BC y M BC y M -2 -2

-2-2

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

• ‘Introduccion’:– La vida se basa en las propiedades de

los atomos, y es regulada por los mismos principios de la ‘fisica’ y la ‘quimica’.

– El nivel de organizacion de la celula, es solo un pequeno paso adelante, despues del nivel atomico.

– Las propiedades de las celulas y sus organelos, derivan directamente de la actividad de sus moleculas.

– Un proceso, como la division celular.– Es muy dificil comprender la fisiologia

(funcionamiento) de la celula, si no se tiene un conocimiento basico, de la estructura y propiedades de los tipos principales de moleculas biologicas.

– Un atomo esta formado por:• Nucleo, conteniendo protones y neutrones (+).• Orbitas (orbitales) formadas por los electrones(-) que giran alrededor de su nucleo.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

““Enlaces covalentes”Enlaces covalentes”– Los atomos que forman moleculas, se

unen entre si, por, ‘enlaces covalentes’, en los que, ‘pares de ‘electrones’ se comparten entre pares de ‘atomos’

– Principio fundamental: “un atomo es mas estable cuando su capa electronica mas externa (distal), esta completa” luego, el numero de enlaces que un atomo puede formar, esta en relacion directa, con el numero de electrones necesarios, para completar la capa externa…

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”• De la figura:

– La capa externa de los atomos de hidrogeno (H+) se llena cuando posee dos electrones, la capa externa de otros atomos se completa cuando tienen 8 electrones.

– El atomo de oxigeno con 6 electrones en su capa externa, la puede completar al unir dos atomos de hidrogeno formando una molecula de agua.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”– El atomo de oxigeno se une a cada

atomo de hidrogeno por medio de un enlace covalente simple.

– Cada enlace covalente, libera energia, y esta se reabsorbe al romperse el enlace.

– La energia para romper los enlaces C – H – covalentes C – C 80 a 100 kcal/mol C – O

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”– Con frecuencia se encuentran, enlaces

covalentes dobles (Oxigeno), o triples (Nitrogeno)

– El tipo de enlace determina la forma de la molecula y algunas propiedades:

• Un enlace simple, es capaz de rotar • Un enlace doble o triple, no puede rotar.• La union covalente de 2 atomos diferentes: el nucleo del atomo con carga positiva ejercera mayor atraccion sobre los electrones externos del otro atomo. (electro- negatividad)

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

– “La electronegatividad de un atomo, depende de 2 factores: • 1) el numero de cargas positivas (protones)

en su nucleo.• 2) y la distancia que existe entre el nucleo y

el o los electrones mas externos”.

– Entre los atomos, encontrados frecuentemente, en las moleculas biologicas, el nitrogeno y el oxigeno son los mas electronegativos.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”• “Moleculas polares

y apolares”;• La molecula de

agua: su oxigeno atrae con mas fuerza los electrones, que el hidrogeno; por lo que, enlaces O – H, estan polarizados, por que, uno de los atomos tiene carga parcial (+), y el otro carga parcial (-).

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”– La molecula del agua tiene distribucion

‘asimetrica’ de sus cargas y por eso es una molecula ‘polar’.

– Las moleculaspolares mas importantesen Biologia contienen unoo mas atomoselectronegativos:O, N, S y P

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”– Moleculas sin atomos electronegativos y

enlaces polarizados (hidrocarbones) se dice que son ‘apolares’.

– La reactividad de las moleculas, se determina por los enlaces muy polarizados.

– Las moleculas apolares, (grasas y ceras) tienden a ser ‘inertes’.

– Muchas moleculas biologicas (proteinas y fosfolipidos) contienen regiones polares y apolares.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

• “Ionizacion”– Atomos muy electronegativos, pueden

capturar electrones de otros atomos, durante una reaccion quimica.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

• Ejemplo: cuando elementos, como el sodio y el cloro, se mezclan, el unico electron, en la capa mas externa de cada atomo de sodio, se desplaza a la capa mas externa del atomo de cloro deficiente en un electron.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

– De esta manera, estos dos elementos, se transforman en atomos ‘cargados’, es decir ‘iones’.

– El ion cloro tiene ahora un electron adicional,(en relacion con su nucleo) y su carga es negativa (Cl-) y se le llama anion. -El atomo de sodio, perdio un electron, posee una carga positiva adicional (Na+) y se le llama cation.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”– Iones sodio y cloro son relativamente estables;

un diferente arreglo de electrones dentro de un atomo, puede generar especies muy reactivas, como los ‘radicales libres’.

• “Los enlaces no-covalentes”:– Interacciones entre moleculas se logran por

interacciones debiles (enlaces) llamadas ‘no-covalentes’.

– Estos enlaces no dependen de intercambio de electrones sino de fuerzas de atraccion entre atomos de carga opuesta.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”– Enlaces no-covalentes son ‘debiles’ y se

rompen facilmente (1 a 5 kcal/mol), caracteristica que les favorece para intervenir en interacciones dinamicas entre las moleculas de la celula.

– Su fuerza (aditiva) esta en la union de muchos enlaces de esta clase.

– Estos enlaces numerosos le dan estabilidad a las estructuras celulares.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

– “Enlaces Ionicos” (atraccion entre atomos cargados)

• Un grano de sal de mesa se mantiene unido por fuerzas electrostaticas entre el Na+ y el Cl- de cargas opuestas; esta union se le conoce como ‘enlace ionico’

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”• estos enlaces pueden ser muy fuertes, pero si el grano de sal se

disuelve en agua, cada uno de los iones se rodea de moleculas de agua que les impide atraerse entre si

– El medio acuoso de las celulas y los enlaces ionicos debiles son de gran relevancia a diferencia de los iones ‘libres’

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

– Por ejemplo, cuando los atomos de fosfato (P) de carga negativa, como parte de una molecula de DNA, se vinculan con los grupos de carga positiva de la superficie de la proteina (Histona)

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

– La fuerza ionica en las celulas es debil, por lo general (3 kcal/mol), debido a la presencia de agua.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”• “Puentes de Hidrogeno”

– Un atomo de H+ unido a un atomo mas electronegativo (O o N), el unico par de electrones compartidos, se desplaza hacia el nucleo del atomo electronegativo, esto deja una carga parcial positiva al H+, asi, el nucleo del H+ con carga (+), puede ser atraido por un segundo atomo electronegativo.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

– Los puentes de hidrogeno son mas comunes entre las moleculas mas polares; son importantes en la determinacion de la estructura y propiedades del agua.

– Las dos cadenas del DNA se mantienen unidas por puentes de hidrogeno con fuerza aditiva.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

• “Interacciones hidrofobas y Fuerzas de van der Waals”.– Azucares y aminoacidos

(polares) son ‘hidrofilicos’

– ’esteroides’ o ‘grasas’ son hidrofobicos y cuando se encuentran en medio acuoso, se congregan en una forma de menor contacto con el agua.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”– Las interacciones hidrofobicas NO son

consideradas enlaces verdaderos.– Los grupos hidrofobos pueden formar

uniones debiles entre si, basados en ‘atracciones electrostaticas’

– Moleculas polares se vinculan por tener una distribucion asimetrica permanente de carga en su estructura.

– En un momento particular, la densidad de electrones puede ser mayor en un lado del atomo.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

– Esta asimetria transitoria, crea separaciones momentaneas de cargas (dipolo)dentro de la molecula.

– Dos moleculas con dipolos estan cercanas y orientadas en forma apropiada, experimentan una atraccion debil conocida como fuerza van der Waals que une a estas moleculas; estas uniones son muy debiles (0.1 a 0.3 kcal) y muy sensibles a la distancia que separa a los dos atomos.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”– a)-conforme 2 atomos se aproximan entre si, forman

una fuerza debil de atraccion que aumenta por arriba de una distancia especifica: 4 Å. Si se acercan mas, sus nubes electronicas se rechazan y se separan los atomos. Luego, muchos atomos de las moleculas organicas que interactuan entre si, pueden acercarse mucho.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

• “Las propiedades del agua”– El agua, con solo 3 atomos, posee

muchas propiedades extraordinarias; entre estas hay 3 esenciales:• Es una molecula muy asimetrica.• Cada enlace covalente esta muy polarizado.• Los 3 atomos del agua pueden formar enlaces de hidrogeno.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

– Cada molecula de agua puede formar hasta 4 enlaces de hidrogeno.

– El gran numero de enlaces de H+ hace que el agua tienda a adherirse entre si.

– Esta propiedad es mas evidente al considerar las propiedades termicas del agua.

– El agua celular disuelve sustancias (solutos) este poder de disolucion, es mayor que cualquier otro solvente.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”– Sin embargo el agua es mas que un solvente,

pues determina la estructura de las moleculas biologicas y los tipos de acciones en las que participa.

– El agua es el liquido matriz.– El agua es el medio a traves del cual los

materiales se mueven de un comparimento a otro de la celula.

– Es un reactivo o producto en muchas reacciones quimicas.

– Protégé a la celula en muchas formas (calor, frio, radiaciones)

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”

– “Acidos, Bases y Amortiguadores”• Los protones del nucleo del atomo, tambien

se liberan dentro del medio celular, siempre que un atomo de H+ pierda un electron.

• La siguiente reaccion lo explica:

• Una sustancia capaz de donar un electron es un Acido.

““Bases quimicas de la vida”Bases quimicas de la vida”– El proton liberado por el acido acetico no

permanece en estado libre, se combina con otra molecula…

– Las combinaciones que ese proton libre puede formar:• Combinandose con H20 forma:

H+ + H20 H30+ (hidronio)• Combinandose con un ion hidroxilo, forma

agua. H+ + 0H- H20• Combinandose con un grupo amino (-NH2)

en una proteina, forma una amina con carga H+ + -NH2 -NH3

+

‘Acidos, Bases, Amortiguadores’

– Cualquier molecula capaz de ‘aceptar’ un proton se define como una base.

– El acido pierde un proton y se convierte en una ‘base’

se conoce como‘base conjugadadel acido’.Igual, cuando una base (-NH2) aceptaun proton, forma un Acido (-NH3) que sedenomina “acido conjugado” de la base

‘Acidos, Bases, Amortiguadores’

– El agua es un ejemplo de una molecula ‘amfoterica’, o sea, la molecula que puede servir como acido o base.

H30+ H20 + H+ 0H- + H+

-Los acidos varian mucho por la ‘facilidad’ con la que se desprenden de un proton• A mayor facilidad, para perder el proton,

mas fuerte es el acido. O cuando la afinidad de la base (o fuerza de atraccion de la base conjugada) por su proton es muy debil.

‘Acidos, Bases, Amortiguadores’

– La base conjugada de un acido ‘fuerte’es una base ‘debil’.

– El acido acetico es un acido ‘debil’ porque en su mayor parte, permanece sin ‘disociarse’cuando se disuelve en agua.

– ‘Grado de disociacion de un acido’: la competencia por protones entre los componentes de una solucion.

‘Acidos, Bases, Amortiguadores’

– El agua es un buen competidor, es decir, una base mas fuerte en comparacion con el ion cloro, de modo que el HCl se disocia por completo.

– Por el contrario el ion acetato es una base mas fuerte que el agua y por lo tanto permanece sobre todo sin disociarse.

– La acidez de una solucion se mide por la concentracion de hidrogeniones [H+] y se expres como ‘pH’

‘Acidos, Bases, Amortiguadores’

• pH = -log [H+]– En [H+] esta la concentracion molar de

protones. Ejemplo: solucion con pH de 5, tiene una [H+] de 10-5 M.

– La escala de pH es logaritmica, un incremento de una unidad de pH corresponde a un aumento de10 veces la [OH-] (o una baja de 10 veces la [H+])

– La [H+]en el jugo gastrico (pH 1.8) es casi 1 millon de veces, la [H+] en el plama sanguineo. (pH 7.4)

‘Acidos, Bases, Amortiguadores’

– Cuando el agua se disocia en un ion hidroxilo (0H) y un proton (H+) (o con

mayor precision, 2H20 H30+ + 0H-), la constante de equilibrio para la reaccion se puede representar como:

Keq = [H+][0H-]/ [H20]

– El grado tan bajo, de disociacion del agua indica que es un acido muy debil.

– En presencia de un acido, la [H+] se eleva y la [0H-]desciende (porque se asocia con protones para formar agua)de modo que elproducto ionico permanezca en 10-14

‘Acidos, Bases, Amortiguadores’

– Todos los procesos biologicos son muy sensibles a los cambios de pH debido a que los cambios de la [H+] afectan el estado ionico de las moleculas biologicas.

– Ejemplo: al la [H+], los grupos –NH2 del residuo ‘arginina’ se protonan -NH+3

que pueden alterar la funcion de toda la proteina.

‘Acidos, Bases, Amortiguadores’

– Los organismos, y las celulas que los forman estan protegidos contra variaciones del pH.

– Los amortiguadores (buffers)compuestos que pueden aceptar o donar protones (H+) o (0H libres) y resisten los cambios de pH.

– Estos compuestos contienen un ‘acido debil’ junto con una base conjugada. Ej.:

la sangre es amortiguada por el acido carbonico y el bicarbonato que en condiciones normales mantienen el pH en 7.4.

HCO3- + H+ H2CO3

‘Acidos, Bases, Amortiguadores’

– Cuando la [H+], se eleva, (ejercicio), los iones bicarbonato se combinan con el exceso de protones y se eliminan de la solucion.

– Por el contrario, el exceso de iones OH- (en la hiperventilacion) se neutraliza por protones derivados del acido carbonico.

– El pH del liquido ‘intracelular’ esta regulado tambien por un sistema amortiguador de ‘fosfato que consiste en

H2P0-4 y HP04

2

““Las Moleculas Biologicas”Las Moleculas Biologicas”– La masa corporal humana, contiene agua

(60%)– Evaporando el agua, solo queda “carbono” una

molecula organica ahora conocida como “bioquimico”.

– La quimica de la vida se centra ahora en la quimica del ‘carbono’.

– El carbono puede formar muchas moleculas.– Posee 4 electrones en su capa (orbitales)

exterior por lo que puede unir 4 otros atomos.– Asi se observan estructuras muy larga de

cadenas de carbones.

““Las Moleculas Biologicas”Las Moleculas Biologicas”– Los esqueletos de carbono pueden ser

lineales, ramificados o ciclicos. Tambien forman isomeros.Y la estructura del‘colesterol’, ilustra lasdisposiciones de los atomos de carbono.Tamano y estructurale permiten al carbonformar miles demoleculas.

““Las Moleculas Biologicas”Las Moleculas Biologicas”

– El Silicio, con 4 electrones tambien, es demasiado grande para que la raga positiva de su nucleo atraiga a otros atomos con fuerza suficiente para formar moleculas grandes.

– Los hidrocarburos (C-H)son la estructura mas simple, moleculas importantes estan formadas de cadenas de hidrocarburos pero sus hidrogenos pueden ser sustituidos por varios grupos funcionales.

““Las Moleculas Biologicas”Las Moleculas Biologicas”– Los grupos funcionales: agrupacion de atomos que

pueden funcionar como una unidad y confieren a las moleculas organicas sus propiedades fisicas, reactividad quimica y solubilidad en solucion acuosa. Los enlaces que usan son enlaces tipo “ester” y enlaces tipo “amida”

““Las Moleculas Biologicas”Las Moleculas Biologicas”

““Las Moleculas Biologicas”Las Moleculas Biologicas”– Caracteristica de los grupos funcionales:

• Poseen 1 o mas atomos ‘electronegativos’• Algunos, se pueden ionizar y adquirir carga

(+) o (-).

– Efecto de sustituir grupos funcionales:• Grupo ‘etano’ (CH3CH3), gas inflamable, toxico• Sustitucion; (CH3 CH2 0H) = Etanol• Sustitucion: (CH3C00H) =Acido Acetico.• Sustitucion: (CH3CH2 SH) = Etilmercaptano. gas de olor fetido, se usa en reacciones

enzimaticas.

““Las Moleculas Biologicas”Las Moleculas Biologicas”– “Clasificacion de las Moleculas

biologicas segun su funcion”– Macromoleculas:

• Moleculas grandes que ejecutan las actividades de la celula.

• Contienen docenas a millones de atomos de carbono.

• Por su tamano y formas variadas, algunas pueden hacer tareas complejas con gran precision y eficiencia.

““Las Moleculas Biologicas”Las Moleculas Biologicas”

– Estas macromoleculas le confiere a los organismos las propiedades de vida y las singulariza en sentido quimico dentro del mundo inanimado.

• Las macromoleculas se dividen en:– Proteinas -Acidos Nucleicos– Polisacaridos -Lipidos.– Los primeros 3 son “polimeros”

formados de monomeros( de bajo peso molecular)

““Las Moleculas Biologicas”Las Moleculas Biologicas”

– El proceso de construccion de las macromoleculas por polimerizacion.

– La estructura basica y funcion de cada tipo de macromolecula son similares en todos los organismos.

– Muchas macromoleculas de la celula tienen una vida corta, con la excepcion del DNA, todas las macromoleculas se degradan y son sustituidas

““Las Moleculas Biologicas”Las Moleculas Biologicas”– Casi todas las celulas tienen un “pool’ de

precursores de bajo peso molecular que de manera efectiva se incorpora a las macromoleculas. (azucares, aminoacidos, nucleotidos y los acidos grasos).

– Intermediarios;• Las moleculas en una celula tienen estructuras

quimicas complejas y se sintetizan paso a paso.• Cada serie de reacciones quimicas se conoce

como via metabolica.• La celula convierte un compuesto A,en un

compuesto B, este en uno C y asi sucesivamente.

““Las Moleculas Biologicas”Las Moleculas Biologicas”• De la secuencia anterior se obtienen productos

finales (proteinas de aminoacidos).• Pero los productos intermedios se pueden

convertir en intermediarios metabolicos.

– Moleculas de funcion diversa:• Categoria amplia de moleculas.• Estas moleculas incluyen: vitaminas,

sustancias que coadyuvan a las proteinas; hormonas esteroides o aminoacidos; moleculas que participan en el almacenamiento de energia como el ATP, o fosfato de creatina; moleculas reguladoras como el AMPciclico. Y productos de deshecho como la ‘urea’.

““Las Moleculas Biologicas”Las Moleculas Biologicas”

• “Cuatro tipos de moleculas biologicas”

““Las Moleculas Biologicas”Las Moleculas Biologicas”

• “Carbohidratos”– Estos incluyen azucares simples

(monosacaridos) y muchas moleculas grandes formadas por carbohidratos.