1. INTRODUCCIÓN.
La materia viva está compuesta por unos 70 elementos químicos diferentes aunque solo 16 son comunes a todos los seres vivos, denominados BIOELEMENTOS O ELEMENTOS BIOGÉNICOS. Todos ellos aparecen también en la materia inerte por lo que no hay elementos exclusivos de los seres vivos, esto demuestra que los seres vivos se originaron a partir de elementos presentes en la corteza terrestre. Los bioelementos se combinan para formar las BIOMOLÉCULAS, estas pueden ser orgánicas ( sintetizadas por los seres vivos y con una composición basada en el carbono ) e inorgánicas( no son sintetizadas por los seres vivos pero son imprescindibles para su supervivencia) y DE SUS CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES DEPENDE TODA LA ACTIVIDAD VITAL, de ahí la importancia de su estudio.
2. LA BASE QUÍMICA DE LA VIDA.
El análisis químico de la materia viva revela una gran similitud entre todos los organismos tanto vegetales como animales en los elementos químicos que la constituyen. Los componentes fundamentales de la materia viva son:
1. BIOELEMENTOS o elementos biogénicos, que se clasifican en primarios, secundarios y oligoelementos.
2. PRINCIPIOS INMEDIATOS, son las moléculas presentes exclusivamente en los seres vivos, se clasifican en inorgánicos( agua y las sales minerales )y orgánicos( glúcidos, lípidos, proteínas y ac. Nucleicos)
3. LOS BIOELEMENTOS.
Son los elementos que van a formar las biomoléculas, forman parte de ella unos 70 elementos prácticamente toda la tabla periódica a excepción de los gases nobles y se van a encontrar en distinta proporción en los seres vivos que en la corteza terrestre. Si comparamos la proporción relativa de los bioelementos y los presentes en la corteza terrestre , observamos que en esta última se encuentran en mayor proporción, O, Si, Fe, Ca, Na, K, y Mg, de estos solo el O abunda en los seres vivos, los demás aparecen en bajas concentraciones y algunos como Fe, Si y Al son muy escazos. Por el contrario abundan en los seres vivos los elementos como C (20% de la materia viva), H( 9,5%), N( 2,5%), P(1,1%) y S(0,1%) además del O que está presente en un 63% de la materia viva.
Las causas de este desigual reparto son las propiedades que hacen a los bioelementos idóneos para formar biomoléculas y realizar funciones capaces de aumentar las posibilidades de supervivencia de las células que los incorporan. Cabe destacar algunas de estas propiedades:
a) Masa atómica pequeña y capas electrónicas externas incompletas, forman fácilmente enlaces estables e intervienen en reacciones metabólicas.
b) Polaridad, les permite ser solubles en agua, medio en el que tienen lugar el metabolismo.
c) Fácil incorporación desde la biosfera, en la actividad vital hay un continuo intercambio de materia y de energía.
3.1 CLASIFICACIÓN DE BIOELEMENTOS.
Atendiendo a su abundancia, que no a su importancia, los podemos agrupar en tres categorías:
1. Elementos primarios o principales. C, H, O y N. Son los elementos mayoritarios forman el 95% de la materia viva y son indispensables para la formación de los principios inmediatos. Las propiedades fisicoquímicas que los hacen tan idóneos para la vida son los nombrados anteriormente aunque podemos destacar algunas propiedades concretas como, la posibilidad del C de formar enlaces estables C-C, formando grandes cadenas lineales, cíclicas, ramificadas, anillos etc..así como la capacidad de unirse a otros componentes químicos aumentando la posibilidad de crear grupos funcionales como aldehídos, cetonas, alcoholes…que originan compuestos orgánicos muy diversos. También es importante la estructura tetraédrica del enlace de C debido a lo que muchas moléculas orgánicas tienen estructuras tridimensionales diferentes. Los compuestos que forman estos elementos tienden a oxidarse generando compuestos de baja energía por la abundancia de O en la superficie del planeta, como el dióxido de carbono y el agua, la energía desprendida en estas oxidaciones son aprovechadas para les funciones vitales de los organismos.
2. Bioelementos secundarios S, P, Mg, Ca, Na, K y Cl. Forman parte de todos los seres vivos pero en conjunto no superan el 4,5% del peso total del organismo, si bien son indispensables para la vida.
· El AZUFRE está presente en la cisteina y metionina presentes en casi todas la proteínas, también forma parte del complejo de vitaminas B y en la CoA de gran interés biológico.
· El FÓSFORO forma parte de los nucleótidos, de muchas sustancias de interés biológico como coenzimas (NADP), de los fosfolípidos y de sales minerales presentes en los seres vivos, los fosfatos.
· El MAGNESIO forma parte de la clorofila, en forma iónica actúa como catalizador.
· El CALCIO forma parte del carbonato cálcico componente fundamental de los huesos en vertebrados, en forma iónica estabiliza muchas estructuras celulares como el huso mitótico, además actúa en procesos fisiológicas como la contracción muscular, transmisión del impulso nervioso y coagulación de la sangre.
· El SODIO, POTASIO y CLORO forman parte como iones de sales minerales e intervienen directamente en procesos fisiológicos como la transmisión del impulso nervioso y el potasio regula la apertura y cierre de los estomas de las hojas.
3. Oligoelementos. La palabra deriva del griego oligos escasos. Denominados de esta manera los elementos que están presentes en la materia viva en proporciones reducidas, en conjunto no superan el 0,5% del peso total de los organismos sin embargo tanto su carencia como su exceso pueden provocar trastornos en los seres vivos. Se han aislado unos 60 oligoelementos pero pueden considerarse comunes en todos los seres vivos los oligoelementos esenciales, Fe, Mg, Cu, Zn, F, Cr, Co, Se y Sn.Se denominan variables a los presentes en algunos organismos por ej el V, B, Al, Mo, I, Si. Entre las funciones que desempeñas estos elementos podemos destacar los siguientes.
· El HIERRO es fundamental en la síntesis de clorofila, actúa como catalizador en muchas reacciones químicas y forman parte de proteínas de gran importancia como la hemoglobina y citocromos.
· El MAGNESIO intervienen en la fotólisis del agua en la fotosíntesis.
· El IODO necesario para la síntesis de hormona tiroidea.
· El COBALTO forma parte de la vitamina B12 fundamental para la síntesis de la hemoglobina, también es necesario para los microorganismos fijadores del N.
· El SILICIO forman parte del caparazón de muchos microorganismos como las diatomeas y proporcionan resistencia al tejido conjuntivo.
· El ZINC interviene como biocatalizadores en muchas reacciones bioquímicas.
BIOMOLÉCULAS O PRINCIPIOS INMEDIATOS.
Los bioelementos se presentan generalmente agrupados en moléculas más o menos grandes denominadas biomoléculas o principios inmediatos, nombre que hace referencia al hecho de que se trata de sustancias que se obtienen a partir de los organismos de forma inmediata cuando se aplican técnicas de análisis físicos como trituraciones, disoluciones en agua o disolventes apolares, filtraciones, decantaciones, cromatografías, etc. Ya que constituyen los principios moleculares con los que se construye la organización de los seres vivos, en la actualidad es más utilizado el término de biomolécula. Entre las biomoléculas hay sustancias tan distintas entre sí como el agua y el ADN, por lo que se hace necesaria una clasificación para su estudio, la más utilizada es la siguiente;
· Biomoléculas inorgánicas, presentes también en la materia inerte como agua, sales minerales y gases.
· Biomoléculas orgánicas, exclusivas de los seres vivos, glúcidos, lípidos, proteínas y ac nucleicos.
4. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS.
4.1 EL AGUA.
Constituye la mayor parte de la composición de los seres vivos, y lo seres vivos dependen de su presencia para sobrevivir. El porcentaje de agua no es el mismo para todos los seres vivos, en un feto de 3 meses supone el 93% de la materia, en un hombre adulto supone el 63%, en un insecto el 72%, en algas el 98%, en una zanahoria el 87%, más concretamente en órganos humanos podemos encontrar un 86% de agua en el cerebro, un 22% en los huesos y un 10% en los dientes. El contenido de agua varía también en función de la edad del organismo por ejemplo en el ser humano que presenta de adulto un 63% de agua, tenemos en la niñez un 78% y en la ancianidad un 60%. La variación más importante en el contenido de agua de los seres vivos está en función de la actividad biológica que desarrollan las células de cada organismo, así como las esporas y semillas que están en estado latente con escasísima actividad metabólica contienen un 10% de agua, el tejido óseo de un adulto presenta un 22% de agua mientras que el sistema nervioso que realiza gran actividad biológica presenta un 86% es el tejido que más agua posee.
· ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DE AGUA.
La molécula de agua está formado por dos átomos de H unidos a uno de O por sendos enlaces covalentes polares. A pesar de ser eléctricamente neutra, la molécula de agua es dipolar, ya que posee una región electropositiva y otra electronegativa, esto es debido a que el átomo de oxígeno es más electronegativo que el de hidrógeno y por ello atrae con más fuerza los electrones compartidos en cada enlace, por tanto el enlace O-H está polarizado apareciendo una densidad de carga negativa en el O y positiva en el H, mostrándose como un dipolo permanente. La estructura dipolar del agua hace posible que estas puedan atraerse entre sí, porque el oxígeno de una molécula puede reaccionar con el H de otra mediante los llamados puentes de hidrógeno, son interacciones débiles pero con mayor energía que otras de interacciones débiles entre átomos. Una molécula de agua puede llegar a formar cuatro puentes de H con otras moléculas por lo que en el agua líquida se forma una extensa red por estos enlaces que están continuamente formándose y rompiéndose ya que la duración de estos enlaces es menor de una millonésima de segundo, Cuando el agua se congela estos enlaces se hacen permanentes y el agua toma una estructura cristalina fija que ocupa un mayor volumen que el agua líquida, por eso la densidad del hielo es menor que la del agua líquida.
· PROPIEDADES FISICO-QUÍMICAS DEL AGUA.
La presencia de los enlaces de H y la estructura dipolar del agua les confiere unas particulares propiedades físico-químicas que le han permitido a los seres vivos aparecer, sobrevivir y evolucionar en la Tierra.
1) Elevado calor de vaporización, el agua para pasar de estado líquido a gaseoso, necesita romper todos los enlaces de H y para ello necesitan gran cantidad de energía.
2) Elevado calor específico, los puentes de H liberan energía cuando se forman y la absorben cuando se rompen, como están en continua formación y destrucción los cambios de temperatura son mínimos, propiedad que convierte al agua en un buen amortiguador térmico.
3) Elevado momento dipolar, el carácter dipolar del agua explica la propiedad de ser un buen disolvente, casi universal para todo tipo de sustancias iónicas como las sales minerales y los compuestos covalentes polares como los glúcidos.
4) Elevada fuerza de cohesión-adhesión, los enlaces de H aunque están en continua destrucción y formación mantienen juntas las moléculas de agua, ello permite que su superficie presente una gran resistencia a romperse, elevada tensión superficial, convirtiéndose así en un líquido incompresible, lubricante y poco viscoso.
· FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA.
Las funciones del agua en los seres vivos están íntimamente ligadas a las propiedades descritas.
1) Función termorreguladora, el elevado calor específico del agua la convierten en un buen amortiguador térmico, impidiendo que los cambios bruscos de temperatura externa afecten a los órganos. Ayuda a mantener constante la temperatura de los animales, además el alto calor de vaporización contribuye a ello ya que el sudor enfría el cuerpo al no evaporarse.
2) Función disolvente, la naturaleza dipolar del agua la convierte en un disolvente casi universal, esto le confiere funciones importantes para el ser vivo como el transporte de sustancias de un lugar a otro y la producción de todas las reacciones químicas del metabolismo celular en medio acuoso.
3) Función estructural, la elevada fuerza de cohesión-adhesión permite que se mantenga la forma y el volumen de las células, interviene en los cambios y deformaciones del citoplasma.
4) Función mecánica, al disolver diversas sustancias a diversas concentraciones el agua produce líquidos con la viscosidad adecuada para actuar de lubricantes y amortiguadores de movimientos bruscos en articulaciones, músculos u tendones, así como para dar elasticidad y flexibilidad a los organismos.
5) Función química, la disociación iónica del agua le permite intervenir en numerosas reacciones químicas, aportando protones o iones hidroxilos al medio. También es la fuente de átomos de H en la fotosíntesis en la fase lumínica(fotólisis).
4.2 LAS SALES MINERALES.
Los organismos disponen en su composición de numerosas sales minerales unas precipitadas y otras en disolución.
· Las sales minerales sólidas, tienen una función principalmente estructural o de sostén como el carbonato cálcico forma parte del caparazón de muchas especies y endurece los huesos de vertebrados igual que el fosfato cálcico, otra función similar desempeña el sílice que impregna y endurece muchas plantas y forma el caparazón de muchos microorganismos.
· Las sales minerales disueltas aportan diferentes iones que intervienen en numerosas reacciones metabólicas, además contribuyen en la regulación de pH y el equilibrio osmótico. Entre los iones más abundantes destacamos: aniones como sulfato, bicarbonato, fosfatos, nitrato y cloruro y cationes como Na+, K+, Ca+ y Mg++.
4.2.1 REGULACIÓN DE Ph.
El pH de los fluidos de los organismos debe ser estable, el cambio brusco de pH puede suponer cambios de estructura en la biomoléculas o la alteración de reacciones químicas, para ello en las soluciones acuosas de los seres vivos están presentes los llamados sistemas tampón o amortiguadores de pH, son soluciones de ácidos débiles y sus correspondientes bases conjugadas. La adición de pequeñas cantidades de H+ o de OH- a uno de estos sistemas no produce cambio de pH en un cierto intervalo, el ácido neutraliza los OH- y la base los H+. Entre los tampones más comunes en los seres vivos vamos a destacar el tampón de bicarbonato y el de fosfato.
· El tampón bicarbonato, es común en los líquidos intercelulares y mantiene el pH a 7,4 gracias al ión bicarbonato y el ac carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua.
HCO3– ↔ H2CO3 ↔ CO2 + H2O
Si aumenta la concentración de H+ en el medio por cualquier proceso químico la reacción se desplazará a la derecha y se elimina al exterior del organismo el exceso de CO2 producido, si disminuye la concentración de H+ en el medio, el equilibrio se desplaza a la izquierda para lo que se toma CO2 del medio exterior.
· El tampón fosfato se encuentra en el líquido intracelular y mantiene el pH en torno a 6,86 debido al equilibrio entre los fosfatos dibásicos y monobásicos.
HPO4 2– + H+ ↔ H2PO4–
4.2.2 PROPIEDADES DE LAS DISPERSIONES.
Los líquidos presentes en el interior de los organismos son dispersiones de diversas sustancias en el seno del agua.
· Dispersiones moleculares o disoluciones verdaderas, las partículas dispersas son de tamaño inferior a 10-7 cm, son las formadas por sales minerales o sustancias orgánicas pequeñas como azúcares y aminoácidos.
· Dispersiones coloidales, las partículas dispersas tienen un tamaño comprendido entre 10-5 y 10-7 cm, formadas principalmente por sustancias orgánicas, como proteínas, ac nucleicos y polisacáridos. Las dispersiones coloidales concentradas se denominan geles y las diluidas soles.
Las partículas dispersas pueden provocar tres fenómenos según su movimiento en el seno del agua:
· Difusión, es el fenómeno por el cual las moléculas de un gas, un líquido o partículas disueltas tienden a distribuirse uniformemente en el agua hasta ocupar todo el espacio disponible, el efecto de la difusión es que las moléculas se mueven desde una región de mayor concentración o regiones de menos concentración, hasta que la concentración sea la misma en toda la dispersión. La difusión se produce a través de las membranas si es permeable al soluto para que pueda atravesarla, intercambio de gases y algunos nutrientes entre la célula y el entorno.
· Diálisis, es la separación de dos solutos, generalmente uno coloidal y otro molecular, a través de una membrana cuya permeabilidad solamente permite el paso de las partículas más pequeñas, en la filtración renal se eliminan del plasma sanguíneo sales y sustancias orgánicas de pequeño tamaño y se retienen las macromoléculas. La hemodiálisis intenta sustituir la filtración renal, aunque las membranas artificiales carecen del poder de difusión selectiva que gozan las membranas celulares.
· Osmosis, es el fenómeno por el cual tiende a igualarse la concentración de dos disoluciones separadas por una membrana semipermeable, es decir permite el paso de las moléculas de agua y no las del soluto, el agua pasará de la disolución diluida a la concentrada.
FENÓMENO OSMÓTICO.
La ósmosis puede generar una diferencia de contenido en agua a un lado y otro de la membrana, lo cual puede provocar una presión sobre la misma que se denomina presión osmótica. Cuando dos disoluciones están separadas por una membrana semipermeable se dice que es hipertónica la más concentrada , se denomina hipotónica la más diluida pues genera más presión sobre la membrana, si ambas disoluciones tienen la misma concentración se denominan isotónicas ambasgeneran la misma presión sobre la membrana . Las membranas celulares actúa como semipermeable por ello el fenómeno de ósmosis puede provoca intercambios de agua entre el interior y exterior de la célula.
a) Si el medio externo es hipertónico el agua saldrá de la célula y perderá volumen, en el caso de células vegetales las vacuolas y el citoplasma se contraen separándose de la rígida pared celular produciéndose la denominada plasmólisis, una pérdida excesiva de agua en cualquier célula puede provocar la muerte celular.
b) Si el medio externo es hipotónico, el agua tenderá a entrar en la célula y esta se hinchará en las células vegetales se denomina turgencia, la pared celular es algo flexible pero cuando llega al límite ejerce una presión que impide la entrada de más agua, las células animales como carecen de pared pueden reventar.
c) Si el medio externo es isotónico el agua entra y sale de la célula en la misma cantidad.
Los fenómenos osmóticos explican muchas propiedades de los seres vivos,
· Las raíces absorben agua cuando las disoluciones del suelo son hipotónicas respecto a las células de la planta, en caso contrario el agua sale de la planta y se seca.
· El crecimiento rápido de la planta se debe en gran medida a la turgencia que provoca en sus células la entrada de agua.
· Los protozoos de agua dulce tienen una vacuola contráctil para bombear continuamente el exceso de agua que absorben por ósmosis.
· Las inyecciones intravenosas han de tener la misma presión osmótica que el plasma sanguíneo, si fuese más diluida puede provocar la rotura de las células sanguíneas.
5. BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS.
5.1 LOS GLÚCIDOS.
Son moléculas orgánicas formadas básicamente por C, H y O que generalmente tienen la formula empírica Cn (H2O), de ahí su nombre de hidratos de carbono o carbohidratos, nombre erróneo ya que no son moléculas de agua y C sino polialcoholes con un grupo aldehído o cetona, por tanto son átomos de carbono unidos a grupos hidroxilos (-OH) donde siempre hay un grupo carbonilo, aldehído (-COH) o carboxilo (-C=O). El término de glúcido no es tampoco correcto, viene del griego glycos que significa dulce y no todos poseen ese sabor.
Según el número de unidades moleculares que poseen se clasifican en: monosacóridos, solo tienen un grupo carbonilo en su estructura y suelen tener de tres a doce átomos de carbono. Disacáridos, formados por la unión de dos monosacáridos. Oligosacáridos, formados generalmente por la unión de tres a quince monosacáridos y polisacáridos, formados por más de quince monosacáridos.
6.1.1 MONOSACÁRIDOS.
Químicamente están formados por una cadena de polialcoholes con un grupo carbonilo.
Son dulces, solubles en agua y forman cristales blancos que con el calor pueden caramelizarse. Los monosacáridos según sean aldehídos o cetonas pueden reducir el Cu2+, propiedad que se usa para su reconocimiento químico( prueba de Felling). Su principal función es energética aunque algunos de ellos forman parte de diversas moléculas como ac nucleicos, ATP…que realizan otras funciones.
ESTRUCTURA DE LOS MONOSACÁRIDOS.
Se nombran añadiendo el sufijo –osa al prefijo que indica el número de C, los más importantes y abundantes son las triosas, pentosas y hexosas. Los monosacáridos que tienen un grupo aldehído siempre en el C1 se les denominan aldosas y los que tienen un grupo cetónico siempre en el C2 cetosas. Ambas nomenclaturas se combinan ej aldopentosas, cetopentosas…La mayoría presentan carbonos asimétricos, lo que determina un tipo de isomería espacial o estereoisomería, los estereoisómeros tienen la misma composición empírica pero diferente colocación de los átomos en el espacio y son ópticamente activos. El monosacárido más simple con estereoisomería es el gliceraldehido que solo tiene un C asimétrico.
Al cambiar la posición del grupo OH del C asimétrico, se observan dos isómeros espaciales cuyas estructuras es imagen especular la una de la otra, el compuesto con el OH a la derecha será el D-gliceraldehido y a la izquierda el L-gliceraldehido, estos dos compuestos serán enantiómeros o enantiomorfos y solo difieren entre sí por su estructura espacial y su comportamiento ante la luz polarizada. Cuando un rayo de luz pasa a través de un enantiómero, el plano de polarización gira, es más los enentiómeros separados hacen girar el plano de luz polarizada en cantidades iguales pero en direcciones opuestas.
Los compuestos que desvían el plano de luz a la derecha se denominan dextrógiros(+) y los que las desvían a la izquierda levógiros(-). La mayoría de los monosacáridos tienen más de un C asimétrico, si tiene n C asimétricos el número de estereoisómeros será 2n.
En la naturaleza los más frecuentes son de la serie D. Los enzimas pueden diferenciar los distintos estereoisómero, hecho de gran importancia biológica.
FORMAS CÍCLICAS. Las cadenas de C no son rígidas, sufre muchos giros y uno de ellos puede formar un hemicetal que cicla la cadena. Los anillos de cinco lados se denominan furanósidos por su semejanza al furano y los de seis piranósicos por su parecido al pirano, de ahí la denominación fructofuranosa y glucopiranosa.
Al formarse el ciclo aparece en los monosacáridos un nuevo C asimétrico, el que tenía el grupo carbonilo, se denomina C anomérico, apareciendo dos nuevos estereoisómeros que se llaman anómeros,
Y se denomina alfa o beta según el OH esté arriba o abajo, en solución acuosa las formas alfa y beta estás continuamente interconvirtiendose a través del paso intermedio que es la forma lineal, presente en un 1%. Las estructuras ilustradas se denominan proyecciones de Haworth.
MONOSACÁRIDOS DE INTERÉS BIOLÓGICO.
Entre las triosas destacan el D-gliceraldehido y la dihidroxiacetona, que no se encuentran libres en grandes cantidades en la naturaleza, son importantes intermediarios en el metabolismo energético celular.
Entre las pentosas cabe destacar la D-ribosa que forman parte de moléculas importantes como el ATP, el NAD+ y el ac ribonucleico. La D-ribulosa interviene en la fijación del CO2 en la fotosíntesis. Tampoco las pentosas se hayan libres en grandes cantidades en la naturaleza.
Entre las hexosas destacamos dos que se encuentran libres en la naturaleza en cantidades importantes: la D-glucosa y la D-fructosa, confieren el sabor dulce a numerosas frutas, forman parte de importantes disacáridos y polisacáridos. También actúan como intermediarios en el metabolismo energético celular, y en concreto la D-glucosa constituye el azúcar más extendido en la naturaleza y el que más utiliza los organismos como fuente energética. Destacamos la D-galactosa que forma parte del disacárido lactosa.
6.1.2 DISACÁRIDOS.
Están formados por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace O-glucosídico. El grupo alcohol de un monosacárido reacciona con el grupo alcohol de otro y se desprende una molécula de agua.
R-OH + HO-R´ → R-O-R´ + H2O
Los disacáridos mantienen las propiedades de los monosacáridos, son dulces, solubles en agua y forman cristales blancos que se caramelizan con el calor. Pueden hidrolizarse dando lugar a los monosacáridos constituyentes con la adición de una molécula de agua, en medio ácido en caliente o por enzimas.
PRINCIPALES DISACÁRIDOS.
Sacarosa: es el azúcar común. Se obtiene de la caña de azúcar o de la remolacha, también presente en muchas frutas y néctar de muchas flores. Se forma por la unión de ᾱ-D-glucosa y ᵝ-D- fructosa, mediante un enlace (1,2). No es reductora y se usa para edulcorar bebidas y alimentos. La sacarosa es dextrógira pero al hidrolizarse prevalece el carácter levógiro de la fructosa, se llama azúcar invertido como la miel.
Maltosa: azúcar de malta, cebada germinada. Aparece cuando se descomponen el almidón y el glucógeno. La cebada germinada artificialmente se usa para la fabricación de cervezas y whisky y para obtener malta sustituto del café. Está formado por la unión de dos alfa- D-glucosa mediante un enlace(1,4) al quedar libre el C1 de la segunda posee carácter reductor, puede pasar a forma lineal liberando el grupo aldehído.
Isomaltosa: aparece por descomposición del glucógeno y almidón, formado por dos moléculas de alfa-D-glucosa mediante enlace O-glucosídico (1,6)
Lactosa: es el azúcar de la leche, formada por beta-D-galactosa y D-glucosa, presenta libre el C anomérico por lo que presenta carácter reductor.
Celobiosa: no existe libre, aparece por descomposición de la celulosa, formada por dos moléculas de beta-D-glucosa unidas por enlace (1,4).
6.1.3 OLIGOSACARIDOS.
Están formados por monosacáridos generalmente entre 3 y 15 mediante enlaces O-glucosídico, hay mucha diversidad, pueden variar el número y tipo de monosacáridos, las ramificaciones etc. Al estudiar los disacáridos, hemos visto que, una misma hexosa puede dar varios disacáridos distintos, según el tipo de enlace con todas sus combinaciones, podemos obtener de la glucosa 64 disacáridos distintos, si formamos trisacáridos obtendríamos más de mil, a medida que aumentamos el número de monosacáridos y disacáridos las posibilidades de combinación son enormes. Esta diversidad dota a los oligosacáridos de su función más importante que es la capacidad de almacenar información, formando los glucolípidos y glucoproteínas de la membrana plasmática, actuando como receptores específicos. Algunos antibióticos como la neomicina y estreptomicina así como algunos agentes antitumorales son oligosacáridos.
6.1.4 POLISACÁRIDOS.
Es la unión de cientos o miles monosacáridos, dando moléculas de gran tamaño y pesos moleculares elevados. No son dulces, ni cristalizan, ni son solubles en agua, aunque algunos como el almidón forma dispersiones coloidales. Generalmente desempeñan función energética o estructural. Se distinguen dos grandes grupos, los homopolisacáridos como el almidón, el glucógeno, celulosa, quitina y pectina formados por el mismo monosacárido y los heteropolisacáridos formados por más de un tipo de monosacárido como la hemicelulosa, agar-agar y mucopolisacáridos. Los seres vivos tienden a acumular la glucosa en forma de polisacáridos evitando la presión osmótica que supondría millones de moléculas disueltas en el medio.
HOMOPOLISACÁRIDOS.
· ALMIDÓN. Principal reserva de las plantas, es la mezcla de dos polisacáridos, la amilosa y la amilopeptina, la amilosa es un polímero de alfa-D-glucosa unidas por enlace (1,4),toma una forma helicoidal irregular y la amilopeptina a diferencia de la anterior presenta una ramificación cada 24 o 30 glucosas enlace (1,6). Para la digestión del almidón se necesitan dos enzimas la alfa amilasa que rompe enlaces (1,4) y la alfadextrinasas que rompe los (1,6). Durante esta digestión van apareciendo dextrinas, maltosa, isomaltosa y glucosa quedando finalmente la glucosa.
· GLUCÓGENO. Principal reserva de los animales, se almacena en las células musculares y hepáticas. Su estructura es similar a la amilopeptina pero con más ramificaciones debido a que aparecen cada 8 o 10 moléculas de glucosa, para la digestión del glucógeno necesitamos también dos enzimas específicas.
· CELULOSA. estructural y de sostén, el principal componente de las paredes celulares vegetales. Está formada por unos 15000 monómeros de D-glucosa unidas por enlaces beta(1,4) cadenas lineales. Este enlace da a la celulosa mucha resistencia importante en las funciones que realiza. Mediante rayos X se observa que cada fibra de celulosa está formada por muchas cadenas del polímero colocadas paralelamente y unidas por enlaces de H, estos enlaces le confieren resistencia a la rotura y la insolubilidad en agua a pesar de ser hidrófilas. La mayoría de los animales no pueden digerir la celulosa por falta de enzimas necesarias para romper sus enlaces, los herbívoros tienen en su tubo digestivo bacterias o protozoos que poseen la enzima celulasa, aún así es lento.
· QUITINA. Presente en el exoesqueleto de los artrópodos y en la pared celular de muchos hongos, su estructura es similar a la celulosa con fibras unidas por enlaces de H.
· PECTINAS. Contribuyen en la formación de la pared celular de vegetales. Es un polímero de un derivado de la galactosa y su capacidad gelificante lo hace idóneo para la fabricación de productos alimenticios como la mermelada.
HETEROPOLISACÁRIDOS.
· HEMICELULOSA. Forma parte de la pared celular.
· AGAR-AGAR. Presente en las algas rojas, es muy indigerible. Se usa como medio de cultivo de microorganismos y en la industria alimentaria como espesante.
· GOMAS VEGETALES. Son exudados vegetales viscosos al secarse son cristalinas, translúcidas y quebradizas que disueltas en agua sirven de pegamento.
· MUCOPOLISACÁRIDOS. Tienen en su estructura monosacáridos modificados que generan gran viscosidad. Es la sustancia básica intercelular del tejido conjuntivo de animales dando viscosidad y elasticidad, ac hialurónico, condroitina o heparina.
5.2 LOS LÍPIDOS.
Son biomoléculas formadas principalmente por C, O, e H, aunque los más complejos poseen S, P y N. Desde el punto de vista químico son muy heterogéneos, pero tienen en común algunas propiedades, son insolubles en agua, soluble en disolventes orgánicos (no polares) y son poco densos. Están presentes en todos los organismos en proporción variable de unos a otros e incluso entre los distintos tejidos del mismo organismo.
Se pueden clasificar de muchas formas pero tomaremos la siguiente clasificación.
1) ACIDOS GRASOS, saturados o insaturados.
2) SIMPLES CON ACIDOS GRASOS. (saponificables), triacilglicéridos y ceras.
3) COMPLEJOS CON ACIDOS GRASOS. (saponificables), fosfoglicéridos y esfingolípidos.
4) LIPIDOS SIN ACIDOS GRASOS. (insaponificables), esteroides e isoprenoides.
5.2.1 ACIDOS GRASOS.
Son los componentes de la mayoría de los lípidos, rara vez aparecen libres en la célula, son ac carboxílicos de cadena larga que suelen tener un número par de átomos de C, entre 12 y 24 los más abundantes tienen 16 o 18. Las cadenas de los ac grasos pueden ser saturadas o que no tienen dobles enlaces e insaturadas cuando si los tiene. En los saturados las cadenas hidrocarbonadas son lineales y en los insaturados donde hay doble enlace se producen cambios de dirección. Todas las cadenas de los ac grasos forman enlaces débiles de Van der Waals entre los grupos –CH2. Las propiedades físicas dependen de la longitud de la cadena y del grado de insaturación , las más importantes son;
· Punto de fusión, aumenta con la longitud de las cadenas, y disminuye con las insaturaciones, los codos que forman los dobles enlaces impiden la formación de enlaces débiles entre cadenas.
· Solubilidad, son anfipáticos, tienen una parte hidrofílica, el grupo carboxilo, sería una especie de cabeza polar y una parte hidrófoba o cola apolar formada por la cadena hidrocarbonada, la gran longitud de estas es lo que hace que sean insolubles en agua y solubles en disolventes orgánicos, este carácter anfipático les confiere la capacidad de formar micelas.
5.2.2 LÍPIDOS SIMPLES CON ACIDOS GRASOS.
Triacilglicéridos, también llamados triacilgliceroles, grasa o grasas neutras. Están formados por tres ácidos grasos unidos mediante enlace éster con el glicerol.
Si los tres ac grasos son iguales se denominan triacilglicéridos simples y cuando son diferentes reciben el nombre de mixtos. La mezcla de simples y mixtos se denominan grasas naturales, a temperatura
ambiente pueden ser sólidas como los sebos y tocinos de los animales o líquidas como los aceites vegetales, estos últimos son más ricos en ac grasos insaturados que las grasas animales.
Los grupos polares del glicerol –OH y los de los ac grasos –COOH, están unidos mediante enlace éster, dan lugar a moléculas apolares e insolubles en agua, tienen también baja densidad.
Los triacilglicéridos pueden sufrir hidrólisis química o enzimática.
La hidrólisis química que se lleva a cabo mediante tratamiento con álcalis, dando como producto el glicerol y las sales potásicas o sódicas de los ácidos grasos conocidas como jabones, esta reacción será la de saponificación, del latín saponis= jabón.
La hidrólisis enzimática se realiza en el tracto digestivo de animales para digerir las grasas, mediante las lipasas.
Los triacilglicéridos desempeñan dos importantes funciones.
a) Principal reserva energética de los animales, poseen gran valor energético, es importante para los animales porque acumulan gran cantidad de energía con el mínimo peso.
b) Aislamiento térmico y físico, las grasas depositadas debajo de la piel le proporciona a los animales aislamiento ante Tª bajas, las dispuestas alrededor de los órganos delicados actúan como protección.
· Ceras. Son ésteres de ac grasos de cadena larga con alcoholes también de cadenas largas. En general son sólidas, poseen punto de fusión de 60º-100ºC e hidrófobas. Su impermeabilidad al agua y su consistencia les confiere una serie de propiedades, las plumas, pelos y la piel estáncubiertos por una capa de cera que los mantiene flexibles, lubricados e impermeables la cubierta cerosa de frutos y hojas impiden la pérdida de agua y los protege, las más conocidas son las que segregan las abejas, el cerumen del conducto auditivo etc.
5.2.3 LIPIDOS COMPLEJOS CON ACIDOS GRASOS.
· Fosfoglicéridos, principales componentes lipídicos de las membranas biológicas, llamados también fosfolípidos. El más sencillo es el ac fosfatídico formado por glicerol, dos ac grasos y el ac fosfórico. Los demás tienen un compuesto polar, al menos un grupo amino o alcohólico unido a un
acido fosfotídico, los más importantes son la fosfatidilcolina o lecitina, presente en el huevo y tejido nervioso, tiene como parte polar la colina, la fosfatidiletanolamina o cefalina presente en el cerebro y su parte polar es la etanolamina y la fosfatidilserina posee como compuesto polar la serina. Los fosfoglicéridos son por tanto anfipáticos con una parte polar formada por el fosfato y el componente polar y otra apolar formada por el glicerol y los ac grasos.
En medio acuoso forman espontáneamente bicapas que tienden a cerrarse sobre sí mismas así como la capacidad de autosellarse.
· Esfingolípidos, son también constituyentes de la membrana celular y abundan en el tejido nervioso. Están formados por tres componentes básicos, un aminoalcohol de cadena larga, la esfingosina, un ac graso y un grupo de cabeza polar. La unión del ac graso con la esfingosina da lugar a la ceramida, unidad estructural de todos los esfingolípidos.
– Esfingomielinas, ceramidas que tienen como grupo polar la fosfocolina, se encuentran en bastante cantidad en las vainas de mielina que aíslan los axones de las neuronas.
– Glicolípidos, ceramidas que tienen como grupo polar un glúcido, si son monosacáridos se forman los cerebrósidos y si es un oligosacárido los gangliósidos.
En general los esfingolípidos son similares a los fosfoglicéridos tanto estructural como funcionalmente, son anfipáticos y también forman bicapas en medio acuoso.
5.2.4 LÍPIDOS SIN ACIDOS GRASOS.
· Esteroides, son derivados de un hidrocarburo tetracíclico el esterano y se diferencian entre sí por el tipo y localización de sus grupos funcionales y por la presencia de dobles enlaces en los anillos. Un grupo importante de los esteroides son los esteroles, se caracterizan por tener un grupo OH en el C3 y una cadena hidrocarbonada en el C17. Destaca entre ellos el colesterol que se encuentra en las membranas y unidos a proteínas en el plasma sanguíneo. En los animales el colesterol es el precursor de otros esteroides, entre ellos los ác biliares, la vitD , la testosterona, el estradiol, progesterona, cortisol y aldosterona.
· Isoprenoides, son polímeros del isopreno, pueden ser lineales, cíclicas o ambos tipos, también son llamados terpenos y según el número de isoprenos que constituyen el polímero se clasifican en:
ISOPRENO
a) Monoterpenos, contienen dos unidades de isopreno, poseen olores y sabores característicos y son componentes de los aceites esenciales de muchas plantas como el mentol de la menta.
b) Diterpenos, formados por cuatro unidades de isopreno, destacan la vit A,D y K y el fitol componente de la clorofila.
c) Triterpenos, seis unidades de isopreno destaca el escualeno precursor del colesterol.
d) Tetraterpenos o carotenoides, ocho unidades de isopreno, los más importantes son las xantofila y los carotenos.
e) Politerpenos, muchas unidades de isopreno entre ellos el caucho natural.
· Prostaglandinas, son derivados de ac grasos poliinsaturados, aunque se descubrieron en la próstata aparecen en casi todos los tejidos, modulan la activación hormonal u provocan la contracción uterina, la agregación plaquetaria, la inflamación, el descenso de la presión arterial y producción de mucus gástrico.
6. BIOSÍNTESIS DE GLÚCIDOS Y LÍPIDOS.
El anabolismo celular consiste en fabricar macromoléculas a partir de moléculas sencillas, la diferencia entre células radica en el modo de obtención de dichas moléculas sencillas de partida, las foto y quimisintéticas las obtienen del ciclo de Calvin y los procesos de degradación catabólica, las heterótrofas las obtienen del catabolismo celular, estas moléculas son comunes independientemente de la forma de obtención, por ello el proceso de formación de macromoléculas es similar en células autótrofas y heterótrofas. Para casi todas las reacciones se usa el ATP como fuente de energía, la célula utiliza el 10% de su energía para formar lípidos y el 5% en la síntesis de glúcidos. La mayoría de reacciones de síntesis de lípidos y glúcidos se llevan a cabo en el hialoplasma con alguna excepción como la biosíntesis de fosfolipidos, colesterol y derivados que se realizan en el retículo y la glicosilación de lípidos y proteinas en el retículo y apto de Golgi.
6.1 BIOSÍNTESIS DE GLÚCIDOS.
La obtención de polisacáridos se sucede en dos pasos:
a) Obtención de la glucosa, existen dos procesos uno general para todas las células que es la GLUCONEOGÉNESIS y otro que sucede solo en las autótrofas que es el ciclo de Calvin. La gluconeogénesis parte del ac pirúvico para obtener glucosa-6-P mediante reacciones enzimáticas inversas a la glucolisis con algunas excepciones dado que la glucólisis tiene pasos que son irreversibles.
Ac Pirúvico+ATP+CO2 (carboxilasa, ADP)→ Ac Oxalacético+ NADH (NAD+) →Ac Málico → Ac. Oxalacético + GTP (carboxiquinasa)→GDP + fosfoenolpirúvico+CO2→Glucosa-6-P
1) Ac Pirúvico→Oxalacético, en las mitocondria porque las enzimas necesarias están allí.
2) Oxalacético→Málico→Oxalacético, el oxalacético no puede salir de la mitocondria, el málico sale y vuelve a formarse el oxalacético en el hialoplasma.
3) Oxalacético→Fosfoenolpirúvico conb la participación de la carboquinasa.
4) Glucosa-6-P, por vía inversa a la glucólisis.
b) Obtención de polímeros de glucosa u otras hexosas, partiendo de la glucosa-6-P se pueden formar polímeros como el glucógeno, almidón y otros monosacáridos como ribosas y desoxiribosas.La formación de glucógeno se denomina GLUCOGENOGÉNESIS.
Glucosa-6-P(mutasa) → Glucosa-1-P + UTP →UDP-Glucosa + Glucógeno +2Pi (sintetasa)→ Glucosa-Glucogeno.
El UTP actúa como activador de la glucosa facilitando la unión al glucógeno, en vegetales la biosíntesis de almidón es igual pero actúa como activador el ATP.
GLUCÓGENO→GLUCOSA es la glucogenólisis, la reacción invertida es la gluconeogénesis.
GLUCOSA→AC. PIRÚVICA es la glucólisis, la reacción inversa seria la gluconeogénesis.
6.2 BIOSÍNTESIS DE LÍPIDOS.
La biosíntesis de los triglicéridos en el hialoplasma necesita varios pasos:
a) Síntesis de ácidos grasos, parte del Acetil-CoA de origen mitocondrial, este debe unirse al oxalacético formando el acido cítrico para atravesar la membrana mitocondrial, una vez en el hialoplasma se separa el oxalacético. La formación de ac grasos requiere la presencia del malonil-CoA que se obtiene a partir del Acetil-CoA mediante reacción enzimática.
El Malonil-CoA (3C) y el Acetil-CoA(2C), originan una molécula de 4C con desprendimiento de CO2, la unión de sucesivas moléculas de Malonil-CoA agrega a la molécula naciente dos átomos de C cada vez, formando largas cadenas con número par de C activadas (Acil-CoA). Este proceso sigue la vía de la hélice de Lynen pero en sentino inverso.
b) Obtención de glicerina, parte de la dihidroxiacetona-3-fosfato, obteniendo la forma activada glicerol-3-fosfato.
c) Formación de triacilglicéridos, requiere la presencia de la forma activadas de sus componentes, el glicerol-3-fosfato y Acil-CoA graso.
8 .CONCLUSIÓN.
Para estudiar la materia en general, se debe empezar por el estudio de lo que la compone, en la materia viva toma mayor relevancia su composición desde lo más elemental hasta las macromoléculas ya que su estudio revela infinita información de las funciones celulares y en definitivas de los organismos. Se parte de los elementos químicos que forma la materia viva para luego estudiar como estos se combinan con la finalidad de formar macromoléculas vitales. Hay que diferenciar entre principios inmediatos inorgánicas y orgánicas, las inorgánicas serian las sales minerales y el agua piezas fundamentales en la vida ya que“ la vida es agua´´ y su asociación con las sales minerales disueltas, forman el medio idóneo para las funciones vitales y reacciones metabólicas en su conjunto entre otras funciones, las sales minerales, también pueden aparecer precipitadas formando las estructuras sólidas de los organismos, las orgánicas son las que los propios organismos pueden fabricar, en este tema se tratan los glúcidos y los lípidos, son biomoléculas fundamentales para el desarrollo de la vida, su gran diversidad en ambos casos revela la multitud de moléculas diferentes que poseen los seres vivos así como la infinidad de funciones que realizan. Para terminar hemos abordado la biosíntesis de lípidos y glúcidos, revelando con ello, las numerosas reacciones que se llevan a cabo en la célula teniendo en cuenta que no son las únicas reacciones que estas desarrollan ni las únicas biomoléculas que fabrican.
9.BIBLIOGRAFÍA.
*TEMARIO.COM *LIBRO DE TEXTO C.O.U ED. ANAYA. *MONOGRAFIAS. COM
*LIBRO DE TEXO,2º DE BACHILLERATO ED. ECIR. *TEMARIO OPOSICIONES MAD.