Download principios de biología humana - Pontificia Universidad Católica de

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Facultad de Ciencias
Laboratorio de Antropología Física y Anatomía Humana
Prof. Atilio Aldo Almagià Flores - Prof. M.Sc. Pablo Lizana Arce
PRINCIPIOS DE
BIOLOGÍA HUMANA
Unidad 1: “Estructura y Función Biomoléculas”
Texto Guía del Curso Biología General para Óptica Pontificia Universidad Católica de
Valparaíso. Edición Primer Semestre 2010
“La mayoría de la imageneología utilizada en las guías y módulos, están tomados y modificados de los textos recomendados
para la asignatura y solamente tienen un objetivo docente y bajo ninguna circunstancia lucrativo”
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Características de los Seres Vivos
La biología es una rama de las Ciencias Naturales que estudia las leyes de la vida.
Estudia a los organismos en su forma; morfología; en funciones, fisiología; factores
hereditarios, genética; su clasificación, taxonomía; fósiles, paleontología; abarca la
estructura general de los cuerpos, anatomía; la estructura de las células; citología; de los
tejidos humanos y animales, histología, de las plantas en general, la botánica; y de los
animales, zoología.
La unión entre la biología y la química forman la bioquímica, la cual estudia los seres
vivientes a nivel molecular y contribuye al estudio de las transformaciones y
aprovechamiento de las materias orgánicas e inorgánicas que estos realizan.
En la unión de la biología con la física obtenemos la biofísica que aplica los métodos y
fundamentos físicos y el análisis de la morfofunción de los seres vivos, tales como los
fenómenos eléctricos que acompañan al funcionamiento de los nervios y músculos sobre
la mecánica de la visión.
Los seres vivos se rigen molecularmente por las leyes físico-químicas, pero las
extraordinarias propiedades de estos dificultan definir el concepto de Vida. Durante la
Edad Media, la doctrina Vitalista explicaban tales propiedades por medio de una “fuerza
vital”, misteriosa y divina. La ciencia actual define la vida de forma indirecta, explicando
los procesos vitales más importantes que ocurren en los seres vivos y que los distinguen
del medio inanimado. Así, se considera ser vivo aquello que cumpla los 3 pasos
siguientes:
a) Reproducción: es la capacidad de los seres vivos para generar a otros similares a sus
progenitores. Esta función es importante ya que la duración de la vida de los organismos
es limitada; y por la necesidad que ésta tiene de perpetuarse en el tiempo. Dicha función
está almacenada en la información genética, en secuencias de unidades básicas
correspondientes a una o varias moléculas de ácidos nucleicos, principalmente de ADN.
b) Nutrición: es la capacidad de los seres vivos para extraer y transformar la energía del
medio, construyendo y manteniendo con ella sus propias estructuras y realizando sus
funciones vitales. Este proceso implica un crecimiento y un desarrollo y requiere dos fases
que constituyen el concepto de metabolismo: una etapa llamada anabolismo en las que el
ser vivo incorpora sustancias con las que construye sus propias moléculas, y otra llamada
catabolismo en que se destruyen parte de los productos obtenidos en la fase anterior
utilizando la energía liberada para mantener las funciones vitales.
c) Relación o sensibilidad: permite a los seres vivos recibir estímulos y reaccionar frente
a ellos. Es muy importante porque facilita la realización de las funciones anteriores.
Estos tres procesos pueden observarse sin dificultad en bacterias, plantas y animales. En
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los virus en cambio, como no poseen metabolismo propio y necesitan de otro ser vivo
para reproducirse, se les considera entre la frontera de lo vivo y lo no vivo, a pesar que las
moléculas que encierran en su interior poseen la información necesaria para obtener
copias de sí mismos.
Las características de los seres
organización con diversos grados
simple unión de sus moléculas.
mencionar que la correspondencia
establecer.
vivos permiten la existencia de varios niveles de
de complejidad estructural que van más allá de la
Su estudio se divide en 5 grandes grupos. Cabe
entre nivel y ser vivo es, en muchos casos, difícil de
• Nivel molecular: las partículas subatómicas (neutrones, protones y electrones) forman
los átomos. La unión de dos o más átomos mediante enlaces químicos forma las
moléculas que son la parte más pequeña de una sustancia que conserva sus
propiedades. Las moléculas que forman parte de los seres vivos son las biomoléculas (ej.
aminoácidos). Las macromoléculas son el resultado de la unión de distintas moléculas (ej.
proteínas, formadas por la unión de miles de aminoácidos). La unión de varias
macromoléculas da lugar a las asociaciones macromoleculares (ej.1: complejos
multienzimáticos, formados por la unión de varios enzimas, es decir, un tipo particular de
proteínas; ej.2: membranas celulares, formadas por la unión de proteínas y fosfolípidos).
Estas asociaciones macromoleculares se asocian para formar los orgánulos celulares (ej.
mitocondrias y cloroplastos, formados ambos por dobles membranas celulares y
complejos multienzimáticos, entre otras cosas). Este de organización también se
denomina nivel abiótico, porque engloba sólo materia inanimada. Ningún ser vivo
pertenece a este nivel. Excepcionalmente algunos autores incluyen en él a los virus bajo
la consideración de que son complejos supramoleculares (en realidad están compuestos
únicamente por proteínas y una molécula de ácido nucleico de un solo tipo). Los otros 4
niveles son bióticos ya que contienen a los seres vivos.
• Nivel celular: una agregación compleja de distintos orgánulos forma una célula. A este
nivel pertenecen todas las células, ya sean procarióticas o eucarióticas.
• Nivel orgánico: las células que poseen existencia propia independiente y las que se
agrupan con otras células forman los organismos, en el primer caso son unicelulares y en
el segundo son pluricelulares. En estos últimos existe una división del trabajo entre las
células que lo forman y una diferenciación celular. Esto da lugar a la formación de tejidos,
éstos se reúnen para formar órganos y un conjunto de varios órganos que actúen de
forma coordinada para desempeñar una determinada función forman un aparato.
• Nivel de población: los seres vivos no viven aislados sino que se relacionan entre ellos.
Esto trae consigo la aparición de un nivel superior de organización dentro de la materia
viva que es el de población (conjunto de individuos de la misma especie que viven en la
misma zona geográfica en un determinado período de tiempo).
• Nivel de ecosistema: las distintas poblaciones que habitan en una misma zona forman
una comunidad o biocenosis. Las condiciones y características de esa zona forman un
biotopo. La biocenosis, el biotopo y su interrelación forman un ecosistema. Los factores
climáticos delimitan zonas de vegetación similar que a su vez condicionan la existencia de
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una fauna concreta, repitiéndose dichas zonas en áreas muy extensas de la Tierra que
reciben el nombre de biomas. El conjunto de biomas forma el nivel de organización más
amplio, la Biosfera, capa terrestre habitada por seres vivos.
Los Cinco Reinos Vivos
Hasta hace poco tiempo, los seres vivos se dividían en dos principales grupos llamados
reino Animalia y reino Plantae, también conocidos como animal y vegetal. El modelo
actual más utilizado es el de los cinco reinos que divide a los organismos en cinco
principales grupos: Monera, Protista, Fungi, Animalia y Plantae. La primera diferencia que
se puede apreciar se refiere al tipo de célula de que están formados los organismos, es
decir, si tienen células sin núcleo o con núcleo y organelos. Al primer tipo, llamado
procarionte pertenecen las bacterias y al segundo, llamado eucarionte el resto de los
seres vivos del planeta.
1. Reino Monera: Todas las bacterias pertenecen a este reino. Son organismos
microscópicos formados por una sola célula que no tiene núcleo ni organelos delimitados
por membranas. Fueron, probablemente, los únicos habitantes de la Tierra durante cerca
de 3000 millones de años. A este reino pertenecen las algas verde azuladas.
2. Reino Protista: En este reino se incluyen organismos formados por una sola célula
(unicelulares) algunos de los cuales pueden ser coloniales. Sus células son eucariotas, o
sea que poseen un núcleo y organelos rodeados de membrana. Algunos elaboran su
propio alimento (autótrofos) y otros lo toman ya hecho (heterótrofos). A este grupo
pertenecen los protozoarios como las amebas así como también las algas unicelulares.
3. Reino Fungi: Los hongos poseen células eucariotas con pared celular. La mayoría son
organismos multicelulares. No pueden hacer su propio alimento no son fotosintéticos por
lo que lo absorben liberando enzimas digestivas sobre él. Algunos son saprofitos
desintegradores y otros son parásitos. Su cuerpo está formado por hifas que constituyen
los micelios que se infiltran al sustrato del que se nutren. Las levaduras, los mohos y los
hongos comestibles son algunos ejemplos.
4. Reino Plantae: Las plantas son organismos multicelulares eucariotas y fotosintéticos.
Son productores primarios de materia orgánica. Sus células presentan una pared celular.
En este reino encontramos a todos los vegetales ya sean no vasculares musgos o
vasculares, sin semillas helechos o con semillas y sin flores gimnospermas o con flores
angiospermas.
5. Reino Animalia: Los animales son organismos multicelulares eucariotas heterótrofos,
o sea, consumidores. Sus células no presentan pared celular y son muy sensibles a los
estímulos del medio ambiente. La mayoría de los organismos de este reino pueden
desplazarse de un lugar a otro en algún periodo de su ciclo de vida. Todos los animales,
como por ejemplo perros, estrellas de mar, corales e insectos, pertenecen a este reino.
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Estimado estudiante,
Detente a desarrollar las siguientes preguntas de repaso que te ayudarán a
vuestro estudio:
I) Define ser vivo (para ello apóyate del texto “El árbol del conocimiento”)
II) Enumera por lo menos cinco características de los seres vivos y explica cada
una de ellas.
III) Realiza una tabla para clasificar los diferentes grupos de organismos.
IV) Partiendo de la célula, explica cada nivel de organización de la materia hasta
llegar al individuo.
V) Dentro de las características de los seres vivos se encuentra la capacidad de
homeostasis. ¿Cómo podrías definirla?.
VI) Qué es evolución y cuales son los principios que lo sustentan.
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Átomos, Moléculas y Bioelementos
Estructura y Comportamiento de los átomos
Toda materia está compuesta de elementos. Ejemplos de elementos son hidrogeno,
oxigeno y carbono. Cada elemento está compuesto de átomos del mismo tipo. Los
átomos están compuestos de partículas subatómicas que incluyen protones, electrones y
neutrones. Estas partículas tienes cargas positivas, negativas y neutras respectivamente.
Los protones y neutrones se ubican en el núcleo del átomo, y los electrones ocupan
anillos concéntricos alrededor del núcleo, similares a las órbitas planetarias alrededor del
sol. Los átomos son eléctricamente neutros, es decir, tienen igual número de electrones y
protones, excepto cuando ellos existen en forma de iones. Cada protón y neutrón pesan
aproximadamente 1 unidad de masa atómica, y los electrones tienen una masa
incalculable. La masa atómica de un elemento puede ser calculada por adición conjunta
del número de protones y número de neutrones. Las unidades de la materia son los
átomos. Cada elemento está formado por átomos del mismo tipo, los cuales son
diferentes a los átomos de cualquier otro elemento. El átomo se simboliza con la letra del
elemento al cual forma; por ejemplo, C es el elemento carbono y un átomo de carbono
simple.
Enlaces
Mientras que sólo hay alrededor de 118 elementos catalogados en la tabla periódica,
obviamente hay más substancias en la naturaleza que los 118 elementos puros. Esto es
porque los átomos pueden reaccionar unos con otros para formar nuevas substancias
denominadas compuestos. Un compuesto se forma cuando dos o más átomos se enlazan
químicamente. El compuesto que resulta de este enlace es químicamente y físicamente
único y diferente de sus átomos originarios.
Miremos un ejemplo. El elemento sodio es un metal de color plateado que reacciona tan
violentamente con el agua que produce llamas cuando el sodio se moja. El elemento cloro
es un gas de color verdoso que es tan venenoso que fue usado como un arma en la
Primera Guerra Mundial. Cuando estos químicos se enlazan, estas dos peligrosas
substancias forman un compuesto, el cloruro de sodio. ¡Este es un compuesto tan
inofensivo que no comemos todos los días - la sal de mesa común!
En 1916, el químico americano Gilbert Newton Lewis propuso que los enlaces químicos
se formaban entre los átomos porque los electrones de los átomos interactuaban entre
ellos. Lewis había observado que muchos elementos eran más estables cuando ellos
contenían ocho electrones en su envoltura de valencia. El sugirió que los átomos con
menos de ocho valencias de electrones se enlazaban para compartir electrones y
completar sus envolturas de valencia. Su trabajo estableció la base de lo que se conoce
hoy en día sobre los enlaces químicos. Sabemos que hay dos principales tipos de enlaces
químicos: iónicos y enlaces covalentes.
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Átomos del mismo tipo pueden unirse a otros (enlace) formando moléculas. Ejemplo de
moléculas son hidrógeno molecular (H2) y oxigeno molecular (O2). Las moléculas que se
componen de dos o más diferentes elementos se denominan compuestos. Ejemplo de un
compuesto son metano (CH4), agua (H20) y dióxido de carbono (CO2). Las moléculas se
pueden representar por un modelo electrónico, una formula estructural o unas forma
molecular. La formula molecular identifica los elementos y el número de átomos de cada
elemento con la molécula. La formula estructural identifica los elementos, el número de
átomos de cada elemento y la organización de los átomos en una molécula.
Un átomo de hidrogeno, el cual tiene un electrón, puede enlazar por su nivel
energético un electrón con otro átomo de hidrógeno.
•
Un átomo de oxígeno tiene seis electrones en su nivel energético externo el cual
puede compartir dos electrones con otro átomo de oxígeno formando un enlace doble.
•
Un átomo de carbono tiene 4 electrones en su nivel energético externo. Su nivel
puede compartir un electrón con cada uno de 4 átomos de hidrógenos. Note que ahora el
nivel energético de cada hidrogeno esta completo
•
En la figura se muestra la tabla periódica de elementos.
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1.- Enlaces Iónicos
Átomos pueden también completar su nivel energético cuando transfieren un electrón de
un átomo a otro formando un enlace iónico. Cuando un átomo pierde un electrón,
entonces tiene una carga positiva neta y se transforma en un ion positivo o catión.
Cuando un átomo acepta un electrón se transforma en ion negativo o anión. Una molécula
de cloruro de sodio (NaCl) se compone de un átomo de sodio que cedió un electrón y un
átomo de cloro que acepto ese electrón. Porque estos átomos tienen ahora cargas
opuestas ellos se atraen el uno al otro formando un enlace iónico.
Durante la reacción del sodio con el cloro: sodio (en la izquierda) pierde su única valencia
de electrones al cloro (a la derecha)
Un ión de sodio cargado positivamente (izquierda) y un ión de cloro cargado
negativamente (derecha).
Note que cuando el sodio pierde su electrón de valencia, se hace más pequeño, mientras
que el cloro se hace más grande cuando gana una valencia de electrón adicional. Esto es
típico de los tamaños relativos de iones a átomos. Después que la reacción tiene lugar,
los iones cargado Na+ y Cl- se sujetan gracias a las fuerzas electroestáticas, formando
así un enlace iónico. Los compuestos iónicos tienden a formar como resultado cristales
sólidos con altos puntos de fusión.
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+
Metal Sodio
=
Gas Cloro
Cloruro de Sodio
(sal de mesa)
2.- Enlace Covalentes
Cuando los electrones se comparten entre los átomos se forma un enlace covalente. Si
los electrones se comparten igualmente el enlace es apolar. En algunos casos los
electrones que no se comparten igualmente pasan mas tiempo orbitando en uno de los
átomos, denominándose como enlace covalente polar. En una molécula de agua, por
ejemplo, los electrones pasan más tiempo orbitando alrededor del oxígeno que alrededor
de los átomos de hidrógenos. Como los electrones son cargados negativamente el
oxígeno tiene una leve carga negativa y el hidrógeno de la molécula una leve carga
positiva. Aunque la molécula en su totalidad es eléctricamente neutra. Las moléculas que
contienen enlaces covalentes polares son moléculas polares.
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Enlaces Múltiples: Para cada par de electrones compartidos entre dos átomos, se forma
un enlace covalente único. Algunos átomos pueden compartir múltiples pares de
electrones, formando enlaces covalentes múltiples. Por ejemplo, el oxígeno (que tiene
seis electrones de valencia) necesita dos electrones para completar su envoltura de
valencia. Cuando dos átomos de oxígeno forman el compuesto O2, ellos comparten dos
pares de electrones, formando dos enlaces covalentes.
Tipos de Enlaces Covalente: Simple, Doble y Triple. Dos o más átomos pueden unirse
entre sí formando moléculas. Cuando los átomos que se unen son del mismo tipo
hablamos de un elemento, cuando son átomos de distintos elementos es un compuesto.
La unión o interacción de los átomos está dada por la actividad de los electrones. Los
átomos pueden reaccionar entre sí o con otros átomos de elementos distintos de dos
maneras; ya sea compartiendo un par de electrones, o bien, transfiriendo completamente
un electrón. La primera de estas dos formas corresponde a un enlace covalente, mientras
que la segunda corresponde a un enlace de tipo iónico.
Un tercer tipo de enlace son los puentes o enlaces de hidrógeno. Ocurren cuando un
átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo electronegativo es atraído al
mismo tiempo a otro átomo electronegativo.
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Los enlaces de hidrógeno, los enlaces iónicos y otros enlaces débiles no solo unen
moléculas, sino que también unen distintas regiones de la misma molécula, como puede
ser el ejemplo de una proteína.
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Bioelementos
La materia puede ser definida como cualquier cosa que tenga masa y ocupe un lugar en
el espacio. Esta se encuentra formada por elementos, sustancias que no pueden ser
divididas en otras sustancias; por ejemplo: el cobre, el oro, el hierro. Estos elementos
pueden combinarse formando compuestos; por ejemplo, la unión del Sodio y el Cloruro
forman el cloruro de sodio o sal común.
Aunque la materia viva presenta ínfimas cantidades de todos los elementos sólo unos
veinte son esenciales para la vida. No está demostrado que sean indispensables a todos
los seres vivos, aunque algunos son de importancia universal y reciben el nombre de
bioelementos. Se clasifican en:
Macroelementos: o constituyentes principales. Su concentración es mayor al 1%.
Microelementos: o constituyentes necesarios en concentraciones bajas. Su
concentración se encuentra entre el 0,05% y el 1%.
•
Elementos Traza: necesarios en concentraciones bajísimas, menores al 0,05%.
•
•
Elementos mayores presentes en el cuerpo humano
Nombre
Oxígeno
masa %
65
Carbono
18
Hidrógeno
Nitrógeno
Calcio
10
3
1,5
Fósforo
1
Importancia o función
Necesario para la respiración celular; presente en casi todos los compuestos orgánicos;
forma parte del agua
Constituye el esqueleto de las moléculas orgánicas; puede formar cuatro enlaces con
otros tantos átomos
Presente en la mayoría de los compuestos orgánicos; forma parte del agua
Componente de todas las proteínas y ácidos nucleicos y de algunos lípidos
Componente estructural de los huesos y dientes; importante en la contracción muscular,
conducción de impulsos nerviosos y coagulación de la sangre
Componente de los ácidos nucleicos; componente estructural del hueso; importante en
la transferencia de energía. Integra los fosfolípidos de la membrana celular.
Principales Oligoelementos presentes en el cuerpo humano
Potasio
0.4
Azufre
Sodio
0,3
0,2
Magnesio
Cloro
Hierro
Yodo
0,1
0,1
trazas
trazas
Principal ion positivo (catión) del interior de las células; importante en el funcionamiento
nervioso; afecta a la contracción muscular
Componente de la mayoría de las proteínas
Principal ion positivo del líquido intersticial (tisular); importante en el equilibrio hídrico del
cuerpo; esencial para la conducción de impulsos nerviosos
Necesario para la sangre y los tejidos del cuerpo; forma parte de muchas enzimas
Principal ion negativo (anión) del líquido intersticial; importante en el equilibrio hídrico
Componente de la hemoglobina y mioglobina; forma parte de ciertas enzimas
Componente de las hormonas tiroideas
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El Agua
El agua es el componente más abundante de cualquier ser vivo: en promedio, un 70% del
peso total de un organismo es agua (las cifras oscilan entre 60 y 95%). Su rol básico es
aportar un sistema fluido donde ocurran los procesos fisicoquímicos vitales. Este papel se
justifica al analizar las propiedades de esta sustancia.
Carácter bipolar de la molécula. La molécula de agua se forma de la unión
covalente de un átomo de oxígeno con dos átomos de hidrógeno (comparten electrones).
Debido a que el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, los electrones tienden
a permanecer mayor tiempo
•
El agua líquida es cohesiva. Las moléculas de agua se mantienen unidas entre
sí por medio de los puentes de hidrógeno. Estos enlaces están siempre rompiéndose y
formándose por lo que mantienen las moléculas siempre unidas (cohesión). Así, la tensión
superficial es una medida de cuán difícil resulta romper la superficie de un líquido. En la
interfase agua/aire las moléculas están ordenadas y unidas entre sí.
•
El agua posee un alto calor específico. Calor específico es la cantidad de calor
que debe ser absorbida o liberada por un gramo de esa sustancia para cambiar su
temperatura un grado. Al decir que el agua posee un alto calor específico, quiere decirse
que un leve cambio en su temperatura se acompaña por la alta absorción o liberación de
calor.
•
El agua posee un elevado punto de vaporización. Punto de vaporización es la
cantidad de calor absorbida por un líquido para que un gramo de él se convierta del
estado líquido al gaseoso. Esto modera el clima de la Tierra, ya que el calor solar
absorbido por los océanos tropicales es consumido durante la evaporación de la
superficie acuosa. Cuando un líquido se evapora, la superficie remanente se enfría debido
a que las partículas con más calor se han evaporado.
•
Al congelarse el agua se expande. La acción y disposición de los puentes de
hidrógeno permiten la expansión del agua. Esto permite la continuidad de la vida marina
al congelarse sólo la superficie de mares y océanos y no sus profundidades.
•
El agua como solvente. En una solución -líquido de mezcla homogénea de dos o
más sustancias-pueden distinguirse un soluto y un solvente. El soluto está disuelto en el
solvente. La capacidad como solvente se debe al carácter bipolar de la molécula de agua,
que es atraída por los elementos iónicos rodeándolos y separando sus componentes. Si
atrae moléculas de agua se dice ser hidrofílica e hidrofóbica si las repele.
•
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Sales Minerales: Propiedades e Importancia Biológica
Tanto en animales como vegetales se encuentran siempre determinadas cantidades de
sales minerales. Se clasifican en función de su solubilidad en agua. Las sustancias
salinas insolubles en agua forman estructuras sólidas que cumplen funciones de
protección y sostén y que están extendidas en todos los seres vivos. Los Crustáceos y los
Moluscos presentan caparazones de carbonato cálcico (CO3Ca) mientras que en la
Diatomeas son de sílice (SiO2). El esqueleto interno de los Vertebrados presenta una
parte mineral formada por la asociación de varios componentes minerales, sobre todo
carbonato y fosfato cálcico [(PO4)2Ca3]. Además, el esmalte de los dientes presenta
fluoruro cálcico (F2Ca).
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Las sales minerales solubles en agua se encuentran disociadas en sus iones
correspondientes, responsables de su actividad biológica. Los principales son:
- Cationes: Na+, K+, Mg2+, Ca2+ y amonio (NH4+).
- Aniones: Cl-, fosfatos (PO43-, PO4H2-, PO4H2-), sulfato (SO42-), nitrato
(NO3-) y carbonatos (CO32-, CO3H-).
Las funciones principales de los iones minerales en el organismo son:
Regulación de los fenómenos osmóticos: cuando dos disoluciones salinas de distinta
concentración se ponen en contacto a través de una membrana semipermeable (llamada
así porque permite el paso de agua pero no de los iones disueltos en ella) ambas
disoluciones tienden a equilibrar sus concentraciones y es el agua de la disolución más
diluida la que va pasando a la más concentrada, ya que los iones no atraviesan la
membrana. Este trasiego de agua cesa al adquirir ambas la misma concentración. La
disolución más concentrada será hipertónica respecto a la menos concentrada, la
hipotónica; al equilibrarse se dice que las dos disoluciones son isotónicas. Este fenómeno
se denomina osmosis y el paso del agua a través de la membrana semipermeable genera
una presión llamada presión osmótica. Esta será mayor cuanto mayor sea la diferencia en
la concentración de las dos disoluciones. Las células mantienen una presión osmótica
constante gracias a las sales minerales, fenómeno llamado homoósmia, y son muy
sensibles a las variaciones de la misma, lo cual acarrea serios trastornos. Por esta razón
toda disolución que se ponga en contacto directo con las células de un organismo debe
ser isotónica con respecto a la disolución salina de su interior, ya que las membranas
celulares se comportan como semipermeables. Existen dos ejemplos típicos que
demuestran la importancia de los fenómenos osmóticos en el mantenimiento de la
integridad celular:
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1.- Las células vegetales poseen una gran vacuola que comprime el citoplasma contra la
pared celular. Al contacto con una solución salina hipertónica respecto del líquido de la
vacuola, el agua de ésta fluye hacia el exterior de la célula, por ende, la vacuola se reduce
de tamaño arrastrando al citoplasma, que puede llegar a separarse de la pared celular.
Esto se denomina plasmólisis. Por el contrario, si la solución es hipotónica, la corriente de
agua se establece hacia el interior, comprimiendo el citoplasma contra la pared celular.
Esto se denomina turgencia.
2.- Repitiendo la misma experiencia con glóbulos rojos, como éstos carecen de pared
celular vegetal, al ponerlos en contacto con una solución hipertónica, disminuyen de
volumen y se arrugan al salir agua al exterior, fenómeno denominado crenación. Si los
ponemos en contacto con una solución hipotónica, el agua pasa al interior y el glóbulo rojo
se dilata, pudiendo llegar a estallar rompiéndose su membrana. Este caso extremo se
llama hemólisis.
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Regulación del equilibrio ácido-base: En los seres vivos existe siempre una cierta
cantidad de hidrogeniones (H+) y de iones hidroxilo (OH-) que proceden de:
1) La disociación del agua que proporciona los dos iones: H2O: H+ + OH2) La disociación de cuerpos con función ácida que proporcionan H+: HCl: Cl+ H+
3) La disociación de cuerpos con función básica que proporcionan OH-: NaOH Na+ + OHLa escala del pH mide la concentración de los iones de hidrógeno en una solución. La
escala del pH abarca desde 0.0 a 14.0. Una solución de 7.0 es neutral; es decir, la
concentración de los iones de hidrógeno es igual a la concentración de los iones del
oxidrilo. Una solución con un pH debajo de 7.0 es ácida; es decir, tiene una mayor
concentración de los iones de hidrógeno que los iones oxidrilo. Finalmente, una solución
con un pH mayor de 7.0 es básica, es decir, tiene una mayor concentración de los iones
del oxidrilo que los iones de hidrógeno. Los líquidos en sistema vivos se deben mantener
dentro de una gama estrecha del pH para el funcionamiento apropiado de las enzimas
implicadas en la reacción bioquímica. La sangre, por ejemplo, tiene normalmente una
gama del pH a partir del 7.35 a 7.45. Las alteraciones en el pH pueden causar vértigos,
desmayarse e incluso muerte. Los sistemas del buffering o tamponamiento se utilizan
para resistir cambios en el pH.
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Estructura y Función de las Biomoléculas
La célula une moléculas orgánicas para formar otras de tamaño mucho mayor y que
pertenecen a 4 clases: hidratos de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos,
llamadas macromoléculas y cuya estructura general es la siguiente: Las células forman
macromoléculas (polímeros) uniendo otras pequeñas (monómeros) idénticas o similares
que se concatenan entre sí.
Las distintas macromoléculas varían en el monómero, pero los mecanismos para su
formación son similares. Los monómeros son unidos entre sí para formar la cadena a
través de síntesis por condensación, proceso que libera una molécula de agua por cada
monómero unido. Al unirse dos subunidades cada aporta con un componente de la
molécula de agua (H2O) que es removida; un monómeros pierde un grupo hidroxilo (OH),
y el otro un hidrógeno (H). El enlace covalente perdido por monómero, lo recuperan
uniéndose entre sí.
En la hidrólisis, los enlaces entre monómeros se rompen al unir moléculas de agua. Ej: a
los alimentos en el tracto digestivo les son degradadas sus largas moléculas hasta
monómeros para su absorción final.
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Prof. Atilio Aldo Almagià Flores - Prof. M.Sc. Pablo Lizana Arce
Carbohidratos o Glúcidos
Los carbohidratos o sacáridos (del griego: sakcharón, azúcar) son compuestos esenciales
de los organismos vivos y son la clase más abundante de moléculas biológicas. El
nombre, que significa literalmente hidrato de carbono, proviene de su composición
química, que es aproximadamente (C•H2O)n, donde n es mayor o igual a 3, es decir
compuestos en los que n átomos de carbono parecen estar hidratados con n moléculas
de agua. En realidad se trata de polihidroxialdehidos o polihidrohicetonas (y algunos
derivados de éstos), es decir una cadenas de carbono que contiene un grupo aldehído o
cetónico, y varios grupos hidroxilos.
Sus unidades básicas son los monosacáridos, siendo la glucosa la más abundante con 6
átomos de carbono. Es combustible principal para la mayoría de los organismos. Los
oligosacáridos contienen de dos a diez monosacáridos. Los polisacáridos están
constituidos por muchos monosacáridos unidos, con pesos moleculares de hasta 106
dáltones (g/mol). Sus dos funciones biológicas principales son almacenar combustible y
ser elemento estructural.
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Monosacáridos
Se clasifican según la naturaleza química de su grupo carbonilo y de su número de
átomos de carbono. Si el grupo carbonilo es un aldehído, se llamará aldosa y si es una
cetona recibe el nombre de cetosa.
Si poseen tres átomos de carbono, son triosas, y con cuatro, cinco, seis, etc, se
denominan tetrosas, pentosas, hexosas, etc. Pueden combinarse de modo que, una
aldohexosa, sería un azúcar (-osa) de seis átomos de carbono (-hex-), cuyo carbono
carbonílico es una aldosa (aldo-).
La glucosa es el principal monosacárido nutriente de la célula. En la respiración celular, la
célula extrae energía almacenada en la glucosa. No es la única fuente energética, pero
los esqueletos de carbono sirven como materia prima para otras moléculas como
aminoácidos o ácidos grasos.
Disacáridos
Son dos monosacáridos unidos entre sí por un enlace glucosídico (covalente) entre
ambas moléculas. Por ejemplo, la maltosa es un disacárido formado por la unión de dos
moléculas de glucosa. La lactosa es el azúcar presente en la leche; formado por una
molécula de glucosa y una de galactosa. La unión de glucosa y fructosa forma la
sacarosa, o azúcar de mesa.
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Polisacáridos
Son polímeros de monosacáridos unidos por enlace O-glucosídico. Entre ellos el almidón,
el glucógeno y la celulosa son los más abundantes. Los tres están formados por
moléculas de D-glucosa y sólo se diferencian en el tipo de enlace glucosídico
Polisacáridos de reserva energética
• El almidón es un polímero formado enteramente por monómeros de glucosa.
• El glucógeno es un polímero muy ramificado y de muy alto peso molecular, constituido
por alrededor de 30.000 glucosas; es el polisacárido de reserva energética animal,
especialmente acumulado en hígado y músculos.
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FUNCIONES FISIOLÓGICAS DE LOS CARBOHIDRATOS
Algunos monosacáridos como la glucosa y sus derivados, son piezas fundamentales de
muchas rutas metabólicas esenciales para la obtención de energía. La glucosa actúa en
el organismo como combustible energético de uso rápido, mientras polisacáridos o grasas
son reservas energéticas que deben ser procesadas antes de su utilización. Algunos
monosacáridos y disacáridos como la fructosa o la sacarosa son responsables del sabor
dulce de muchos frutos, con lo que se hacen más atractivos a los agentes dispersantes de
las semillas.
Los oligosacáridos, pequeñas cadenas poliméricas conteniendo entre 2 y 10
monosacáridos, aparecen normalmente formando parte de las glicoproteínas que ejercen
importantes funciones reguladoras o de reconocimiento celular.
Los polisacáridos como almidón o glucógeno tienen funciones de reserva energética en
plantas y animales, respectivamente. Otros polisacáridos tienen funciones estructurales.
Ya hemos citado el caso de la celulosa, principal componente de las paredes celulares
vegetales, que supone la mayor parte de la masa de la madera y el algodón en casi pura
celulosa; y la quitina, principal componente del exoesqueleto de muchos artrópodos.
También tienen gran importancia estructural el heteropolímero de residuos alternados de
Nacetilglucosamina y N-acetilmurámico unidos por enlaces (1-4), que constituyen el
componente principal de las paredes celulares bacterianas, estos heteropolímeros se
unen a proteínas formando peptidoglucanos.
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Lípidos
Los lípidos no pueden clasificarse como los carbohidratos porque no poseen un grupo
funcional que los caracterice y los represente. En este sentido, los lípidos (del griego,
grasa) son sustancias de origen biológico, solubles en disolventes orgánicos (cloroformo,
benceno, etc.), y muy poco o nada solubles en agua. Como consecuencia de ello el
término lípido abarca a un gran número de compuestos orgánicos con estructuras muy
diversas, no obstante poseen algo en común, la porción principal de su estructura es de
naturaleza hidrocarbonada y ésta es la razón de su escasa o nula solubilidad en agua.
Los lípidos, desempeñan funciones biológicas de gran importancia, ya que:
•
•
•
•
Constituyen las principales reservas energéticas de los seres vivos.
Forman parte de las membranas celulares.
Regulan la actividad de las células y los tejidos
Algunos forman cubiertas impermeables de plantas y animales
Así, las grasas, aceites, ciertas vitaminas y hormonas y la mayor parte de los
componentes no proteicos de las membranas son lípidos. En este tema, discutiremos las
estructuras y propiedades de las clases principales de lípidos.
Una forma de clasificar los lípidos es la que se basa en su comportamiento frente a la
reacción de hidrólisis en medio alcalino (saponificación). Son saponificables aquellos
que se hidrolizan en medio alcalino y por tanto tienen ácidos grasos en su estructura
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(ceras, TAG, FG, y EFL), y los no saponificables son los que no reaccionan de este modo
(Terpenos, esteroides, prostaglandinas, en este grupo también estarían incluidos los
ácidos grasos).
Ácidos Grasos
Un ácido graso tiene un largo esqueleto de carbono generalmente de 12 o 24 carbonos
(siempre en número par). Un extremo del ácido graso posee un grupo carboxilo que da el
carácter de ácido a la molécula. Enlazado a este grupo carboxilo hay una larga cola
hidrocarbonada. Los enlaces no polares C-H en las colas de los ácidos grasos son la
razón de la insolubilidad en el agua.
Un ácido graso puede unirse a la molécula de glicerol por medio de un enlace éster
(enlace entre un grupo hidroxilo y uno carboxilo). El glicerol ahora tiene la posibilidad de
enlazar a otros dos ácidos grasos. Como resultado se obtiene el triacilglicerol, que
consiste en tres ácidos grasos enlazados a una molécula de glicerol. Los ácidos grasos
pueden ser iguales o diferentes entre sí.
Los ácidos grasos varían en la longitud de la cadena y en el número y ubicación de dobles
enlaces. Si no existen dobles enlaces en las cadenas de carbono, el ácido graso se dice
estar saturado. Cuando la cadena presenta uno o más dobles enlaces entre los carbonos
se dice estar insaturado. Las grasas animales son en su mayoría saturadas y se
solidifican a temperatura ambiente. Las grasas vegetales, en cambio, son insaturadas y
permanecen líquidas a temperatura ambiente.
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Los ácidos grasos son moléculas bipolares o anfipáticas (del griego amphi, doble). La
cabeza de la molécula es polar o iónica y, por tanto, hidrófila (COOH). La cadena es
apolar o hidrófoba (grupos -CH2- y -CH3 terminal).
En ácidos grasos saturados, el punto de fusión aumenta debido al nº de carbonos,
tendiendo a establecer enlaces de Van der Waals entre las cadenas carbonadas. Los
Insaturados tienen menos interacciones debido al codo de su cadena.
Propiedades químicas
A) Esterificación. El ácido graso se une a un alcohol por enlace covalente formando un
éster y liberando una molécula de agua.
B) Saponificación. Reaccionan los álcalis o bases dando lugar a una sal de ácido graso
que se denomina jabón. El aporte de jabones favorece la solubilidad y la formación de
micelas de ácidos grasos.
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Gracias a este comportamiento anfipático los jabones se disuelven en agua dando lugar a
micelas monocapas, o bicapas si poseen agua en su interior. También tienen un efecto
espumante cuando la monocapa atrapa aire y detergente o emulsionante si contienen
pequeñas gotas de lípido.
Lípidos Saponificables
Acilglicéridos
Aunque tradicionalmente se ha empleado el nombre de triglicéridos, las normas actuales
de formulación recomiendan que este término deje de utilizarse y se cambie por el
indicado (acilglicéridos). El nombre de Triacilglicéridos (TAGs) describe adecuadamente la
estructura de estos compuestos, pues poseen el esqueleto del glicerol unido a tres ácidos
grasos (grupos acilos). Se trata pues de triésteres formados por tres moléculas de ácidos
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grasos y una molécula de glicerol.
El punto de fusión de los TAG viene determinado por la naturaleza de los ácidos grasos
que lo forman. Los sólidos a tº ambiente son las grasas (poseen mayor número de grupos
acilos saturados), los que son líquidos a esta tº serán aceites (poseen mayor número de
acilos insaturados). No obstante las grasas y aceites naturales no son puros, sino una
mezcla de TAGs.
Las grasas son una forma eficiente de almacenamiento de energía metabólica, debido a
que están menos oxidadas (más hidrogenadas) que los glúcidos (glucógeno). Por esto, su
rendimiento de energía en la oxidación será significativamente mayor. Las grasas
proporcionan cerca de seis veces más energía metabólica que un peso igual de
glucógeno. El contenido graso de las personas normales (21 % en hombres, 26 % en
mujeres) les permite sobrevivir en ayuno de dos a tres meses; por el contrario, el
suministro corporal de glucógeno, puede cubrir las necesidades metabólicas durante
menos de un día (ojo con las dietas, posibilidad de nivel cero de glucosa). Además, su
apolaridad facilita mucho su almacenamiento en forma anhidra (cosa que no ocurre con el
glucógeno, que se moviliza más fácilmente). En los animales, los adipocitos son células
especializadas en la síntesis y almacenamiento de TAGs, concentrándose en el tejido
adiposo.
Los TAGs, reaccionan igual que los ésteres. Pueden sufrir hidrólisis, que puede ser
alcalina (bajo el punto de vista industrial) o enzimática (por lipasas, en el organismo). La
hidrólisis alcalina o saponificación, es el proceso base para la fabricación de los jabones,
mientras que la hidrólisis enzimática se produce en la degradación de las grasas ingeridas
como alimentos.
Los jabones se obtienen calentando grasa natural con una disolución alcalina (de
carbonato sódico o hidróxido sódico). Tras la hidrólisis, el jabón (sales sódicas de ácidos
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grasos) se separa del resto mediante precipitación al añadir sal a la mezcla de reacción.
Tras lo cual se lava y purifica. El jabón obtenido es de tipo industrial. Estos forman
micelas en contacto con el agua, explicándose así su capacidad limpiadora, pues actúan
disgregando la mancha de grasa o aceite formando pequeñas micelas en las que las
partes hidrofóbicas (apolares) rodean la grasa y las partes hidrofílicas (polares, referente
al grupo carboxilato) quedan expuestas hacia el agua. Así, se forma una emulsión (de
gotitas cargadas negativamente), y así son arrastradas por el agua en forma de diminutas
partículas.
Otra reacción de los TAG es la hidrogenación catalítica de los grupos acilo insaturados
existentes en los aceites vegetales. Mediante este proceso los TAG con grupos acilos
insaturados se transforman en TAGs saturados. Esta reacción se viene realizando en la
industria desde hace muchos años para la producción de margarinas de uso culinario, a
partir de aceites vegetales abundantes y baratos (como el de soja y el de maíz).
Ceras
Las ceras son lípidos saponificables, formados por la esterificación de un ácido graso y un
monoalcohol de cadena larga.
Los alcoholes constituyentes de las ceras tienen un número par de átomos de carbono,
entre 16 y 34. Las ceras más comunes son la de la carnauba, de origen vegetal, que se
utiliza para suelos y automóviles; y la lanolina (en la que el componente alcohólico es un
esteroide) usada en cosméticos y cremas.
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Las ceras son blandas y moldeables en caliente, pero duras en frío. En las plantas se
encuentran en la superficie de los tallos y de las hojas protegiéndolas de la pérdida de
humedad y de los ataques de los insectos. En los animales también actúan como
cubiertas protectoras y se encuentran en la superficie de las plumas, del pelo y de la piel.
Lípidos Complejos o de Membrana
Se clasifican en:
Glicerolípidos: Gliceroglucolípidos y Glicerofosfolípidos
Esfingolípidos: Esfingoglucolípidos y Esfingofosfolípidos
Los fosfoglicéridos (FFG) son componentes esenciales de las membranas biológicas. Son
ésteres del glicerol, pero sólo poseen dos grupos acilo unidos a los átomos de oxígeno de
los carbonos 1 y 2 del glicerol, el tercer hidroxilo está esterificado con el ácido fosfórico, el
cual a su vez se encuentra unido a un resto X de distinta naturaleza, resto que da nombre
al FFG.
Los diferentes FFG difieren en tamaño, forma y carga eléctrica de los grupos (X) de la
cabeza polar y cada tipo de FFG puede existir en muchas especies químicas distintas que
se diferencian en sus grupos acilos (parte apolar). Habitualmente hay un grupo acilo
saturado y otro insaturado. Los FFG más abundantes en membranas celulares animales y
vegetales son la fosfatidiletanolamina y la fosfatidil-colina. El fosfatidil-glicerol y el
difosfatidil-glicerol son más frecuentes en membranas bacterianas.
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Como se puede apreciar en la fosfatidilcolina o la cardiolipina, los FFG poseen una
cabeza polar (grupo X) y una cola apolar (cadena hidrocarbonada), este tipo de
compuestos reciben el nombre de anfipáticos (también lo son los ácidos grasos). Esta
característica estructural posee una gran importancia pues, pueden agruparse al
interaccionar las partes apolares, dando lugar a estructuras más complejas, como sería
las membranas biológicas celulares.
Esfingolípidos
Los esfingolípidos (EFL), son lípidos complejos cuyo esqueleto está constituido por la
esfingosina o la dihidroesfingosina, en lugar de glicerol. Son también componentes
importantes de las membranas celulares, debido a su naturaleza anfipática.
Bajo el punto de vista estructural, todos los EFL contienen tres componentes básicos, un
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grupo acilo (procedente de un ácido graso), una molécula de esfingosina (o su derivado
hidrogenado) y una cabeza polar. La zona polar puede estar formada por un grupo fosfato
unido a un resto X (de similar naturaleza que el que presentan los fosfoglicéridos), dando
lugar a los fosfoesfingolípidos (FEL) o bien a una molécula de azúcar, dando lugar a los
glicoesfigolípidos.
Los FEL se encuentran presentes en cantidades importantes en el tejido nervioso. En
ellos, un grupo hidroxilo del fosfórico está esterificado con colina o etanolamina y se
conocen con el nombre general de esfingomielina que es el FEL más abundante en las
vainas membranosas que envuelven y aislan eléctricamente los axones de las neuronas.
En los glicoesfingolípidos, la cabeza polar la forma un carbohidrato. Así los denominados
galactocerebrósidos, son los más abundantes en las membranas de las células
neuronales del cerebro y tienen un grupo de cabeza polar que es la ß-D-galactosa.
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Lípidos Insaponificables
Terpenos
Los terpenos, son lípidos insaponificables, formados por dos o más unidades de isopreno.
Los terpenos pueden ser moléculas lineales o cíclicas, y algunos de ellos contienen
estructuras de ambos tipos. Los terpenos que contienen dos unidades de isopreno, se
llaman monoterpenos; los que contienen tres unidades, sesquiterpenos y los que
contienen cuatro, seis, y ocho unidades reciben el nombre de diterpenos, triterpenos y
tetraterpenos.
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En los vegetales se han identificado un gran número de terpenos, muchos de los cuales
poseen olores o sabores característicos, y son componentes principales de los aceites
esenciales obtenidos de las plantas (limoneno, geraniol, mentol o el alcanfor). Por su
parte el fitol, (diterpeno) es un componente esencial de la clorofila (básica en la
fotosíntesis).
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Entre los terpenos superiores más importantes figuran el escualeno (triterpeno,
encontrado en grandes cantidades en los escualos) precursor del colesterol (que es un
esteroide) y el ß-caroteno, que junto con otros carotenos, es el responsable del color
amarillo-anaranjado asociado a determinadas membranas celulares (zanahoria, tomate,
etc) y que también es el precursor de la vitamina A o retinol.
Esteroides
Son otro tipo de lípidos no saponificables con un núcleo común formado por cuatro anillos
condensados, tres de los cuales poseen seis átomos de carbono y en el caso del cuarto
únicamente cinco. (ciclopentanoperhidrofenantreno)
Conformación
de
la
estructura
(CicloPentanoperhidrofenantreno)
base
de
los
lípidos
derivados
Aunque los distintos tipos de esteroides se diferencian en la naturaleza y la posición de
los sustituyentes, la mayoría se generan (en los seres vivos) a partir de la ciclación del
escualeno (un triterpeno lineal); así, el primer esteroide formado en este proceso es el
lanosterol que posteriormente se transforma en otros muchos esteroides de interés. Uno
de ellos es el colesterol.
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El colesterol es el esteroide mejor conocido y más abundante en el cuerpo humano.
Forma parte de las membranas biológicas y es precursor de ácidos biliares, de hormonas
esteroides y de Vitamina D. Abundante en lipoproteínas del plasma sanguíneo, entre
ellas la LDL, en las que alrededor del 70 % se encuentra esterificado con ácidos grasos
de cadena larga. Por desgracia, es también conocido por su nivel en la sangre y ciertos
tipos de enfermedades cardiacas, como la arteriosclerosis. Esta enfermedad se debe a un
exceso de LDL (provocado por varias causas) que se deposita en la superficie interna de
las arterias, disminuyendo su diámetro, aumentando la presión sanguínea y el riesgo a
sufrir la formación de trombos e infartos de miocardio.
Como se ha indicado antes, el colesterol es también el precursor de otros muchos
esteroides. La vitamina D, cuya ausencia produce el raquitismo (enfermedad en el
crecimiento de los huesos), se sintetiza a partir de un derivado del colesterol (7dehidrocolesterol) mediante una reacción que requiere irradiación de la piel por la luz
solar. Los ácidos biliares son compuestos, sintetizados a partir del colesterol, que a modo
de detergente ayudan a la emulsión de los lípidos y a su absorción intestinal. Por su parte,
los andrógenos son hormonas sexuales masculinas y los estrógenos hormonas sexuales
femeninas, también derivados del colesterol.
Prostaglandinas
Las prostaglandinas son lípidos insaponificables que poseen una gran variedad de
actividades biológicas de naturaleza hormonal y reguladora, así median en:
• La
• La
• La
• La
• La
• La
respuesta antiinflamatoria.
producción de dolor y fiebre.
regulación de la presión sanguínea.
inducción de la coagulación de la sangre.
inducción al parto.
regulación del ciclo sueño/vigilia.
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La prostaglandinas, se encuentran en cantidades muy pequeñas en tejidos y fluidos
corporales, entre ellos los fluidos menstruales y seminales. Todas las prostaglandinas son
derivados hipotéticos de la ciclación de ácidos grasos insaturados de 20 carbonos. Las
prostaglandinas E2 y E2a pueden utilizarse terapéuticamente para provocar el aborto o
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bien para acelerar el parto. También se investiga sobre ellas para la obtención de
derivados
estables,
para
su
utilización
como
anticonceptivos.
Proteínas
Las proteínas cumplen varias funciones dentro de la célula: soporte estructural,
almacenamiento, transporte de otras substancias, señalizaciones de una parte a otra del
organismo, movimiento y defensa del organismo. Como enzimas, las proteínas actúan
acelerando reacciones químicas dentro de la célula. Las proteínas varían inmensamente
tanto en función como estructura. El ser humano presenta miles de tipos proteicos
distintos, cada uno con una función específica.
Clasificación
Las proteínas pueden clasificarse según diversos criterios, entre otros:
- Según su conformación nativa, en:
Fibrosas: presentan típicas estructuras secundarias; están constituidas por fibras
ordenadas a lo largo de un eje. Son insolubles en agua y en soluciones acuosas.
Presentan gran resistencia física, por lo cual están generalmente vinculadas con acciones
mecánicas (constitución de esqueletos, transmisión de fuerzas) o de protección.
•
Globulares: constituidas por cadenas plegadas de tal modo que resultan en
formas esféricas o globulares compactas (estructura terciaria). En general, son solubles
en agua o soluciones acuosas.
•
-Según la composición química:
•
Simples u Holoproteínas: cuando su hidrólisis produce solo aminoácidos. Por
ejemplo, insulina o colágeno.
•
Conjugadas o Heteroproteínas: cuando su hidrólisis produce, además de
aminoácidos, otros componentes orgánicos (hidratos de carbono, por ejemplo) o
inorgánicos (aniones o cationes). Ejemplo, la hemoglobina.
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Holoproteínas
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Cadenas polipeptídicas
El grupo carboxilo de un aminoácido y el amino de otro pueden unirse en un enlace
peptídico por medio de una síntesis por condensación. Un polímero de muchos
aminoácidos unidos por enlaces peptídicos constituyen una cadena polipeptídica. En uno
de los extremos de la cadena se encontrará un grupo carboxilo y en el otro extremo un
grupo amino. La longitud de estos polipéptidos varía de unos pocos monómeros a miles
de ellos. Un polipéptido particular posee una secuencia aminoacídica particular.
Conformación proteica
Uno o más polipéptidos pueden conformar una macromolécula con una disposición
tridimensional definida. La función de una proteína depende de su particular
conformación, que a su vez es consecuencia de la secuencia de aminoácidos
constituyentes de la cadena polipeptídica.
En la mayoría de los casos, la función de una proteína depende de su capacidad de
reconocer y enlazarse a otra molécula. Por ejemplo, la hormona que encuentra y se une
al receptor específico. Cuando una célula sintetiza un polipéptido, la cadena se pliega
sobre sí misma para asumir la conformación funcional para esa proteína. Al ocurrir este
proceso se forman varios enlaces químicos entre las partes de la cadena para reforzar la
conformación.
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Clasificación general y función biológica
Las proteínas son cadenas polipeptídicas que se diferencian de los oligopéptidos en el
número de aminoácidos que contienen, en su carácter funcional y sobre todo en que son
el resultado del proceso de traducción genética. La conformación de una proteína hace
referencia a la disposición espacial de la misma, aspecto de vital importancia, pues va a
estar directamente relacionado con la función que desempeñan. Según la conformación,
las proteínas pueden clasificarse en fibrosas y globulares. Las fibrosas poseen las
cadenas polipeptídicas ordenadas de modo paralelo a lo largo de un eje. Forman
materiales físicamente resistentes e insolubles en agua, siendo elementos básicamente
estructurales como por ejemplo la queratina del pelo, la fibroína de la seda o el colágeno
de los tendones. Por su parte, las proteínas globulares, están constituidas por una o
varias cadenas polipeptídicas plegadas de modo que puedan adoptar una conformación
esférica o globular, desempeñando diferentes funciones de tipo metabólico (proteínas
transportadoras, enzimas, anticuerpos,...). Algunas proteínas incluso pueden situarse
entre estas dos conformaciones como sería el caso de la miosina de los músculos o el
fibrinógeno de la sangre.
Niveles estructurales de las proteínas
La conformación que presenta una proteína va a depender directamente de los distintos
niveles estructurales que posee, niveles que a continuación se detallan.
a) Estructura primaria: hace referencia a la posición que ocupa cada aminoácido en la
cadena polipeptídica, es decir nos da idea de la secuencia de la proteína. La importancia
de este nivel radica en que la posición que ocupa cada aminoácido dentro de la cadena
va a condicionar enormemente el resto de los niveles estructurales y en último término la
función que desempeña la proteína.
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b) Estructura secundaria: hace referencia a la ordenación regular y periódica de la
cadena polipeptídica en una dirección determinada. Básicamente, podemos encontrar dos
tipos de estructura secundaria, la alfa-hélice y la conformación-ß.
En la alfa hélice la cadena polipeptídica adopta una conformación helicoidal. Las
estructuras helicoidales se caracterizan por el número de aminoácidos por vuelta (n) (3,6
restos en la alfa-hélice) y por su paso de rosca (p), o distancia entre vueltas (5,4 Å para la
alfa-hélice). Esta conformación se estabiliza por puentes de hidrógeno (R-C=O ••••• H-NR) intracatenarios (dentro de la hélice). Además, los restos -R de los aminoácidos se
disponen hacia fuera de la hélice evitando las interacciones estéricas (por grupos
voluminosos) y estabilizando la conformación. Por otro lado, la alfa-hélice se distorsiona o
pierde la conformación cuando en la secuencia aparece una prolina, único aminoácido
ciclado por su grupo alfa-amino.
En la conformación-ß la cadena adopta una ordenación lineal en la que los restos -R, de
los aminoácidos, se van alternando por encima y por debajo (zigzag) del plano del enlace
peptídico. Esta conformación se estabiliza con puentes de hidrógeno entre varias cadenas
de proteínas con conformación-ß. El resultado de estas interacciones es la hoja plegada
ß, que puede presentar un plegamiento paralelo, (en el que las cadenas vecinas se
desarrollan en la misma dirección), o bien un plegamiento antiparalelo con cadenas
vecinas en direcciones opuestas.
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Las dos conformaciones son posibles dentro de una misma proteína (como veremos en la
estructura terciaria), habiendo proteínas que presentan sólo una.
La alfa-queratina es una proteína que aparece en todos los vertebrados superiores y es el
componente principal del pelo, la lana, las uñas o los cuernos. El pelo está construido por
células muertas, que contienen macrofibrillas empaquetadas orientadas paralelamente a
la fibra del pelo. Éstas están formadas por microfifrillas (asociación de protofibrillas) que
contienen dos cadenas de alfa-hélice- que se retuercen en un arrollamiento hacia la
izquierda. Las alfa-queratinas poseen alto contenido de Cys (R= -CH2-SH) produciéndose
las interacciones entre las hebras a través de puentes disulfuro (-S-S-) dando una gran
resistencia e insolubilidad al conjunto. Aunque la insolubilidad de las alfa-queratinas
impide que la mayor parte de los animales la puedan digerir, la polilla, posee una
concentración elevada de mercaptanos, que rompen los puentes disulfuro, en su tracto
digestivo, y por lo tanto pueden digerir la lana.
Por su parte, la fibroína de la seda es una agrupación de ß-queratinas en conformación
hoja plegada-ß antiparalela unidas por enlaces de hidrógeno intracatenarios. La fibroína y
otras ß-queratinas son muy ricas en aminoácidos poco voluminosos (gly y ala), lo que
facilita que las hojas se apilen unas sobre otras, alternándose zonas de contacto entre
glicinas y entre alaninas, interaccionando mediante fuerzas débiles de Van der Waals.
Esto hace posible que la seda pueda extenderse en fibras fácilmente separables
(separando hojas) pero algo difíciles de romper (implicaría romper los enlaces peptídicos).
Por otro lado, existe la posibilidad de transformar la alfa-queratina en ßqueratina. Así,
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cuando el pelo o la lana se someten a la acción del vapor (calor + humedad) pueden
incluso duplicar su longitud. Lo que ocurre es que se rompen los puentes de hidrógeno de
la alfa-hélice y las cadenas polipeptídicas adoptan una conformación-ß; no obstante los
grupos -R de las alfa-queratinas son muy voluminosos, lo que hace que la conformación-ß
se desestabilice y al poco tiempo adopte de nuevo la conformación en alfa-hélice con lo
que el pelo o la lana recuperan su longitud original.
c) Estructura terciaria: hace referencia al modo en que se curvan o pliegan en el espacio
los segmentos de hélice-α y/o conformación-ß, que presenta una cadena polipeptídica de
las proteínas globulares. La conformación espacial de las proteínas depende lógicamente
de su estructura primaria, así las cadenas laterales de los aminoácidos en las proteínas
globulares se hallan distribuidas espacialmente de acuerdo con sus polaridades, de tal
forma que:
•
Los restos no polares aparecen, casi siempre, en el interior de la proteína, para no
entrar en contacto con el disolvente acuoso que la envuelve, creando un ambiente
hidrofóbico.
•
Los residuos polares con carga se hallan situados, normalmente en la zona
externa, interaccionando con el medio acuoso. A veces, se requiere de estos centros en la
parte interna de la proteína y en estos casos también ocurre que están directamente
implicados en alguna funcionalidad de la proteína, bien a nivel estructural o a nivel
catalítico.
•
Los grupos polares sin carga, aparecen distribuidos por la totalidad de la cadena,
si bien mayoritariamente, también aparecen en las partes externas, en contacto con la
disolución acuosa.
Como consecuencia de esta distribución de restos, las proteínas globulares son muy
compactas, hay poco espacio en el interior, de modo que el agua difícilmente accede a
dicho espacio.
Algunas proteínas como la mioglobina, están constituidas sólo por alfa-hélices. La
estructura terciaria de la mioglobina es una proteína globular que contiene una cadena
polipeptídica, constituida por ocho segmentos de alfa-hélice. La mioglobina se halla,
principalmente, en células de los músculos esqueléticos y es especialmente abundante en
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los mamíferos buceadores, en los que no sólo actúa almacenando oxígeno, sino también
contribuyendo al aumento de la velocidad de difusión del oxígeno. Además, contiene un
componente no proteico, el grupo hemo que permite la oxigenación y desoxigenación de
forma reversible. Otras proteínas globulares, como la concanavalina A (lectina de soja)
mayormente está formada por regiones extensas de hoja plegada-ß. Por otro lado,
también existen proteínas que poseen cantidades significativas de ambos tipos de
estructura secundaria, como la anhidrasa carbónica humana.
d) Estructura cuaternaria: Muchas proteínas globulares son oligoméricas (formadas por
más de una subunidad polipeptídica). La posición espacial de cada subunidad está
determinada por la estructura cuaternaria. Así, la hemoglobina estaría formada por cuatro
subunidades (iguales dos a dos) cada una con su grupo hemo, necesario para el
transporte de oxígeno. Como resumen se muestran en la figura los cuatro niveles
estructurales presentes en la hemoglobina. La estructura primaria va a condicionar el
resto de los niveles estructurales de la Hb. De hecho, existen varias mutaciones de las
moléculas de Hb, en las que la secuencia de aminoácidos difiere un poco de la secuencia
de la Hb normal (conocida como HbA). La mayoría de estas mutaciones son inofensivas,
pero algunas causan graves enfermedades, como es el caso de la Hb de las células
falciformes (HbS). La diferencia entre la HbA y la HbS radica sólo en que en la secuencia
una molécula de ac. glutámico (polar con carga) es sustituida por Val (apolar). Este
pequeño cambio (1 de los 146 aas de las cadenas- ß) tiene un profundo efecto sobre el
resto de niveles estructurales, pues la apolaridad de la Val (situada en un extremo
exterior) interacciona hidrofóbicamente con partes apolares de las subunidades a de otras
HbS. Esto hace que las moléculas se agreguen y precipiten en las células. Así, los
glóbulos rojos (normalmente con forma de disco) adoptan forma de media luna,
obstruyendo capilares más delgados, restringiendo el flujo sanguíneo y provocando
dolores severos y sudoración.
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Desnaturalización
Si el pH, la concentración salina, la temperatura u otro aspecto del ambiente celular se
alteran, la proteína puede perder su conformación y, por lo tanto, su función. A este
proceso se llama denaturación o desnaturalización. El proceso es reversible si la proteína
vuelve a sus condiciones necesarias. Estas condiciones no son iguales a todas las
proteínas; por ejemplo, la pepsina puede funcionar al pH estomacal, no así las proteínas
duodenales.
ÁCIDOS NUCLEICOS
Existen dos tipos de ácidos nucleicos: desoxirribonucleico y ribonucleico. Son las
moléculas que capacitan a los organismos vivos para reproducir su complejo
equipamiento de generación en generación, siendo el ADN el único que dirige su propia
replicación. He aquí la base de la continuidad de la vida.
El ADN es el material genético que los organismos heredan de sus progenitores. El ADN
es una larga molécula que consiste en cientos o miles de genes, los cuales ocupan un
lugar específico en la molécula.
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Nucleótidos
Los ácidos nucleicos son polímeros de monómeros llamados nucleótidos. Cada nucleótido
está compuesto de tres partes: una base nitrogenada, una pentosa y un grupo fosfato.
Hay dos familias de bases nitrogenadas: pirimídicas y púricas. Las primeras se
caracterizan por un anillo de seis miembros compuesto de carbono y nitrógeno. Las
segundas, las púricas, son anillos de cinco miembros. Pirimídicas son la citosina (C), la
timina (T), y el uracilo (U). Púricas son la adenina (A) y la guanina (G).
La pentosa enlazada a la base nitrogenada es la ribosa para el caso de los nucleótidos
del ARN y la desoxirribosa para los nucleótidos del ADN.
Hasta el momento se ha formado un nucleósido (una base nitrogenada enlazada a un
azúcar). Si al azúcar unimos un grupo fosfato, formamos un nucleótido. A ese grupo
fosfato pueden unirse, por sucesivos enlaces covalentes, uno o dos grupos fosfato más,
resultando, respectivamente, un nucleótido-di-fosfato y un nucleótido-tri-fosfato
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Polinucleótidos
Un ácido nucleico es un polinucleótido. Los monómeros están unidos por enlaces
covalentes, llamados enlaces fosfodiéster, entre el fosfato de un nucleótido y el azúcar del
siguiente.
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• ARN mensajero (ARNm): Es el encargado de indicar la secuencia de aminoácidos que
integrará la proteína que se está sintetizando.
• ARN de transferencia (ARNt): o ARN soluble; tiene una estructura en hoja de trébol,
con zonas replegadas formando rizos; de peso molecular es bajo; su función es el
transporte específico de aminoácidos.
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Polidesoxirribonucleótidos: Ácido desoxirribonucleicos (ADN). Constituidos por dos
cadenas lineales enfrentadas por sus bases nitrogenadas y unidas por puentes de
hidrógeno (uniones débiles) entre ellas. Las uniones entre bases apareadas son muy
específicas: se establecen entre una base púrica y una pirimídica y sólo si esas bases
pueden formar el mismo número de puentes de hidrógeno. Esto permiten los siguientes
apareamientos: A-T, unidas por dos puentes de hidrógeno, y C-G, unidas por tres puentes
de hidrógeno. Esta doble cadena adopta una estructura helicoidal o doble hélice.
Formado por la unión de muchos desoxirribonucleótidos. La mayoría de las moléculas de
ADN poseen dos cadenas antiparalelas (una 5´-3´ y la otra 3´-5´) unidas entre sí mediante
bases nitrogenadas a través de puentes de hidrógeno.
El ADN porta la información genética y los genes están compuestos por ADN.
Estructura Primaria del ADN
Se trata de la secuencia de desoxirribonucleótidos de una de las cadenas. La información
genética está contenida en el orden exacto de los nucleótidos.
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Estructura Secundaria del ADN
Es una estructura en doble hélice. Permite explicar el almacenamiento de la información
genética y el mecanismo de duplicación del ADN. Fue postulada por Watson y Crick,
basándose en:
•
La difracción de rayos X que habían realizado Franklin y Wilkins.
•
La equivalencia de bases de Chargaff, que dice que la suma de adeninas más
guaninas es igual a la suma de timinas más citosinas.
Es una cadena doble, dextrógira o levógira, según el tipo de ADN. Ambas cadenas son
complementarias, pues la adenina de una se une a la timina de la otra, y la guanina de
una a la citosina de la otra. Ambas cadenas son antiparalelas, pues el extremo 3´ de una
se enfrenta al extremo 5´de la otra.
Existen tres modelos de ADN. El ADN de tipo B es el más abundante y es el descubierto
por Watson y Crick.
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Estructura Terciaria del ADN
Se refiere a como se almacena el ADN en un volumen reducido. Varía según se trate de
organismos procariontes o eucariontes:
a) En procariontes se pliega como una super-hélice en forma, generalmente, circular y
asociada a una pequeña cantidad de proteínas. Lo mismo ocurre en las mitocondrias y en
los plastos.
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b) En eucariontes el empaquetamiento ha de ser más complejo y compacto y para esto
necesita la presencia de proteínas, como son las histonas y otras de naturaleza no
histona (en los espermatozoides las proteínas son las protaminas). A esta unión de ADN y
proteínas se conoce como cromatina, en la cual se distinguen diferentes niveles de
organización: 1) Nucleosoma, 2) Collar de perlas, 3) Fibra cromatínica, 4) Bucles radiales
y 5) Cromosoma.
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B.- Desnaturalización del ADN
Cuando la temperatura alcanza el punto de fusión del ADN, la agitación térmica es capaz
de separar las dos hebras y producir una desnaturalización. Este es un proceso
reversible, ya que al bajar la temperatura se puede producir una renaturalización. En este
proceso se rompen los puentes de hidrógeno que unen las cadenas y se produce la
separación de las mismas, pero no se rompen los enlaces fosfodiéster covalentes que
forman la secuencia de la cadena.
La desnaturalización del ADN puede ocurrir, también, por variaciones en el pH. Al enfriar
lentamente puede renaturalizarse.
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Estimado Estudiante,
Detente a desarrollar las siguientes preguntas de repaso que te ayudarán a
vuestro estudio:
I)
Cuales son las características químicas de los carbohidratos y explica
cuales son sus funciones.
II)
Distinga su estructura química entre los siguientes conceptos:
monosacárido, disacárido y polisacárido. Además de dar dos ejemplos
de cada uno.
III)
Explica la reacción de saponificación y que grupos de lípidos pertenece
cada uno dependiendo de esta clasificación (lípidos saponificables y
lípidos no saponificables)
IV)
Dibuje la disposición de los fosfolípidos cuando están rodeados de agua.
V)
Describa las estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de
una proteína
VI)
Dibuja y describe las diferencias entre nucleotido y nucleosido
VII)
Dibuja y describe las diferencias entre el azúcar de ribosa y la
desoxirribosa
Bibliografía
Audesirk, T. Audesirk, G. Byers ,B.E.(2003). Biología. La vida en la Tierra. Prentice Hall.
6ª Edición.
Curtis, H. & Barnes, S. (2000).Biología. Ed. Medica Panamericana. 6ª Edición.
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Chatain, I. Bustamante, J. (1986). Anatomía Macroscópica Funcional y Clínica.
Addison – Wesley Iberoamericana. Sistemas Técnicos de Edición, S.A. de C.V.
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Madrid.
Martin, J. (1998). Neuroanatomía. Prentice Hall. Segunda edición. Texto y Atlas.
Netter, F.H. (1999). Atlas de Anatomía Humana. Novartis-Masson.
Moore, K.L. (2002). Anatomía con orientación clínica. Médica Panamericana. Cuarta
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Williams, P. (1998). Anatomía de Gray. Churchill Livingstone. 38 edición. Tomo I y Tomo
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