Na, Fe, Ca, K, etc. en proporciones muy pequeñas.
Reacciones químicas
Dijimos que los átomos reaccionan entre sí formando moléculas (reacciones químicas), estas reacciones se representan por medio de ecuaciones químicas, en donde se colocan los reactivos (materia prima) y los productos de la reacción y el sentido de la reacción.
Estas ecuaciones químicas se balancean de manera que la cantidad de átomos de un elemento en ambos lados de la ecuación, es la misma.
Existen distintos tipos de reacciones químicas, las cuales pueden ocurrir tanto en los seres vivos como “in vitro”. En el metabolismo se llevan a cabo reacciones de oxido-reducción o redox, reacciones de adición, de disociación, etc.
COMPOSICIÓN QUIMICA DE LOS SERES VIVOS
Todas las células están gobernadas por los mismos principios físicos y químicos de la materia inerte. Si bien dentro de las células encontramos moléculas que usualmente no existen en la materia inanimada, en la composición química de los seres vivos encontramos desde sencillos iones inorgánicos, hasta complejas macromoléculas orgánicas siendo todos igualmente importantes para constituir, mantener y perpetuar el estado vivo.
La química de la vida ocurre en el agua. De hecho, las células contienen entre un 70 a un 90 % de agua, y todas las reacciones que ocurren en el citoplasma de una célula tiene lugar en un medio acuoso. El agua es el solvente biológico ideal. Sin embargo el agua no solo es el medio en el que se desarrollan las reacciones químicas sino que también en muchos casos participa activamente de ellas ya sea como reactivo o producto de una reacción. Por todo esto no resulta sorprendente que las propiedades del agua sean un factor clave para comprender la bioquímica.
Fig. 2.6 -(a) Estructura de la molécula de agua. (b) Las moléculas de agua en disolución interactúan entre si a través de los puentes de hidrógeno.
carbohidratos o azucares
La mayor fuente de glúcidos, también llamados hidratos de carbono o azúcares, se encuentra en los vegetales, los cuales a través del proceso de fotosíntesis combinan el dióxido de carbono (CO2) y el agua (H2O) para dar las moléculas hidrocarbonadas que son los glúcidos. Estas moléculas proporcionan a las plantas y a los animales que se alimentan de ellas, la energía necesaria para los procesos metabólicos.
A excepción de la vitamina C, los glúcidos no son esenciales en la dieta, ya que el organismo mediante procesos metabólicos intracelulares puede sintetizar los azúcares necesarios a partir de otras moléculas, como los lípidos y aminoácidos.
Los carbohidratos se clasifican en primer lugar, teniendo en cuenta el número de unidades constitutivas de los mismos en:
l Monosacáridos: constituidos por un azúcar simple.
l Oligosacáridos: Resultantes de la unión de 2 a 10 unidades de monosacáridos.
l Polisacáridos: formados por cadenas compuestas de muchas unidades de monosacáridos (más de 10). Estas cadenas pueden ser lineales o ramificadas.
Monosacáridos
Funciones biológicas: Los monosacáridos, especialmente la glucosa, constituyen la principal fuente de energía celular. Por ejemplo la oxidación completa de un mol de glucosa produce 673 kilocalorías. También forman parte de moléculas más complejas. Por ejemplo la ribosa y desoxirribosa, componentes de los ácidos nucleícos.
Oligosacáridos
Se forman por la unión covalente de entre 2 y 10 monosacáridos. Se los nombra de acuerdo al número de monosacáridos que los constituye, de este modo tenemos: disacáridos, trisacáridos, etc.
De todos ellos los más importantes fisiológicamente son los disacáridos, como la sacarosa o azúcar común formada por la unión de glucosa y fructosa, la lactosa o azúcar de la leche (Galactosa + glucosa), o la maltosa o azúcar de malta formada por la unión de dos glucosas.
Los monosacáridos se unen mediante uniones glucosídicas, donde dos átomos de carbono de dos monosacáridos se vinculan por medio de un átomo de oxígeno. En la reacción se libera una molécula de agua.
Funciones biológicas: Son formas de transporte en los vegetales y en algunos animales. Forman parte de moléculas más complejas, como las glucoproteínas y glucolípidos. Intervienen en la estructura de la membrana plasmática, participando en el reconocimiento celular.
Polisacáridos
Están constituidos por un gran número de monosacáridos unidos mediante enlaces glucosídicos, constituyendo largas cadenas. Los polisacáridos pueden ser homopolímeros, cuando la unidad repetitiva es un solo tipo de monosacárido o heteropolímeros, cuando las unidades repetitivas están constituidas al menos por dos monómeros diferentes. Los polisacáridos más importantes presentes en la naturaleza son el almidón, el glucógeno y la celulosa.
Fig. 2.28 - Amilosa (uniones a-1,4)
Fig. 2.29 - Amilopectina (uniones a-1,4 y a-1,6)
Glucógeno.- Presenta una estructura similar a la de la amilopectina, pero mucho más ramificada (cada 12 a 14 unidades del polímero lineal). El glucógeno constituye una importante reserva de energía para los animales y se almacena principalmente en el hígado y en los músculos
Celulosa.- Es el polisacárido estructural más abundante y se lo encuentra formando las paredes celulares de los vegetales. Está constituida por cadenas lineales de b-glucosa. La característica estructural de del enlace glucosídico b 1-4 es que forma una cadena extendida que permite la interacción con otras cadenas paralelas formando puentes de hidrógeno. De este modo se forma una trama en forma de red muy resistente.
Fig. 2.31- Celulosa
LÍPIDOS O GRASAS
Constituyen un grupo de compuestos muy heterogéneo, cuya única característica común es la insolubilidad en agua y otros solventes polares. Son solubles solamente en solventes no polares como el éter, benceno, cloroformo, etc.
Entre las biomoléculas, los lípidos son los únicos que en general no forman polímeros, aunque algunos pueden considerarse macromoléculas. Aunque existen otras, una manera sencilla de clasificarlos es la siguiente:
Cuadro 2.2- Clasificación de los Lípidos
Ácidos grasos.-Están formados por cadenas hidrocarbonadas, que tienen número par de carbonos (entre 4 y 22 átomos) y un grupo carboxilo en uno de los extremos. Los ácidos grasos pueden ser saturados o insaturados. En los primeros los átomos de carbono de la cadena están unidos mediante enlaces simples, en cambio en los insaturados la cadena presenta dobles enlaces entre carbonos.
Fig. 2.13- Algunos ácidos grasos de importancia biológica
Funciones biológicas: Son constituyentes de moléculas más grandes, como por ejemplo: grasas, fosfolípidos, etc. Son combustibles celulares de elección.
Grasas Neutras.- Una grasa neutra consiste en una molécula de glicerol unida a uno, dos o tres ácidos grasos. El glicerol es un alcohol de tres carbonos.
A temperatura ambiente, estos lípidos pueden resultar líquidos o sólidos, dependiendo del largo de las cadenas de ácidos grasos y si están saturados o no.
Por el contrario, cuanto más insaturados y más cortos sean los ácidos grasos, más inconvenientes tendrán para interactuar, pues los dobles enlaces impiden que las colas de los ácidos grasos de las moléculas de grasa puedan moverse libremente, determinando así una sustancia líquida a la temperatura ambiente llamada aceite.
Fig. 2.14 - Fórmula de un triacilglicérido
Funciones biológicas: Las grasas y aceites cumplen principalmente con la función de reserva de energía en forma más eficiente que los glúcidos. Esto se debe a que son hidrofóbicos y al no hidratarse ocupan menos volumen que el glucógeno y además, tienen más hidrógenos en su estructura, por lo cual rinden más energía que los azucares. Actúan en la termorregulación, como aislante térmico. Por ejemplo en los animales que viven en las zonas frías del planeta tienen una importante capa de grasa subdérmica que ayuda a mantener la temperatura interna. Además como repelen al agua evitan la perdida de calor corporal por efectos de la transpiración
Ceras.-Las ceras son lípidos compuestos por alcoholes y ácidos grasos de alto número de carbonos. También son importantes las ceras que se forman con el colesterol.
Fosfoglicéridos.- Son conocidos con el nombre de fosfolípidos. Poseen una molécula de glicerol unida a dos ácidos grasos y un ácido fosfórico. Además el grupo fosfato puede llevar unida una molécula de naturaleza variable a la que llamamos resto (R), por ejemplo un alcohol.
Fig. 2.15 - (a) Ácido fosfatídico (b) Lecitina
Los fosfoglicéridos poseen una cabeza polar o hidrofílica constituida por el ácido fosfórico y el resto (generalmente un alcohol o base nitrogenada) y dos colas no polares o hidrofóbicas que corresponden a las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos. Por este motivo se dice que son moléculas anfipáticas. En solución acuosa éstas se ordenan formando bicapas.
GLUCOLÍPIDOS y esfingolípidos.- Estos lípidos están formados por una ceramida, es decir, un ácido graso unido a un alcohol llamado esfingosina por medio de una unión amida.
Si además del ácido graso, también lleva unido un grupo fosfato tenemos un esfingofosfolípido. Si al grupo fosfato se une un alcohol y éste es la colina, obtenemos la esfingomielina.
Los glucolípidos están formados por la ceramida unida a un monosacárido u oligosacárido. Los cerebrósidos son los más sencillos, en cambio, otros como los gangliósidos son más complejos porque presentan un oligosacárido ramificado.
Funciones biológicas: Al igual que los fosfolípidos y el colesterol los glucolípidos son moléculas anfipáticas y junto a éstos forma parte de la estructura básica de las membranas biológicas.
Lipoproteínas.- Resultan de la unión de lípidos con proteínas solubles. En éste complejo la proteína ocuparía la parte periférica de modo que puede interactuar con el agua de esta manera circulan los lípidos por el plasma.
De acuerdo al porcentaje relativo de lípidos y proteínas presentes se los clasifica en:
l Lipoproteínas de alta densidad ( HDL)
l Lipoproteínas de densidad intermedia ( IDL)
l Lipoproteínas de baja densidad (LDL)
l Lipoproteínas de muy baja densidad ( VLDL)
l Quilomicrones
Prostaglandinas.- Constituyen una familia de derivados de ácidos grasos insaturados de 20 C, como el araquidónico. Tienen una gran variedad de efectos biológicos de naturaleza regulatoria. Por ejemplo: modulan la actividad hormonal y producen la contracción del músculo liso.
Esteroides.- Están formados básicamente, por un esqueleto carbonado de cuatro ciclos llamado Ciclopentanoperhidrofenantreno, formado a su vez por la repetición de muchos isoprenos.
Funciones biológicas: El esteroide más conocido es el colesterol, presente en las membranas biológicas de todas las células excepto la de las bacterias. Este, a su vez, es precursor de muchos esteroides como las hormonas sexuales (Progesterona, estrógenos, testosterona), las hormonas de la corteza suprarrenal (glucorticoides, mineralocorticoides), los ácidos biliares y la vitamina A, que son solo algunos ejemplos. Los esteroides desempeñan funciones diferentes de acuerdo a los grupos químicos que están unidos a su estructura básica.
Proteínas
Las proteínas son las macromoléculas más abundantes en las células animales y constituyen alrededor del 50% de su peso seco. Dentro de las células se las encuentra en formas muy variadas: como constituyente de las membranas biológicas, como catalizadores de reacciones metabólicas (enzimas), interactuando con los ácidos nucleícos (histonas) o con neurotransmisores y hormonas (receptores), etc. Prácticamente, no existe proceso biológico en el que no participe por lo menos una proteína. Se las considera como el grupo de compuestos que mayor cantidad de funciones desempeñan en los seres vivos.
Estas moléculas son polímeros de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.
Las proteínas pueden ser simples o conjugadas. Las simples sólo están formadas por aminoácidos. Las conjugadas contienen además de la o las cadenas polipéptidicas, grupos no proteicos, denominados grupos prostéticos, por ejemplo la hemoglobina o las lipoproteínas.
Para entender los aspectos estructurales y las características químicas de las proteínas, es fundamental analizar primero la de sus monómeros.
Aminoácidos
Como su nombre lo indica, cada aminoácido está formado por un grupo amino y un grupo ácido carboxílico, unidos a un átomo de carbono central o carbono a, el que además tiene unido siempre un átomo de hidrógeno y una cadena lateral de características variables.
Fig. 2.53 - Estructura química de los veinte aminoácidos clasificados en ácidos, básicos, polares y no polares.
Aminoácidos esenciales
La síntesis proteica requiere de un constante aporte de aminoácidos. Los organismos heterótrofos sintetizan gran parte de estos aminoácidos a partir de esqueletos carbonados. Los que requieren ser incorporados por la ingesta, no pudiendo ser sintetizados, se denominan aminoácidos esenciales, y son producidos por plantas y bacterias (Tabla 2.4).
Tabla 2.4 - Aminoácidos no esenciales y esenciales para el hombre
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No esenciales
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Esenciales
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Glutamato
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Isoleucina
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Glutamina
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Leucina
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Prolina
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Lisina
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Aspartato
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Fenilalanina
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Asparagina
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Metionina
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Alanina
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Treonina
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Glicina
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Triptófano
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Serina
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Valina
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Tirosina
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Histidina
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Cisteína
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Arginina ( sólo en lactantes)
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Funciones Biológicas de las proteínas
Las proteínas dirigen la totalidad de los procesos celulares, incluso su propia síntesis. Las funciones de mayor importancia de las proteínas en los seres vivos son:
Función estructural, como el colágeno, la tubulina de los microtúbulos, las de las cápsides virales, etc. Las moléculas de colágeno son ejemplos típicos de las proteínas simples fibrosas. Son la clase de proteínas más abundantes de nuestro cuerpo, son componentes de la matriz extracelular del tejido conectivo, de modo que las podemos encontrar en tendones, ligamentos, membrana basal, etc.
Función Reguladora: como las ciclinas que controlan el ciclo celular y los factores de transcripción que regulan la expresión de los genes.
Función Motora: actina y miosina del músculo.
Función de Transporte: Globulinas en general, hemoglobina, mioglobina y las lipoproteínas son algunos ejemplos
Función de Reserva: La ovoalbúmina, componente principal de la clara de huevo o la gliadina del trigo.
Función de Receptores: como las proteínas receptoras de membrana.
Función Enzimática: La enzimas catalizan todas las reacciones metabólicas.
Función de Defensa: Los anticuerpos son proteínas simples globulares y son sintetizadas por las células plasmáticas (linfocitos B activados), son también conocidas como inmunoglobulinas o gammaglobulinas. Estas proteínas presentan gran diversidad ya que cada anticuerpo es específico para un determinado antígeno. Sin embargo, podemos mencionar que en general están compuestas por cuatro cadenas polipeptídicas dos contienen 220 aminoácidos (cadenas livianas) y las otras más largas con 440 aminoácidos cada una (cadenas pesadas).
Función de mensajeros químicos: La mayor parte de las hormonas son proteínas o glucoproteínas. También ciertos aminoácidos, derivados de aminoácidos y oligopéptidos son neurotransmisores en el sistema nervioso.
ÁCIDOS NUCLEICOS
Introducción
Todas las células contienen la información necesaria para realizar distintas reacciones químicas mediante las cuales las células crecen, obtienen energía y sintetizan sus componentes. Está información está almacenada en el material genético, el cual puede copiarse con exactitud para transmitir dicha información a las células hijas. Sin embargo estas instrucciones pueden ser modificadas levemente, es por eso que hay variaciones individuales y un individuo no es exactamente igual a otro de su misma especie (distinto color de ojos, piel, etc.). De este modo, podemos decir que el material genético es lo suficientemente maleable como para hacer posible la evolución.
La información genética o genoma, está contenida en unas moléculas llamadas ácidos nucleicos. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN y ARN. El ADN guarda la información genética en todos los organismos celulares, el ARN es necesario para que se exprese la información contenida en el ADN; en los virus podemos encontrar tanto ADN como ARN conteniendo la información (uno u otro nunca ambos).
Composición química y estructura de los ácidos nucleicos
Los ácidos nucleícos resultan de la polimerización de monómeros complejos denominados nucleótidos.
Un nucleótido está formado por la unión de un grupo fosfato al carbono 5’ de una pentosa. A su vez la pentosa lleva unida al carbono 1’ una base nitrogenada.
Las bases nitrogenadas son moléculas cíclicas y en la composición de dichos anillos participa, además del carbono, el nitrógeno. Estos compuestos pueden estar formados por uno o dos anillos. Aquellas bases formadas por dos anillos se denominan bases púricas (derivadas de la purina). Dentro de este grupo encontramos: Adenina (A), y Guanina (G).
Si poseen un solo ciclo, se denominan bases pirimidínicas (derivadas de la pirimidina), como por ejemplo la Timina (T), Citosina (C), Uracilo (U).
Estos derivados de la purina y la pirimidina son las bases que se encuentran con mayor frecuencia en los ácidos nucleicos.
Existen otras bases nitrogenadas que son menos frecuentes, algunas de ellas están metiladas. En eucariontes estas bases metiladas participan del control de la expresión genética.
Nucleótidos de importancia biológica
ADN – Ácido desoxirribonucleico
Los ácidos nucleicos fueron aislados por primera vez en 1869, sin embargo no fue hasta mucho después que se conoció su función. A principio de siglo los científicos que querían explicar como se transmitía y se almacenaba la información genética se enfrentaron a un problema, era el ADN o las proteínas de los cromosomas los que portaban la información genética.
Se sabía que el ADN constaba de solo cuatro tipo de monómeros, frente a los 20 aminoácidos que se encuentran formando parte de las proteínas, de manera que se pensaba que era demasiado sencillo como para guardar la información, por lo cual se le asignaba una función estructural.
La evidencia que ha servido para esclarecer la función del ADN, ha procedido, por un lado, del hecho que la cantidad de ADN de una especie es constante, sin importar la edad, sexo, factores nutricionales o ambientales. Por otra parte, la cantidad de ADN tiene mayoritariamente una relación directa con la complejidad del organismo, así como también se observa que los gametos de los individuos con reproducción sexual poseen solo la mitad del ADN que posee cualquier de sus células somáticas.
En 1953 Watson y Crick propusieron el modelo de doble hélice, para esto se valieron de los patrones obtenidos por difracción de rayos X de fibras de ADN, y de los postulados enunciados por Chargaff que estableció que la cantidad de adenina de una molécula de ADN era igual a la cantidad de timina de la misma molécula y que la cantidad de guanina era igual a la cantidad de citosina, es decir que el contenido de purinas era igual al de pirimidinas.
Funciones biológicas: El ADN es el portador de la información genética y a través de ella puede controlar, en forma indirecta, todas las funciones celulares. Debemos recordar aquí que las enzimas son proteínas que catalizan todas las funciones biológicas y se sintetizan en las células de acuerdo a la información genética. Vale decir que a la información genética la podemos comparar con un recetario, donde están las recetas de todas las proteínas del organismo.
Fig. 2.45 - Pares de bases del ADN: La formación específica de enlaces de hidrógeno entre G y C y entre A y T genera los pares de bases complementarias
ARN – Ácido ribonucleíco
El ácido ribonucleico se forma por la polimerización de ribonucleótidos. Estos a su vez se forman por la unión de: a) un grupo fosfato. b) ribosa, una aldopentosa cíclica y c) una base nitrogenada unida al carbono 1’ de la ribosa, que puede ser citosina, guanina, adenina y uracilo. Esta última es una base similar a la timina.
En general los ribonucleótidos se unen entre sí, formando una cadena simple, excepto en algunos virus, donde se encuentran formando cadenas dobles. La cadena simple de ARN puede plegarse y presentar regiones con bases apareadas, de este modo se forman estructuras secundarias del ARN, que tienen muchas veces importancia funcional, como por ejemplo en los ARNt (ARN de transferencia). Se conocen tres tipos principales de ARN y todos ellos participan de una u otra manera en la síntesis de las proteínas. Ellos son: El ARN mensajero (ARNm), el ARN ribosomal (ARNr) y el ARN de transferencia (ARNt).
