Biologa de 2 de bachillerato

Robert Hooke

Jos Luis Snchez Guilln IES PANDO

Oviedo 2010

2010 I.E.S. PANDO Departamento de Biologa-Geologa OVIEDO-Asturias (ESPAA).

NDICE

BLOQUE I: BIOMOLCULAS 1. Mtodos de estudio de la clula......................... 6 1. Bioelementos y biomolculas: Generalidades............. 10 2. El agua y las sales minerales........................... 7 3. Los glcidos.......................................... 12 4. Los lpidos........................................... 10 5. Las protenas......................................... 14 BLOQUE II: LA CLULA (ESTRUCTURA Y METABOLISMO) 1. Origen de los seres vivos y Teora celular............. 11 2. Membranas y transporte.................................11 3. El medio interno celular................................3 4. Sistemas de membranas...................................7 5. Metabolismo: Enzimas....................................8 5a. Fotosntesis y quimiosntesis....................... 15 5b. Respiracin celular y fermentaciones................ 17 BLOQUE III: INFORMACIN CELULAR 1. El ncleo celular...................................... 5 2. Los cidos nuclicos...................................10 3. El ADN como portador de la informacin gentica......... 3 4. Trascripcin y traduccin de la informacin gentica... 11 5. La replicacin del ADN..................................3 6. El ciclo celular: Mitosis...............................8 7. Los cromosomas metafsicos..............................4 8. La meiosis............................................. 7 9. Las mutaciones........................................ 10 10. La herencia gentica: Mendelismo...................... 17 11. Gentica aplicada......................................5

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BLOQUE IV: MICROBIOLOGA Y BIOTECNOLOGA 1. Microbiologa y biotecnologa.......................... 29 pags BLOQUE V: INMUNOLOGA 1. Inmunologa........................................... 22 pags

I) Biomolculas

1) Mtodos de estudio de la clula

1-1MTODOS DE ESTUDIO DE LA CLULA

CLASIFICACIN Clasificaremos los mtodos que se utilizan para el estudio de la clula en dos grandes grupos: I) Tcnicas para el estudio fisicoqumico: sirven para conocer la composicin y relacionar esta composicin con las estructuras celulares. Estos mtodos son: a) Centrifugacin b) Cromatografa c) Electroforesis d) Cultivos "in vitro" II) Tcnicas para el estudio morfolgico de la clula. Nos permiten conocer cmo es su forma, su tamao y su estructura. Son, fundamentalmente: a) Microscopa ptica b) Microscopa electrnica 1) Microscopio electrnico de Trasmisin (MET) 2) Microscopio electrnico de barrido (MEB)

I) TCNICAS PARA EL ESTUDIO FISICOQUMICO DE LA CLULA Este tipo de mtodos se utilizan para el aislamiento, localizacin e identificacin de las sustancias que constituyen la materia viva. Presentan dos problemas principalmente: a) Los componentes de un ser vivo se encuentran formando mezclas muy complejas. b) La mayora de las sustancias que encontramos en los seres vivos son, a su vez, de una gran complejidad. Pensemos,por ejemplo, que una sola de los varios miles de protenas que contiene una clula puede estar formada por ms 5000 aminocidos. Pasemos a continuacin al estudio de cada uno de estos mtodos.

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A) CENTRIFUGACIN Consiste en la separacin de los componentes de una mezcla en funcin de las diferencias entre las velocidades que presentan al someterlos a elevadas aceleraciones (g). Esto se consigue haciendo girar la mezcla en un rotor a un gran nmero de vueltas por minuto. Los aparatos empleados con este fin se denominan ultracentrfugas. Esta tcnica requiere los siguientes pasos: 1) FRACCIONAMIENTO U HOMOGENEIZACIN: El material biolgico, por ejemplo: un fragmento de tejido del hgado, es triturado para disgregarlo y romper las membranas celulares. La rotura de las membranas deja en libertad los orgnulos celulares y el contenido del hialoplasma. Si la homogeneizacin se realiza suavemente, los orgnulos permanecern intactos. Obtendremos as una "papilla" que estar compuesta de restos de membranas, orgnulos celulares, ncleos, molculas libres y agua.Fig. 2 Centrfuga. Fig. 1 Homogeneizador.

2) CENTRIFUGACIN: Las ultracentrfugas son mquinas que consiguen velocidades de rotacin muy elevadas, hasta 500.000 v/mn. En el interior de estos aparatos se alcanzan grandes aceleraciones que se miden en g (1g=9,8 m/s2). En una ultracentrfuga pueden alcanzarse hasta 100.000 g. Los materiales biolgicos sometidos a estas aceleraciones se desplazan hacia el fondo de los recipientes que los contienen con velocidades que dependen de su masa, de su forma y volumen, y de la naturaleza del medio en el que se realice la centrifugacin. B) CROMATOGRAFA Se fundamenta en la separacin de los componentes de una mezcla por sus diferencias de absorcin. stas diferencias van a ser debidas a las fuerzas de Van der Wals que se establecen entre los componentes de la mezcla y una sustancia que acta de fase estacionaria. Segn la naturaleza de la fase estacionaria, tendremos los siguientes tipos de cromatografa: 1) CROMATOGRAFA SOBRE PAPEL: Se emplea para la separacin de sustancias qumicas que presenten propiedades muy Fig. 4 Cromatografa de gases. parecidas. Se opera de la siguiente manera. Una pequea cantidad de la mezcla a separar se deposita sobre un fragmento de papel poroso en el que quedar embebida. A continuacin seFig. 3 Cromatografa de papel.

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introduce el borde del papel en una sustancia en la que sean solubles los componentes de la mezcla que queremos separar. El disolvente se desplazar por capilaridad y los ir arrastrando. Los componentes de la mezcla viajarn ms o menos rpido segn establezcan fuerzas ms o menos grandes con las molculas del papel. Para observar los componentes ya separados se emplean reacciones coloreadas especficas. 2) CROMATOGRAFA DE GASES: El aparato consiste en un serpentn largo y delgado cuyas paredes estn impregnadas de un lquido (fase estacionaria). La mezcla a separar se vaporiza y atraviesa el serpentn transportada por un gas. La fase estacionaria retiene ms o menos los diferentes componentes de la mezcla. stos se detectan cuando al atravesar una llama entran en combustin, lo que aumenta la conductividad elctrica del detector. Este mtodo tiene la ventaja de necesitar pequesimas cantidades (0,05 mg) y es capaz de separar sustancias muy parecidas qumicamente; por ejemplo: cidos grasos,azcares u hormonas. C) ELECTROFORESIS En este mtodo, la mezcla a separar se deposita en una cubeta sobre un soporte de tipo poroso (acetato de celulosa o tambin gel de almidn). A continuacin se establece una diferencia de potencial entre los extremos del soporte. Las sustancias que componen la mezcla se desplazarn en funcin de su carga elctrica. Naturalmente este mtodo se emplear con sustancias que presenten cargas elctricas (protenas y cidos nuclicos) D) CULTIVOS IN VITRO Estos mtodos nos van a permitir mantener lneas celulares en el exterior de un organismo en condiciones favorables a su multiplicacin. La gran ventaja va a ser la facilidad para el tratamiento del material biolgico y su estandarizacin. Las clulas extradas deben mantenerse para su cultivo en un medio con las condiciones fsicas y qumicas adecuadas y suministrarles aquellas sustancias que ellas no son capaces de sintetizar. En la actualidad se venden medios de cultivo concretos para cada tipo celular y que permiten mantener los cultivos durante largos perodos de tiempo.Fig. 5 Cubeta para electroforesis.

Fig. 6 Cultivo de bacterias en cpsula de petri.

II) MTODOS MORFOLGICOS Los mtodos morfolgicos nos van a permitir la observacin directa de la estructura celular. El ojo humano puede distinguir a 25 cm dos objetos separados entre s 0,2 mm. ste es el poder separador o poder de resolucin del ojo. Las clulas de mamfero suelen tener unos 0,01 mm, por lo que no es posible verlas a simple vista y mucho menos observar en ellas detalles estructurales. El microscopio va a permitir su observacin al aumentar el poder de resolucin del ojo.

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CLASES DE MICROSCOPIOS A) MICROSCOPIO PTICO O FOTNICO 1) FUNDAMENTO: Funciona de la siguiente manera: Una fuente luminosa enva rayos de luz a una primera lente, llamada condensador, que concentra los rayos de luz sobre el objeto a observar. Estos rayos atraviesan el objeto y una lente denominada objetivo da una imagen aumentada de ste. Una segunda lente, el ocular, vuelve a aumentar la imagen dada por el objetivo. Esta ltima imagen es la que ser recibida por el observador. 2) PREPARACIN DEL MATERIAL: En el microscopio ptico la luz atraviesa el objeto a observar. Si ste es muy grueso, la luz no lo atravesar y el objeto aparecer demasiado oscuro; adems se superpondrn los diferentes planos dando una imagen borrosa. Si el objeto es demasiado delgado o muy transparente, no se observarn sus estructuras. En cualquier caso, deberemos realizar una preparacin. En general, una preparacin requiere las siguientes etapas 1- CORTE. Los objetos demasiado gruesos son cortados mediante aparatos denominados microtomos. stos permiten realizar cortes de apenas unas micras de grosor, corrientemente entre 3 y 20 . El tejido destinado al corte debe congelarse o incluirse en parafina para darle una mayor consistencia y que se pueda cortar con facilidad.10

ocular

revolver objetivo pinzas macromtrico micromtrico platina Fuente de iluminacin

Fig. 7 Partes del miccroscopio ptico.

16

ocular

revolver objetivos platina diafragma lmpara

macromtrico micromtrico

Fig. 8 Partes del miccroscopio ptico.

2- FIJACIN. Su fin es matar a las clulas con la menor alteracin de las estructuras posible, para evitar las modificaciones que pudiesen producirse posteriormente por el metabolismo celular o por la descomposicin. Como fijadores se emplean determinadas sustancias qumicas (por ejemplo: formaldehdo y tetrxido de osmio). 3- DESHIDRATACIN. La extraccin del agua del interior de las clulas permitir tambin una mejor conservacin y la penetracin de los colorantes. Para deshidratar el material a observar se le sumerge en alcoholes de cada vez mayor graduacin que por dilucin irn extrayendo el agua.4- TINCIN. Es la coloracin de las clulas o de partes de stas para que resalten y posibilitar as su observacin. Algunos colorantes son selectivos pues tien partes concretas de la clula. Existen dos clases de colorantes: a) Los colorantes vitales. Que tien las estructuras celulares pero sin matar a las clulas (por ejemplo: el verde jano, el rojo neutro, el azul tripn, el azul de metileno). b) Los colorantes no vitales. Que matan a las clulas (eosina, hematoxilina).

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5- MONTAJE. Una vez realizadas las anteriores operaciones el material se coloca entre un porta-objetos y un cubre-objetos. Para un montaje no definitivo, se coloca entre "porta" y "cubre" una gota de glicerina. Este tipo de preparaciones tiene una duracin limitada y slo sirven para la observacin momentnea o a lo sumo de unos das. Si se desea una mayor duracin debe realizarse el montaje en gelatina-glicerina o en euparal. B) EL MICROSCOPIO ELECTRNICO Existen dos clases de microscopios electrnicos: B1) Microscopio electrnico de trasmisin (MET). B2) Microscopio electrnico de barrido (MEB).

Fig. 9 Fundamento del microscopio ptico. Fig. 10 Fundamento del microscopio electrnico de trasmisin (MET).

B1) EL MICROSCOPIO ELECTRNICO DE TRANSMISIN (MET) 1) FUNDAMENTO: El microscopio electrnico fue puesto a punto en 1931 a partir de los trabajos tericos de De Broglie. Los electrones pueden comportarse como ondas o como partculas. Como ondas pueden llegar a tener una longitud 100.000 veces menor que la luz visible. Al ser partculas negativas pueden ser desviadas por campos elctricos que actan como lentes. En esencia su funcionamiento es similar al del microscopio ptico. Un ctodo emite un haz de electrones que son acelerados por la aplicacin de una diferencia de potencial entre el ctodo y el nodo. El flujo de electrones es concentrado sobre el objeto por una primera lente magntica que hace las veces de condensador. Los electrones atraviesan la muestra. Una segunda lente magntica, el objetivo, da una imagen aumentada del objeto. Una tercera lente, el ocular, aumenta de nuevo la imagen dada por la anterior. La imagen final es proyectada sobre una pantalla o fotografiada. Los microscopios electrnicos permiten aumentos tiles que van de 2000 a 100.000 pudiendo llegar hasta 600.000. Los microscopios electrnicos son aparatos de hasta 2 m de alto y llegan a pesar 500 kg.

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2) PREPARACIN del MATERIAL Los electrones necesitan desplazarse en el vaco, esta es la razn por la que no es posible la observacin de clulas vivas al microscopio electrnico. 2-1) FIJACIN. Las clulas son fijadas mediante fijadores no coagulantes. Los ms corrientes son el tetrxido de osmio (OsO4), el formaldehdo (HCHO) y el permanganato potsico (MnO4K). Los metales pesados que algunos contienen se fijan selectivamente a las diferentes estructuras celulares. Aquellas que retengan ms los metales aparecern ms oscuras. Es por esto que la imagen depende mucho del tipo de fijador utilizado. 2-2) DESHIDRATACIN e INCLUSIN. La pieza es deshidratada e infiltrada mediante una resina o plstico para darle una mayor consistencia y facilitar su corte. 2-3) CORTE. Los cortes se realizan mediante ultramicrotomos de cuchilla de vidrio o de diamante. Los cortes ms finos (0,03) son depositados sobre un tamiz y dispuestos para su observacin al microscopio. B2) MICROSCOPIO ELECTRNICO DE BARRIDO (MEB) Este tipo de microscopio permite obtener imgenes tridimensionales del objeto a estudiar. Primero se efecta un sombreado metlico de la superficie de la muestra, y la rplica obtenida es barrida por un haz de electrones. Los electrones secundarios que se forman son captados y convertidos en imgenes sobre una pantalla de televisin. Estos microscopio son muy tiles para revelar estructuras anatmicas submicroscpicas, sin embargo su aumento no suele pasar de 20.000.Microscopio ptico Fuente de iluminacin: La luz Se pueden ver seres vivos Poco aumento (X1000) Se observa la estructura Preparaciones sencillas Aparato relativamente barato Microscopio electrnico Fuente de iluminacin: electrones No se pueden ver los seres vivos Mucho aumento (X300 000) Se observa la ultraestructura Preparaciones complejas Instrumento muy caro

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I-2 BIOELEMENTOS Y BIOMOLCULAS

LOS BIOELEMENTOS: CONCEPTO Y CLASES

Los bioelementos son los elementos qumicos que constituyen los seres vivos. De los aproximadamente 100 elementos qumicos que existen en la naturaleza, unos 70 se encuentran en los seres vivos. De estos slo unos 22 se encuentran en todos en cierta abundancia y cumplen una cierta funcin. Clasificaremos los bioelementos en:>Bioelementos primarios: O, C, H, N, P y S. Representan en su conjunto el 96,2% del total. >Bioelementos secundarios: Na+ , K+ , Ca2+ , Mg 2 + , Cl-. Aunque se encuentran en menor proporcin que los primarios, son tambin imprescindibles para los seres vivos. En medio acuoso se encuentran siempre ionizados. Oligoelementos o elementos vestigiales: Son aquellos bioelementos que se encuentran en los seres vivos en un porcentaje menor del 0.1%. Algunos, los indispensables, se encuentran en todos los seres vivos, mientras que otros, variables, solamente los necesitan algunos organismos.

TABLA BIOELEMENTOS Primarios O C H N P S Secundarios Na+ K+ Mg 2 + Ca2 + ClOLIGOELEMENTOS Indispensables Mn Fe Co Cu Zn Variables B Al V Mo I Si

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PRINCIPALES CARACTERSTICAS DE LOS BIOELEMENTOS PRIMARIOS

El hecho de que los bioelementos primarios sean tan abundantes en los seres vivos se debe a que presentan ciertas caractersticas que los hacen idneos para formar las molculas de los seres vivos. As: * Aunque no son de los ms abundantes, todos ellos se encuentran con cierta facilidad en las capas ms externas de la Tierra (corteza, atmsfera e hidrosfera). TABLA Los elementos qumicos ms abundantes en la corteza terrestre y en los seres vivos (en % en peso). Elementos Oxgeno Silicio Aluminio Hierro Corteza (%) 47 28 8 5 Elementos Oxgeno Carbono Hidrgeno Nitrgeno Seres vivos (%) 63 20 9,5 3

* Sus compuestos presentan polaridad por lo que fcilmente se disuelven en el agua, lo que facilita su incorporacin y eliminacin.

Tabla de los BioelementosH Li Na K Rb Cs Fr Be Mg Ca Sr Ba Ra Sc Y La AcCs Th Pr Pa Nd U Pm Np Sm Pu Eu Am Gd Cm Tb Bk Dy Cf Ho Es Er Fm Tm Md Yb No Lu Lw

He B Al Ti Zr Hf V Nb Ta Cr Mo W Mn Tc Re Fe Ru Os Co Rh Ir Ni Pd Pt Cu Ag Au Zn Cd Hg Ga In Tl C Si Ge Sn Pb N P As Sb Bi O S Se Te Po F Cl Br I At Ne Ar Kr Xe Rn

Primarios Bioelementos Secundarios Oligoelementos

Indispensables Variables

15

* El C y el N presentan la misma afinidad para unirse al oxgeno o al hidrgeno, por lo que pasan con la misma facilidad del estado oxidado al reducido. Esto es de gran importancia, pues los procesos de oxidacin-reduccin son la base de muchos procesos qumicos muy importantes y en particular de los relacionados con la obtencin de energa como la fotosntesis y la respiracin celular.

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* El C, el H, el O y el N son elementos de pequea masa atmica y tienen variabilidad de valencias, por lo que pueden formar entre s enlaces covalentes fuertes y estables. Debido a esto dan lugar a una gran variedad de molculas y de gran tamao. De todos ellos el carbono es el ms importante. Este tomo es la base de la qumica orgnica y de la qumica de los seres vivos.

LAS BIOMOLCULAS: CLASIFICACIN

Los bioelementos se unen entre s para formar molculas que llamaremos biomolculas: Las molculas que constituyen los seres vivos. Estas molculas se han clasificado tradicionalmente en los diferentes principios inmediatos, llamados as porque podan extraerse de la materia viva con cierta facilidad, inmediatamente, por mtodos fsicos sencillos, como : evaporacin, filtracin, destilacin, disolucin, etc.

Los diferentes grupos de principios inmediatos son:Inorgnicos Orgnicos

-Agua -CO2 -Sales minerales

-Glcidos -Lpidos -Prtidos o protenas -cidos nucleicos

LOS COMPUESTOS ORGNICOS DE LOS SERES VIVOS.

Son compuestos orgnicos los compuestos de carbono. Esto es, aquellos en los que el tomo de carbono es un elemento esencial en la molcula y forma en ella la cadena bsica a la que estn unidos los dems elementos qumicos. Los seres vivos contienen compuestos orgnicos. Son stos los que caracterizan a la materia viva y la causa de las peculiares funciones que realiza. La gran variedad de compuestos orgnicos que contienen los seres vivos no se clasifican desde un punto de vista qumico, sino a partir de criterios muy simples, tales como su solubilidad o no en agua, u otros. Siguiendo estos criterios se clasifican en : -Glcidos o hidratos de carbono -Lpidos -Prtidos (protenas) -cidos nucleicos

Las funciones que cumplen estos compuestos en los seres vivos son muy variadas,

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as: -Glcidos y lpidos tienen esencialmente funciones energticas y estructurales. -Las protenas: enzimticas y estructurales. -Los cidos nucleicos son los responsables de la informacin gentica. Algunas sustancias son de gran importancia para los seres vivos pero estos las necesitan en muy pequea cantidad y nunca tienen funciones energticas ni estructurales. Por esta causa reciben el nombre de biocatalizadores. Son biocatalizadores las vitaminas, las enzimas y las hormonas.

REPARTICIN DE LOS COMPONENTES MOLECULARES DE LA CLULA (en % sobre masa total)

Principios inmediatos Glcidos Lpidos Prtidos cidos Nucleicos ARN ADN Precursores Agua Sales minerales

PROCARIOTAS

EUCARIOTAS

3 2 15 6 2 1 70 1

3 4,5 18 1,25 0,25 2 70 1

EL ENLACE COVALENTE

Los tomos que forman las molculas orgnicas estn unidos mediante enlaces covalentes. Se trata de un enlace muy resistente cuando la molcula est en disolucin acuosa, lo que es el caso de los seres vivos.

H O H H C C C S H H H

Este tipo de enlace se forma cuando dos los diferentes tomos que constituyen una biomolcula. tomos comparten uno o ms pares de electrones. Si comparten 2 electrones, uno cada tomo, diremos que ambos estn unidos mediante un enlace simple; si comparten 4, aportando dos cada uno, el enlace ser doble, y si son seis tendremos un enlace triple. Los enlaces se representan mediante trazo entre los tomos a los que une. As, por

Fig. 1 Unin mediante enlaces covalentes de

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ejemplo: -C-C-, para el enlace simple carbono-carbono o -C=C- , para el doble. Es de destacar que el enlace simple permite el giro, lo que no sucede con los enlaces doble y el triple. El enlace covalente se da entre elementos no metlicos de electronegatividad similar: C-C, C-O, C-N, C-H. Si existe una mayor diferencia de electronegatividad, como ocurre entre el oxgeno y el nitrgeno con el hidrgeno, el elemento ms electronegativo (el oxgeno y el nitrgeno, respectivamente) atrae hacia s los electrones crendose una polaridad. Esto es, la molcula tendr zonas cor carga elctrica positiva y otras con carga negativa.

+ +

Polaridad del enlace O-H

Polaridad del enlace N-H

Fig. 2 Polaridad del enlace-O-H y del enlace >N- H.

CARACTERSTICAS DEL TOMO DE CARBONO

El carbono es el elemento nmero 6 de la tabla peridica (Z=6 y A =12). Su estructura electrnica es 1s 2 2s 2 2p 2 . Como ya se ha dicho, es el elemento ms importante de los seres vivos, aunque no sea el que se encuentra en ms abundancia. En la corteza terrestre es un elemento relativamente raro. Lo encontramos en la atmsfera en forma de CO2 , disuelto en las aguas formando carbonatos y en la corteza constituyendo las rocas calizas (CO3 Ca) el carbn y el petrleo.

CCuatro simples

CUno doble y dos simples

CDos dobles.

CUno triple y uno simple.

Fig. 3 Enlaces covalentes que puede tener el tomo de carbono al unirse a otros bioelementos.

LOS ENLACES COVALENTES DEL CARBONO Y DE OTROS BIOELEMENTOS

El tomo de carbono tiene 4 electrones en la ltima capa. Esto hace que pueda unirse a otros tomos mediante cuatro enlaces covalentes pudindose formar tres estructuras distintas. Estas son: -La hibridacin tetradrica. En la que el tomo de carbono est unido mediante cuatro enlaces covalentes simples a otros cuatro tomos. En este tipo de hibridacin el tomo de carbono ocupa el centro de un tetraedro y los cuatro enlaces simples se dirigen hacia sus vrtices.

H

O O

S S

N N N

El hidrgeno tiene un electrn de valencia.

El oxgeno tiene dos electrones de valencia.

El azufre tiene dos electrones de valencia.

El nitrgeno tiene tres electrones de valencia.

Fig. 4 Enlaces covalentes que pueden tener el resto de los bioelementos primarios.

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-La hibridacin trigonal. En la que el tomo de carbono se une a otros tres tomos mediante dos enlaces simples y uno doble. En este caso los cuatro tomos forman un tringulo con el tomo de carbono situado en el centro. Debe tenerse en cuenta que el enlace doble es algo ms corto que los enlaces simples, por lo que el tringulo no ser equiltero sino issceles.

C

C

C

C

H. tetradrica

H. trigonal

H. digonal

H. digonal

Fig. 5 Hibridaciones del tomo de carbono.

-La hibridacin digonal. Cuando el tomo de carbono est unido a otros dos tomos mediante un enlace simple y uno triple o mediante dos dobles. Los dems bioelementos van a poder formar, bien con el carbono o entre s, los enlaces covalentes que pueden verse en el recuadro.

LOS ESQUELETOS DE LAS MOLCULAS ORGNICAS

Tipos de esqueletos de las molculas orgnicas

-C- C- C- C- C- C- C- C-

Las diferentes biomolculas van a estar constitudas bsicamente por tomos de carbono unidos entre s mediante enlaces covalentes. La resistencia y versatilidad de los enlaces carbono-carbono y del carbono con otros elementos: oxgeno, nitrgeno o azufre, va a posibilitar el que se puedan formar estructuras que sern el esqueleto de las principales molculas orgnicas.

1) Cadena lineal saturada

-C- C- C=C- C- C=C- C2) Cadena lineal insaturada 4) Doble ciclo mixto.

-C- C- C-C- C- C- C- C-C- C- C3) Cadena ramificada. 5) Ciclo mixto.

Fig. 6 Ejemplos de esqueletos carbonados de las biomolculas.

FUNCIONES ORGNICAS

Las molculas orgnicas van a tener determinadas agrupaciones caracters ticas de tomos que reciben el nombre de funciones o grupos funcionales. Las principales funciones son: -Alcohol o hidroxilo -Aldehdo -Cetona -cido orgnico o carboxilo -Amina -Amida -Tiol o sulfidrilo

FUNCIONES ORGNICAS Concepto: Agrupaciones caractersticas de tomos Alcohol: Cetona: Aldehdo: cido: Amino: Amida: Tiol: -O-H >C=O -CHO -COOH -NH2 -CONH2 -S-H

Fig. 7 Los principales frupos funcionales.

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Las cuatro primeras estn formadas por C, H, y O (funciones oxigenadas); las dos siguientes, por tener nitrgeno, se denominan funciones nitrogenadas. Los aldehdos se diferencian de las cetonas por estar siempre en un carbono situado en el extremo de la mol cula; esto es, el carbono que lleva una funcin aldehdo se encuentra unido a otro carbono o a un hidrgeno. Entre las funciones con azufre la ms importante en los compuestos de los seres vivos es la funcin tiol (-SH). Encontraremos esta funcin en algunos aminocidos. El fsforo se encuentra sobre todo en los cidos nucleicos y sus derivados en forma de cido fosfrico (H3 PO4 ) o sus iones (iones fosfato). Las diferentes funciones pueden representarse de una manera simplificada tal y como se indica en la figura.

C O HFuncin alcohol

HFuncin aldehdo

OFuncin cetona Funcin cido

C O C C C O

C S HFuncin tiol

C O H OFuncin amida

C NFuncin amina

H H

C N

H H

* En los enlaces libres slo puede haber o carbonos o hidrgenos.

Fig. 8 Los principales grupos funcionales.

Fig. 9 Representacin en un modelo de esferas de una biomolcula: un aminocido.

ALGUNAS PROPIEDADES QU MICAS DE LAS FUNCIONES ORGNICAS

Los alcoholes por deshidrogenacin (oxidacin) se transforman en aldehdos o cetonas y estos por una nueva oxidacin dan cidos. Por el contrario, los cidos por reduccin dan aldehdos y estos a su vez dan alcoholes. Estos procesos son de gran importancia en el metabolismo de los seres vivos, en particular en los procesos de obtencin de energa.

FORMULACIN DE LAS BIOMOLCULAS

Las sustancias orgnicas pueden representarse mediante diferentes tipos de frmulas. Estas pueden ser: a) Frmulas desarrolladas o estructurales: En ellas se indican todos los tomos que forman la molcula y todos los enlaces covalentes los unen. Este tipo de frmulas da la mxima informacin pero las molculas complejas es laborioso representarlas.

CH3-CH3 H H H C C H H HFrmula desarrollada Frmula semidesarrollada

C2H6Frmula emprica

Fig. 10 Frmulas desarrollada, semidesarrollada y emprica del etano.

b) Frmulas semidesarrolladas: en las que se indican nicamente los enlaces de la cadena

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carbonada. El resto de los tomos que estn unidos a un determinado carbono se agrupan segn ciertas normas (ejemplo: CH3 -, -CH2 - , CH2 OH-, -CHOH-, CHO-, -CO-, -COOH, -CHNH2 -). c) Frmulas empricas: En ellas se indican nicamente el nmero de tomos de cada elemento que hay en la molcula; as, frmula emprica de la glucosa: C6 H12 O6 . Es de destacar que las frmulas empricas no dan una idea de la estructura de la molcula y que puede haber muchos compuestos que, siendo diferentes, tengan la misma frmula emprica y diferente frmula estructural. En ciertos casos, por ejemplo, si la molcula es muy compleja, se recurre a determinadas simplificaciones. As, las largas cadenas carbonadas de los cidos grasos pueden representarse mediante una lnea quebrada en la que no se indican ni los carbonos ni los hidrgenos pero s se indican las funciones, los dobles enlaces u otras variaciones que posea la molcula. Tambin se simplifican las cadenas cclicas, en las que a veces tampoco se indican ni los carbonos ni los hidrgenos.

CH2OH C H C OH OH C H H C OH H

OOH C H

Fig. 11 Ejemplo de representacin entre desarrollada y semidesarrollada de la glucosa, en la que algunas funciones se han agrupado.

CH2OHFuncin alcohol

CHO C CO CFuncin aldehdo Funcin cetona Funcin cido

CHSHFuncin tiol

COOHFuncin amida

CH2NH2

CONH2

Fig. 12 Representacin semidesarrollada de los principales grupos funcionales.O COOH

OH OH

Fig. 13 Representacin simplificada de una biomolcula.

CONCEPTOS DE POLMERO Y MONMERO

Frecuentemente los compuestos que constituyen los seres vivos estn formados por la unin ms o menos repetitiva de mol culas menores. Por ejemplo, el almidn y la celulosa estn formados por la unin de miles de molculas de glucosa. Las protenas por decenas, centenares o miles de aminocidos, y la unin de miles o millones de nucletidos forma los cidos nucleicos. Cada una de las unidades menores que forman estas grandes molculas es un monmero y el compuesto que resulta de la unin se llama polmero. Los polmeros son, a su vez, macromolculas, molculas de elevado peso molecular. Pequeas molculas.........................................................................de 100 u a 1000 u Grandes molculas (macromolculas)..................................... de 10 4 u a ms de 10 6 u

Unidad de masa molecular: unidad de masa atmica (u) o dalton (da). 1u = 1da = 1,660*10 -24 g

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monmero

Fig. 14 Fragmento de la molcula de almidn. El almidn es un polmero formado por el monmero glucosa.

ENLACES INTRA E INTERMOLECULARES

Los medios biolgicos son una mezcla compleja de compuestos qumicos, tanto orgnicos como inorgnicos. Unos son de pequeo tamao: como el in H+ (1da). Otros, como los cidos nucleicos, pueden tener 10 8 da o incluso ms. Todas estas molculas van a interaccionar entre s. La principal de estas interacciones es la reaccin qumica en la que se produce una trasformacin qumica de las sustancias que intervienen en ella. Otros tipos de interaccin son los diferentes enlaces que pueden darse entre molculas o entre partes de una misma molcula. Estos enlaces van a dar una mayor estabilidad a las macromolculas por la formacin de agregados o de molculas de mayor tamao. Estas uniones pueden ser, entre otras: 1-Enlaces inicos. Se suelen dar preferentemente en mol culas que contienen grupos -COOH y -NH2 . Estos grupos en agua se encuentran ionizados: -COOH -COO- + H+ -NH2 + H+ -NH3 + El enlace se debe a las fuerzas de carcter elctrico que se establecen entre las cargas negativas de los grupos -COO- y las positivas de los grupos -NH+ 3 , bien dentro de una misma mol cula o entre molculas prximas. Estos enlaces en medio acuoso son muy dbiles. 2- Los puentes disul fu ro. Se llama as a los enlaces covalentes que se forman al reaccionar entre s dos grupos -S-H para dar -S-S- . Este tipo de enlaces son extraordinariamente resistentes. Los encontraremos en las protenas uniendo las subunidades

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I) Biomolculas

2) Biomolculas

que componen algunas molculas proteicas. 3-Enlaces o puentes de hidrgeno. Se trata de enlaces dbiles pero que si se dan en gran nmero pueden llegar a dar una gran estabilidad a las mol culas. Los enlaces de hidrgeno se deben a la mayor o menor electronegatividad de los elementos que participan en un enlace covalente. As, por ejemplo, en los grupos -C-O-H, el oxge no es ms electronegativo que el hidrgeno y atrae hacia s el par de electrones que forma el enlace covalente. En las proximidades del oxge no habr un exceso de carga negativa y, por el contrario, el hidrgeno estar cargado positivamente. Lo mismo sucede con los grupos -C-N-H, u otros, en los que tambin se produce una diferencia de electronegatividad. Como consecuencia se generarn fuerzas elctricas entre tomos que presentan un exceso de carga positiva (H) y otros con exceso de carga negativa (O, por ejemplo). Estos enlaces son de gran importancia en determinados compuestos y, en particular, en las protenas y en los cidos nucleicos. 4-Fuerzas de Van der Waals. Se trata de fuerzas de carcter elctrico debidas a pequeas fluctuaciones en la carga de los tomos. Actan cuando las molculas se encuentran muy prximas unas a otras. 5- Uniones hidrofbicas. Ciertas sustancias insolubles en agua cuando estn en un medio acuoso van a mantenerse unidas entre s por su repulsin al medio en el que se encuentran. Estas uniones, aunque son muy dbiles, van a ser de gran importancia en el mantenimiento de los componentes lipdicos de la membranas celulares y en la configuracin de muchas protenas.Grupo -COOH

-

+Grupo H2N-C-

Fig. 15 Enlaces inicos entre grupos -COOH y H2N-

Fig. 16 Puentes disulfuro (4) entre las subunidades de una protena.

Fig. 17 Puentes o enlaces de hidrgeno entre las bases nitrogenadas del ADN.

Es de destacar que los enlaces ms dbiles, inicos y de hidrgeno, particularmente, pueden contribuir en gran manera a la estabilidad de la configuracin de una molcula cuando se dan en gran nmero.

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3) El agua

I-3 EL AGUA

IMPORTANCIA DEL AGUA PARA LOS SERES VIVOS

El agua es el lquido ms abundante de la corteza y uno de los pocos lquidos naturales. No es de extraar entonces que el agua sea una sustancia esencial en los seres vivos. El agua es el componente ms abundante en los medios orgnicos, los seres vivos contienen por trmino medio un 70% de agua. No todos tienen la misma cantidad, los vegetales tienen ms agua que los animales y ciertos tejidos (por ejemplo: el tejido graso) contienen menos agua -tiene entre un 10% a un 20% de agua- que otros como, por ejemplo: el nervioso, con un 90% de agua. Tambin vara con la edad, as, los individuos jvenes tienen ms agua que los adultos (la carne de ternera es ms tierna que la de vaca). El agua en los seres vivos se encuentra tanto intra como extracelularmente. El agua intracelular, la que est en el interior de las clulas, representa 2/3, aproximadamente, del agua que contiene un ser vivo y el agua extracelular representa el tercio restante. Esta ltima se encuentra baando las clulas o circulando en forma de sangre, linfa, savia, etc. En los seres unicelulares y en los organismos acuticos el agua es adems su medio ambiente. El agua no es un simple medio ni una mera fase inerte, es un lquido muy reaccionable. Interviene en muchas reacciones qumicas, bien como reactivo o como producto de la reaccin, y resulta imprescindible para la estabilidad de muchas sustancias biolgicas, por ejemplo, las protenas. Por ltimo diremos que la vida se origin hace ms de 3500 millones de aos en el medio acutico y las condiciones de aquel ambiente primitivo imprimieron un sello permanente en la qumica de los seres vivos. Todos los seres vivos han sido diseados alrededor de las propiedades caractersticas del agua, tales como su carcter polar, sus enlaces de hidrgeno y sus elevados puntos de fusin, ebullicin, calor especfico y tensin superficial.

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I) Biomolculas

3) El agua

ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA

Masa molecular.......... Punto de fusin......... Punto de ebullicin .... Densidad (a 4 0 C)........ Densidad (00 C)..........

18 da 0 oC (a 1 atm) 100 oC (a 1 atm) 1g/cm 3 0'97g/cm 3

Fig. 1 Modelo de la molcula de agua

ESTRUCTURA QUMICA DEL AGUA

La molcula de agua est formada por dos tomos de hidrgeno y uno de oxgeno. En el agua existen tambin los productos resultantes de la disociacin de algunas de sus molculas: el in H3 O+ y el OH-.

oxgeno

=

H En la molcula de H2 O los enlaces covalentes + + entre el oxgeno y los dos tomos de hidrgeno forman un ngulo de 104'5 0 . Adems, el tomo Fig. 2 Representacin de la molcula de agua. de oxgeno atrae hacia s los electrones del enlace covalente. Esto hace que la molcula presente un exceso de carga negativa en las proximidades del tomo de oxgeno y un exceso de carga positiva en los tomos de hidrgeno. Por lo tanto, cada molcula de agua es un dipolo elctrico.

H

ESTRUCTURA QUMICA DEL AGUA COMO SUBSTANCIA

Al ser las molculas de agua dipolos elctricos se establecen enlaces de hidrgeno entre el tomo de oxgeno de una molcula y los tomos de hidrgeno de las molculas vecinas. Estos enlaces de hidrgeno se forman y se escinden a gran velocidad, aunque su estabilidad disminuye al elevarse la temperatura. Debido a estos enlaces las molculas de agua se mantienen unidas - cohesividad - y el agua es lquida a temperaturas a las que otras sustancias de masas moleculares similares como el CH4 y el H2 S son gaseosas. De la cohesividad dependen tambin una serie de propiedades del agua de gran importancia para los seres vivos.

+

=

+

= + +Fig. 3 Formacin de enlaces de hidrgeno entre molculas de agua.

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3) El agua

COHESIVIDAD DEL AGUA

La cohesividad, debida a los puentes de hidrgeno entre las molculas de agua, es responsable de importantes caractersticas del agua y de muchas de las funciones que el agua cumple en los seres vivos. As, son debidas a la cohesividad:+

O H

=

H

+

=

O

H H+

+

Enlace de hidrgeno

- Fenmenos como el de la capilaridad, que permite la ascensin de la savia a travs de los finsimos conductos que forman los vasos leosos en las plantas. - Es tambin responsable de que el agua sea un lquido prcticamente incompresible capaz de dar volumen y turgencia a muchos seres vivos (p.e.:gusanos) y por ejemplo, es la responsable del esqueleto hidrosttico de las plantas. - Tambin es responsable de la elevada tensin superficial del agua; propiedad que permite las deformaciones del citoplasma celular y los movimientos internos en la clula.

Fig. 4 Los enlaces de hidrgeno entre molculas de agua son los responsables de la cohesividad de sus molculas.

Fig. 5 Los enlaces de hidrgeno entre molculas de agua son los responsables de la cohesividad de sus molculas.

- Como ya se ha dicho es la responsable de los elevados puntos de fusin y ebullicin del agua. Otras sustancias de masas moleculares parecidas son gaseosas a temperaturas en las que el agua es lquida. El hecho de que el agua sea lquida en su mayor parte a las temperaturas que se dan en la Tierra ha posibilitado el desarrollo de la vida en nuestro planeta. - De su elevado calor especfico: cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una cierta masa de agua. Esto hace que el agua almacene o libere una gran cantidad de calor al calentarse o al enfriarse; lo que permite que el agua acte como amortiguador trmico, evitando bruscas alteraciones de la temperatura y evitando de esta forma que, por ejemplo, algunas molculas como las protenas, muy sensibles a los cambios trmicos, se alteren. - Su elevado calor de vaporizacin: cantidad de calor necesario para evaporar un gramo de agua es tambin debido a la cohesividad, pues para pasar del estado lquido al

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3) El agua

gaseoso es necesario romper los enlaces de hidrgeno entre las molculas de agua. Estas dos ltimas propiedades son de gran importancia a la hora de regular la temperatura en muchos seres vivos, por ejemplo: la sudoracin.

CO- O-CH2 CO- O-CH CO- O-CH2

Fig. 6 Los triacilglicridos (grasas neutras) son sustancias muy insolubles en agua.

SOLUBILIDAD

El agua es un buen disolvente de los compuestos inicos. Esto es debido a que el agua es una sustancia polar. Las molculas de agua se disponen alrededor de los iones positivos con la parte negativa de su molcula hacia ellos y en el caso de los iones negativos les enfrentan la parte positiva. Tambin son solubles en agua las sustancias polares, por ejemplo: los glcidos; normalmente, estas sustancias tienen una elevada proporcin de oxgeno. Por el contrario, aquellas sustancias orgnicas que presentan una elevada proporcin de hidrgeno y pocos tomos de oxgeno son poco solubles en agua; por ejemplo: los lpidos. Algunas sustancias tienen una parte de su molcula que es soluble en agua (hidrfila) y otra parte insoluble (hidrfoba). Estas sustancias se dice que son anfipticas. Las sustancias anfipticas, cuando estn en un medio acuoso, orientan su molcula y dan lugar a la formacin de micelas, monocapas o bicapas. Las grandes molculas, como las protenas, si son solubles en agua, forman un tipo especial de disoluciones denominadas disoluciones coloidales. Las disoluciones coloidales van a poder estar en dos estados: sol y gel. En el estado de sol predomina la fase dispersante, el agua, por ejemplo, sobre la fase dispersa y la solucin es ms fluida. En estado de gel predomina la fase dispersa, por ejemplo: la protena, sobre la fase dispersante, y la solucin es ms viscosa. El paso de un estado a

Fig. 7 Modelo de triacilglicrido (grasa neutra). Estas sustancias tienen pocos grupos polares y una gran proporcin de -CH- y poco oxgeno.

O C O- CH 2 O C O- CH O CH3

H2COPOCHCHNCH3 OH CH3

Fig. 8 Los fosfoglicridos son sustancias anfipticas.

Estado de sol

Estado de gel

macromolcula

agua u otro disolvente

Fig. 9 Estados de sol y de gel de una disolucin coloidal.

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3) El agua

otro es reversible y diversos factores fsicos y qumicos pueden hacer que una solucin pase de un estado a otro sin necesidad de variar la concentracin de soluto. Estos factores pueden ser: el pH, la temperatura o una alteracin en la concentracin de determinados iones presentes en el medio. Los soluciones coloidales pueden separarse por dilisis por medio de membranas cuyos poros slo permiten pasar las molculas de pequeo tamao y no las partculas coloidales.

Fig. 10 Hemodilisis.

IONIZACIN Y pHParte polar Parte apolar

Parte de las molculas (10 -7 moles por litro de agua, 1 mol=6 '023x10 23 molculas) estn disociadas (ver en la figura 13 la ecuacin de ionizacin del agua). Las sustancias cidas al disolverse en agua se disocian y producen iones H+ que aumentan la concentracin de iones H3 O+ del medio. Las sustancias bsicas se disocian tambin produciendo iones OH- que se unen a los iones H3 O+ formndose dos molculas de agua, por lo que la concentracin de iones H3 O+ del agua disminuye. La concentracin de iones H3 O+ del agua se puede tomar, por lo tanto, como una medida de su acidez, si es alta, o de su basicidad, si es baja. El pH se define como el logaritmo decimal negativo de la concentracin de iones H3 O+ de una disolucin. En el agua pura (neutra) la concentracin de protones es de 10 -7 moles por litro (pH=7). Por lo tanto: si el pH < 7, la disolucin ser cida; si el pH = 7, ser neutra; si el pH > 7, ser bsica.

Fig. 11 Los lpidos anfipticos forman monocapas sobre una superficie acuosa.

Fig. 12 Bicapa formada por un lpido anfiptico.

H2O + H2O

H3O+ + OH-

+

+

+

-

Puede decirse, a modo de ejemplo, que el pH de la sangre es ligeramente bsico (pH=7'37) mientras que el del estmago es fuertemente cido (pH=1).

Fig. 13 Ionizacin del agua.

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3) El agua

Las variaciones del pH son de gran importancia en muchos procesos biolgicos de la clula. As, por ejemplo, en los procesos de acumulacin de energa en el ATP o en la activacin de las enzimas de los lisosomas.

H2O + HA

H3O+ + A-

EL AGUA COMO SUSTANCIA REACCIONABLE

Fig. 14 Ionizacin de un cido en agua.

El agua participa activamente en los procesos qumicos que se dan en la clula, pues es en s misma una sustancia muy reaccionable. As: - En las reacciones de hidrlisis. Se trata de la rotura de un enlace covalente por la adicin de H y OH a los tomos que estn unidos entre s. De esta manera se separan, por ejemplo, los aminocidos que forman las protenas cuando estas se hidrolizan; el H y el OH se unen al nitrgeno y al carbono que forman el enlace peptdico en un proceso similar, pero inverso, al de la formacin del enlace. Algo parecido ocurre con otros enlaces como con el glicosdico o con el enlace ster. - El agua puede ser adicionada a un doble enlace formndose una funcin alcohol. - El agua tiene tambin una gran importancia en la fotosnte sis por ser la sustancia que repone los electrones que se utilizan en los procesos de sntesis de sustancias orgnicas.

SOLUCIONES AMORTIGUADORAS1 Los procesos qumicos que se dan en la clula producen sustancias que alteran el pH del medio celular. Ciertas sustancias actan como amortiguadores del pH o tampones evitando que ste sufra grandes variaciones. As, por ejemplo, el in bicarbonato (HCO3 -) acta como tampn en los medios orgnicos. Si el pH es cido habr un exceso de iones H3 O+ . Estos sern captados por el in HCO-3 que se transformar en H2 CO3 y H2 O, con lo que el pH aumentar. El H2 CO3 , a su vez, se descompondr en CO2 y H2 O. El proceso se desarrolla a la inversa si hay pocos iones H3 O+ . El in bicarbonato acta como un tampn eficaz para valores de pH en las proximidades de 7, que es el pH de la sangre. En los medios intracelulares el tampn ms frecuente es el in fosfato(H 2 PO4 -).

1

Los textos en letra itlica suelen ser textos de ampliacin o de aclaracin y no entran en los exmenes.

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3) El agua

LAS SALES MINERALES Podemos encontrarlas disueltas en los medios celulares internos o externos, o precipitadas en huesos y caparazones. Cuando estn disueltas se encuentran disociadas en cationes y aniones. Los principales cationes y aniones presentes en los medios orgnicos son: gramos/litro Cloruro de sodio Cloruro de potasio Cloruro de calcio Cloruro magnsico Bicarbonato de sodio Fosfato monosdico Glucosa Agua destilada 8,0 0,2 0,2 0,1 1,0 0,05 1,0 Hasta 1000 cm3

Cationes: Na+ , K+ , Ca+ 2 y Mg +2 . Aniones:Cl-, SO4 -2 , PO4 -3 , CO3 -2 , HCO3 - y NO3 -

La proporcin de iones, y sobre todo de cationes, debe mantenerse constante en los medios orgnicos pues ciertos cationes tienen efectos antagnicos. Por ejemplo, el Ca+ + y el K+ tienen funciones antagnicas en el funcionamiento del msculo cardaco .

Fig. 15 Solucin de Tyrode, utilizada para cultivos de tejidos, preservado de rganos e irrigaciones de la cavidad peritoneal.

PRINCIPALES MINERALES

FUNCIONES

DE

LAS

SALES

- Esqueletos y caparazones. - Mantener la salinidad. - Estabilizar las disoluciones. Por ejemplo, los amortiguadores del pH. - Especficas: Movimiento muscular, impulso nervioso etc.

Fig. 16 Las conchas de los moluscos estn formadas por una matriz orgnica de naturaleza fundamentalmente protenica (conquiolina) y un depsito inorgnico de carbonato clcico.

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3) El agua

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4) Glcidos

I-4 GLCIDOS

CONCEPTO, CARACTERSTICAS Y FUNCIONES GENERALES DE LOS GLCIDOS

Los glcidos son compuestos orgnicos constituidos por carbono, hidrgeno y oxgeno; en algunos casos pueden tener adems otros elementos qumicos como nitrgeno o azufre. Se les ha llamado hidratos de carbono porque algunos responden a la frmula general Cn(H2 O)m y azcares por su sabor dulce, aunque slo los de baja masa molecular lo tienen.Concepto: Qumicamente son polihidroxialdehdos, polihidroxicetonas, sus derivados o sus polmeros (ms adelante se explicarn estos conceptos).

H C=O H-C-O-H H-O-C-H H-C-O-H H-C-O-H H-C-O-H HFig. 1 Frmula lineal de la Dglucosa.

Algunos son molculas de relativamente baja masa molecular; la glucosa tiene una Mm=180 da. Otros, como el almidn, tienen masas moleculares de ms de 100 000 da y son grandes molculas, macromolculas. Sus propiedades fsicas y qumicas son muy variadas. Y en cuanto a sus funciones biolgicas:

CH2OH O H H OH H OH

OH

H

H

OH

glucosa. -La glucosa, sacarosa, glucgeno y almidn son sustancias energticas. Los seres vivos obtienen energa de ellas o las usan para almacenar energa. Esta energa est contenida en determinados enlaces que unen los tomos de estas molculas.

Fig. 2 Frmula cclica de la D-

-Celulosa y quitina son estructurales. Forman parte de las paredes de las clulas vegetales (celulosa) o de las cubiertas de ciertos animales (quitina). -Ribosa y desoxirribosa forman parte de los cidos nucleicos.

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4) Glcidos

Estos son slo algunos ejemplos que nos pueden ilustrar sobre las funciones que cumplen los glcidos.

CLASIFICACIN DE LOS GLCIDOS

Atendiendo a su complejidad se clasifican en: A) Monosacridos u osas: Son los ms sencillos. No son hidrolizables; esto es, no se pueden descomponer por hidrlisis en otros glcidos ms simples. Constituyen los monmeros a partir de los cuales se forman los dems glcidos. B) sidos: Formados por la unin de varios monosacridos mediante enlaces "Oglicosdicos", pudiendo poseer en su molcula otros compuestos diferentes de los glcidos. Son hidrolizables, descomponindose en los monosacridos y dems compuestos que los constituyen. Se dividen en: * Holsidos. Son aquellos que estn constituidos por carbono, hidrgeno y oxgeno, exclusivamente. A su vez se subclasifican en: -Oligosacridos, formados por entre 2 y 10 monosacridos unidos. -Polisacridos, formados por un gran nmero de monosacridos. * Hetersidos. Formados por osas y otros compuestos que no son glcidos. Por lo tanto, adems de carbono, hidrgeno y oxgeno, contienen otros elementos qumicos.

LOS MONOSACRIDOS CONCEPTO Y NATURALEZA QUMICA Concepto: Qumicamente son polihidroxialdehdos, polihidroxicetonas o sus derivados. Se caracterizan por no ser hidrolizables.

Un polihidroxialdehdo es un compuesto orgnico que tiene una funcin aldehdo en el primer carbono y en los restantes carbonos una funcin alcohol. Las polihidroxicetonas en lugar de una funcin aldehdo tienen una funcin cetona, normalmente en el carbono 2. Los monosacridos que tienen funcin aldehdo se llaman aldosas y cetosas los que tienen una funcin cetona. Los monosacridos responden a la frmula emprica Cn(H2 O)n, de aqu proviene el nombre de hidratos de carbono. El valor de n normalmente est comprendido entre 3 y 7.

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4) Glcidos

Segn el nmero de tomos de carbono se clasifican en : Triosas........n = 3 Tetrosas.......n = 4 Pentosas.......n =5 Hexosas........n = 6 Heptosas.......n = 7 As, un monosacrido con 6 tomos de carbono y con la funcin aldehdo ser una aldohexosa; si tiene cuatro tomos de carbono y una funcin cetona, ser una cetotetrosa, y as sucesivamente.

H C=O H-C-O-H H-O-C-H H-C-O-H H-C-O-H H-C-O-H HA

H H-C-O-H C=O H-C-O-H H-C-O-H H-C-O-H HB

Fig. 3 A) La glucosa, una aldohexosa; B) la ribulosa. , una cetopentosa.

PROPIEDADES FSICAS Y QU MICAS DE LOS MONOSACRIDOS

- Propiedades fsicas: Los monosacridos son slidos, cristalinos, incoloros o blancos, de sabor dulce. Como los grupos hidroxilo son polares, los monosacridos son muy solubles en agua, pues se establecen enlaces polares con las molculas de agua. - Propiedades qumicas: El grupo carbonilo reduce fcilmente los compuestos de cobre (licor Fehling) y de plata oxidndose y pasando a grupo cido. Esta propiedad es caracterstica de estas sustancias y permite reconocer su presencia, pues la reduccin de las sales cpricas del licor de Fehling a cuprosas hace virar el reactivo del azul al rojo ladrillo.

Cu+ + ------- Cu+ azul rojoH C=O 2 H-C-O-H1

H H-C-O-H2 3 1

FRMULA LINEAL DE LOS MONOSACRIDOS

H-O-C-H H-C-O-H H-C-O-H5 4

3

C=O

H-C-O-H H-C-O-H H-C-O-H HB5 4

DIASTEREOISOMERA

H-C-O-H HA

6

Las frmulas lineales de los monosacridos se escriben con el carbono 1, el carbono que lleva la funcin aldehdo o el carbono ms prximo a la funcin cetona, en la parte superior y el resto

Fig. 4 Numeracin de los tomos de carbono en A) una aldosa y en B) una cetosa.

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4) Glcidos

de los carbonos en orden descendente. Los monosacridos tienen tomos de carbono asim tricos (carbonos que tienen 4 sustituyentes diferentes) por lo que presentan diastereoisomera (ismeros pticos). Los diastereoismeros se diferencian en su formulacin en la colocacin de los H y OH de cada carbono asimtrico a un lado u otro del esqueleto carbonado de la molcula.

-CH-C-O-H -C-

-CH-O-C-H -C-

Fig. 5 Diferenciacin en la posicin de los -OH en los carbonos asimtricos de los monosacridos.

El nmero de ismeros pticos, para un monosacrido dado, es de 2 n, siendo n el nmero de tomos de carbono asim tricos que tenga. La glucosa con cuatro tomos de carbono asimtricos tendr 2 4 = 16 ismeros pticos. De los 2 n ismeros posibles de un monosacrido, la mitad Fig. 6 Disposicin de los sustituyentes pertenecen a la serie D, y la otra mitad son sus alrededor de un carbono asimtrico. imgenes especulares y pertenecen a la serie L. Los monosacridos que tienen el OH del ltimo tomo de carbono asim trico a la derecha pertenecen a la serie D, los de la serie L lo tienen a la izquierda. En los seres vivos normalmente slo aparece una de las formas. Por convenio, se ha decidido que esta forma es la D.

H C O H C OH H C OH H C OH H1

H C O HO C H H C OH H C OH H2

H C O H C OH HO C H H C OH H3

H C O HO C H HO C H H C OH H4

Fig. 7 Diastereoismeros de una aldotetrosa. Las formas 1 y 2 son D; las formas 3 y 4 son L. 1 y 4 son enantimeras al se una la imagen especular de la otra. Lo mismo ocurre con 2 y 3.

EL HEMIACETAL INTRAMOLECULAR. CICLACIN DE LA MOLCULA

Si las aldopentosas y las hexosas se disuelven en agua, o si forman parte de los disacridos o polisacridos, el grupo carbonilo (-C=O) reacciona con el grupo hidroxilo ( -C-O-H) del carbono 4, en las aldopentosas, o del carbono 5, en las hexosas, formndose un hemiacetal (reaccin entre un alcohol y un aldehdo) o un hemicetal (reaccin entre un alcohol y una cetona) y la molcula forma un ciclo.

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Las frmulas c clicas de la hexosas se representan, segn la proyeccin de Haworth, con el plano del anillo perpendicular al plano de escritura, los carbonos 2 y 3 dirigidos hacia delante, el carbono 5 y el oxge no del anillo hacia detrs. Los OH que en la frmula lineal estaban a la derecha se ponen por debajo del plano y los que estaban a la izquierda se ponen hacia arriba. En la formas D el -CH2 OH se pone por encima y en las L por debajo. Si las frmulas c clicas forman un anillo pentagonal reciben el nombre de furanosas, mientras que si ste es hexagonal se denominan piranosas. En stas ltimas, a su vez, el anillo puede adoptar dos disposiciones diferentes: de silla, si el carbono 1 y el 4 estn a ambos lados del plano formado por los carbonos 2, 3 y 5, y de bote o nave si estn a un mismo lado.

Fig. 8

Pirano y furano.

H C H H O H H H C C C C C H O O H O O O H H H H H H-O H O H H H

H C C C C C C H O H O H O H O H

Fig. 9 Formacin de un hemiacetal en una aldohexosa. Dentro del crculo el OH hemiacetlico.

FORMAS y

HO

H CH2OH H O H HO H OH HO H H HO H CH2OH O H OH OH H

Cuando se produce la ciclacin de la molcula aparece un nuevo tomo de carbono asimtrico, el carbono 1 en las aldosas o el 2 en las cetosas. Este carbono recibe el nombre de carbono anomrico. El OH de este carbono, -OH hemiacetlico, puede estar a uno u otro lado del plano de la molcula originndose dos nuevos ismeros pticos. Cada uno de estos ismeros se distingue mediante los smbo los y (formas y ). La forma se representa situando el OH hemiacetlico por debajo del plano de la molcula; en la forma se sita por encima. Las formas y de un monosacrido reciben el nombre de formas anmeras1 .1

HO H

Fig. 10

Formas de bote o silla de la glucosa.

CH2OH

CH H

OOH

COH OH H

CH

CH

COH

Fig. 11

Forma cclica de la D glucosa.

Curiosidad: Al aparecer un nuevo tomo de carbono asimtrico cambia el ngulo con el que el monosacrido desva el plano de la luz polarizada. Por ejemplo: D-glucosa a 201C desva el plano +112.21 D-glucosa a 201C " " +18.7 1

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NOMENCLATURA CCLICAS

DE

LAS

FORMAS

CH2OH

O

CH2OH

CH

C COH OH OH H HOH2

Fig. 12

Frmula de la D fructofuranosa.

ORIENTACIN DE LAS FRMULAS CCLICAS DE LOS MONOSACRIDOS

Normalmente, las frmulas cclicas de los monosacridos se representan con el carbono anomrico hacia la derecha, el resto de los carbonos del ciclo por orden en el sentido de las agujas del reloj. No obstante, la molcula puede representarse bien girada (giro de 180 o segn el eje Y) o volteada (giro de 180 o segn el eje Z). En los esquemas se ha representado la -D-fructofuranosa en posicin normal (a), girada (b) y volteada (c).

6

CH2OH

O

OH1 CH OH 2 4 3

H

CH

COH CH2OH

5

CH4

C CHO OH H

2

HOH2C2

C CHO H H

OH

C O

C5H

HOH2C

3

a)

b)

c)

La mezcla de y "

"

+52.7 1

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OH

OH

CH

C 3

H H

Para nombrar la forma cclica de un monosacrido, se indica en primer lugar si es o , a continuacin, si es D o L y, por ltimo, el nombre del monosacrido y el tipo de anillo. Por ejemplo: -D-glucopiranosa, -D-fructofuranosa

OH

C

O

H

C

5

CH2OH

4

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EJEMPLOS DE MONOSACRIDOS DE INTERSBIOLGICOCH2OH

CH H

OOH

CH2OH

O

CH2OH

CH

C COH OH OH OH H H OH

COH OH H

CH

CH

COH

CH H

Glucosa: Sustancia muy difundida tanto entre los vegetales (uvas) como entre los animales. Forma parte de muchos disacridos y polisacridos. Importante fuente de energa de las clulas. En la sangre hay un uno por mil de glucosa procedente de la digestin.CH2OH

Fructosa: Cetohexosa. Sustancia muy difundida entre las plantas, sobre todo en sus frutos, y en la miel. En el hgado se transforma en glucosa. Junto con la glucosa forma el disacrido sacarosa.

O

OH

CH2OH

O

OH

CH

C COH H H HCH2OH

CH

C COH H H HCH2OH

COH

CH

Ribosa: Aldopentosa. Forma parte de muchas sustancias orgnicas de gran inters biolgico, como el ATP o el ARN.

Desoxirribosa: Derivada de la ribosa. Le falta el grupo alcohol en el carbono 2. Forma parte del ADN.

CHO H

O COH OH H H

CH H

O CH H

CH OH

COH OH H

CH

COH

CH

CNH CO CH3

Galactosa: Junto con la glucosa forma la lactosa, disacrido de la leche.

N-acetilglucosamina: Derivado de la glucosa. Se encuentra en las paredes de las bacterias y es tambin el monmero que forma el polisacrido quitina presente en el exoesqueleto de los insectos y las paredes celulares de muchos hongos.

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OH OH

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I) Biomolculas

4) Glcidos

LOS OLIGOSACRIDOS. EL ENLACE O-GLICOSDICO.

Los oligosacridos estn formados por la unin de 10 o menos de 10 monosacridos mediante un enlace O-glicosdico. As, si reaccionan el -OH del carbono anomrico de un monosacrido con otro -OH de otro monosacrido, ambas sustancias quedarn unidas mediante un enlace O-glicosdico. Como consecuencia de la unin se forman un disacrido y una molcula de agua. C6 H12 O6 + C6 H12 O6 C12 H22 O11 + H2 O El -OH o los -OHs que intervienen en la unin pueden encontrarse bien en forma o , lo que dar lugar a sustancias diferentes.CH2OH O H H OH H H H H OH H CH2OH O H

OH

OH

OH

OH

H

OH H2O CH2OH

H

OH

CH2OH O H H H H O OH H O H

H H OH OH

OH

H

OH

H

OH

Fig. 13 Formacin de maltosa, disacrido reductor, mediante la unin 14 de dos molculas de glucosa.

Los disacridos son sustancias de propiedades similares a las de los monosacridos. Ahora bien, si los -OH de los carbonos anomricos de ambos monosacridos intervienen en el enlace O-glicosdico, enlace dicarbonlico, el disacrido no ser reductor, pues no tiene ningn OH hemiacetlico/hemicetlico libre y es este OH el que les da las propiedades reductoras.Fig. 14 Modelo de esferas de la sacarosa, un Los oligosacridos se encuentran, junto a disacrido. lpidos y protenas, en la membrana plasmtica donde actan como receptores de muchas sustancias y como molculas que sirven para que las clulas se reconozcan entre s.

La hidrlisis de los oligosacridos proporciona los correspondientes monosacridos: C12 H22 O11 + H2 O C6 H12 O6 + C6 H12 O6

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I) Biomolculas

4) Glcidos

EJEMPLOS DE DISACRIDOS DE INTERSBIOLGICOOH CH2OH H H O OH OH H O HOCH2 H OH H O H H HO CH2OH

H

Sacarosa: Formada por -D-glucosa y -D-fructosa (enlace 12), unidas por los OH de los carbonos anomricos y por lo tanto no reductor. Es el azcar de mesa. Se encuentra en la caa de azcar y en la remolacha.CH2OH O HO H O H OH H H H OH OH H OH H H CH2OH O H

H

OH

Lactosa: Formada por -D-galactosa y D-glucosa, unidas 1 4 . Reductor. Se encuentra en la leche de los mamferos.CH2OH H H OH H O H H H OH H CH2OH O H

OH

O

OH

H

OH

H

OH

Maltosa: Formada por dos D-glucosas unidas por un enlace 1 4. Reductor. Se obtiene por hidrlisis del almidn y del glucgeno. Aparece en la germinacin de la cebada empleada en la fabricacin de la cerveza. Tostada se emplea como sucedneo del caf (malta).CH2OH H H O OH OH H H H OH OH H H O H H CH2OH O OH

H

OH

Celobiosa: Formada por dos D-glucosas unidas por un enlace 1 4. Reductor. Se obtiene por hidrlisis de la celulosa.

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I) Biomolculas

4) Glcidos

POLISACRIDOS

Uno de los monosacridos de la maltosa presenta libre su OH hemiacetlico y podr unirse mediante un nuevo enlace O-glicosdico al OH alcohlico de otro monosacrido. Este proceso puede repetirse y formarse un compuesto constituido por la unin de muchos monosacridos al que llamaremos polisacrido.

O HO O HO OH O O HO

O O HO O O OH HO OH OH O O O

OH

Fig. 15

Fragmento de almidn. El almidn es un polisacrido compuesto por molculas de glucosa.

Los polisacridos son sustancias inspidas, amorfas e insolubles en agua, algunos, como el almidn, pueden formar dispersiones coloidales. Aunque los polisacridos podran estar constituidos por diferentes monosacridos, lo normal es que sea un slo monosacrido el que forma la molcula. Los polisacridos son macromolculas, molculas de elevada masa molecular, miles o centenares de miles de daltons. Por ejemplo, cada molcula de celulosa, polisacrido vegetal, contiene de 300 a 3 000 molculas de glucosa y tiene un peso molecular que oscila entre 54 000 y 540 000 da. Algunos polisacridos presentan ramificaciones. Es de destacar que los polisacridos, al tener un slo -OH hemiacetlico por molcula libre, presentan un carcter reductor tan pequeo que se puede considerar como que no son reductores.

POLISACRIDOS DE INTERSBIOLGICO

Los polisacridos de mayor importancia biolgica estn formados por un slo tipo de monosacrido. Se trata, por lo tanto de homopolisacridos. Veamos algunos ejemplos:

Fig. 16

Fragmento de amilosa. La amilosa es uno de los componentes del almidn.

El almidn: polisacrido con funcin energtica. Es sintetizado por los vegetales. Est

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I) Biomolculas

4) Glcidos

formado por miles de mol culas de glucosa en unin 1 -- 4. La molcula adopta una disposicin en hlice, dando una vuelta por cada 6 molculas de glucosa, adems, cada 12 glucosas, presenta ramificaciones por uniones 1 -- 6. El almidn se reconoce fcilmente por teirse de violeta con disoluciones de iodo (solucin de Lugol). El glucgeno: Polisacrido de reserva energtica en los animales. Se encuentra en el hgado y en los msculos donde se hidroliza transformandose en glucosa. Su estructura es similar a la del almidn, aunque ms ramificado y su masa molecular es mucho mayor.

Fig. 17 Estructura helicoidal del almidn y del glucgeno. 1) Ramificaciones producidas por las uniones 1-6.

La celulosa: Sintetizada por los vegetales, tiene funcin estructural, formando parte importante de la pared celular. Est formada por la unin 1 -- 4 de varios millares de molculas de glucosa. Debido al tipo de enlace cada molcula de glucosa est girada 180 o respecto a la anterior, lo que le da a la celulosa una estructura lineal pero "retorcida". Esta disposicin permite que se formen gran cantidad de puentes de hidrgeno entre cadenas yuxtapuestas, lo que produce muy fibras resistentes.

CH2OH O O H OH H H H OH H H

CH2OH O O H OH H H H OH H HO

CH2OH

CH2OH

celobiosa

Fig. 18

Fragmento de celulosa.

La quitina. Formada por un derivado nitrogenado de la glucosa: la N-acetil-glucosamina). Constituye los exoesqueletos de los artrpodos.

CH2OH H H O OH OH H H H NH C=O CH3 O H

CH2OH O H OH H H H NH C=O CH3 H

CH2OH O H O OH H H H NH C=O CH3 H

CH2OH O H OH H H H

quitobiosa

Fig. 19

Fragmento de quitina.

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H H O HO H

OH

H

O

H H O HO H

OH

H

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I) Biomolculas

4) Glcidos

Tambin podemos encontrar en los seres vivos otros polisacridos ms complejos. Por ejemplo: - Las pectinas, de las paredes celulsicas de los vegetales, formadas por la polimerizacin del cido galacturnico, un derivado cido de la galactosa Lospptidoglucanos de las paredes bacterianas, formados por polisacridos asociados a cadenas peptdicas.Fig. 20 Los exoesqueletos de los artrpodos estn formados por quitina y otras sustancias.

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5) Lpidos

I-5 LPIDOS

CONCEPTO, PROPIEDADES Y FUNCIONES GENERALES Concepto: Los lpidos son sustancias qumicamente muy diversas. Slo tienen en comn el ser insolubles en agua u otros disolventes polares y solubles en disolventes no polares u orgnicos, como el benceno, el ter, la acetona, el cloroformo, etc Propiedades fsicas: Son sustancias untosas al tacto, tienen brillo graso, son menos densas que el agua y malas conductoras del calor. Funciones en los seres vivos: Los lpidos desempean importantes funciones en los seres vivos. Estas son, entre otras, las siguientes:

- Estructural: Son componentes estructurales fundamentales de las membranas celulares. - Energtica: Al ser molculas poco oxidadas sirven de reserva energticapues proporcionan una gran cantidad de energa; la oxidacin de un gramo de grasa libera 9,4 Kcal, ms del doble que la que se consigue con 1 gramo de glcido o de protena (4,1 Kcal). - Protectora: Las ceras impermeabilizan las paredes celulares de los vegetales y de las bacterias y tienen tambin funciones protectoras en los insectos y en los vertebrados. - Transportadora: Sirven de transportadores de sustancias en los medios orgnicos. - Reguladora del metabolismo: Contribuyen al normal funcionamiento del organismo. Desempean esta funcin las vitaminas (A,D, K y E). Las hormonas sexuales y las de la corteza suprarrenal tambin son lpidos.

PROTECTORA

TRANSPORTE

FUNCIONES

REGULADORA ENERGTICA

ESTRUCTURAL

Fig. 1 vivos.

Funciones de los lpidos en los seres

Fig. 2 Modelo de esferas de un lpido, un acilglicrido.

- Reguladora de la temperatura: Tambin sirven para regular la temperatura. Por ejemplo, las capas de grasa de los mamferos acuticos de los mares de aguas muy fras.

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5) Lpidos

SAPONIFICACIN DE LOS LPIDOS

Muchos lpidos, como por ejemplo: los cidos grasos, reaccionan con bases fuertes, NaOH o KOH, dando sales sdicas o potsicas que reciben el nombre de jabones. Esta reaccin se denomina de saponificacin. Son saponificables los cidos grasos o los lpidos que poseen cidos grasos en su estructura.

R1-COOH + NaOHcido orgnicoFig. 3

R1-COONa + H2OSal sdica (jabn) agua

hidrxido sdico

Reaccin de saponificacin entre un cido orgnico y el hidrxido sdico.

CLASIFICACIN

Segn den o no la reaccin de saponificacin, clasificaremos los lpidos en:Saponificables No saponificables

cidos grasos Acilglicridos Ceras Fosfolpidos

Esteroides

Es de destacar que, adems de estas, que son las que estudiaremos, existen otras clases de lpidos, como: los carotenoides, los terpenos, las prostaglandinas, etc.

LOS CIDOS GRASOS Concepto. Son cidos orgnicos de elevado nmero de tomos de carbono. Este nmero es siempre par y oscila, normalmente, entre 12 y 22. Descripcin: La cadena carbonada puede o no tener dobles enlaces. En el primer caso, diremos que el cido graso es insaturado y en el segundo, saturado. Los cidos grasos se diferencian por el nmero de tomos de carbono y por el nmero y la posicin de los dobles Tabla I: Los principales cidos grasos. enlaces. A veces, por comodidad, representaremos la cadena hidrocarbonada de los cidos grasos como una simple lnea

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I) Biomolculas

5) Lpidos

quebrada. La cadena de los cidos grasos saturado puede disponerse totalmente extendida, mientras que la cadena de los cidos grasos insaturados al tener dobles enlaces adopta una disposicin doblada. Los cidos grasos no suelen encontrarse en estado libre y se obtienen por hidrlisis cida o enzimtica de los lpidos saponificables.Fig. 4 1) Acido graso saturado (ac. Palmtico) 2) cido graso insaturado (ac. Olico).

Propiedades qumicas

a) Reaccin de esterificacin: El grupo cido de los cidos grasos va a poder reaccionar con los alcoholes para formar steres y agua.

R1-COOH + HOCH2-R2cido orgnicoFig. 5

R1-COO-CH2-R2 + H2Oster agua

alcohol

Reaccin de esterificacin entre un cido graso y un alcohol para dar un ster y agua.

b) Reaccin de saponificacin: Como se ha dicho anteriormente, con bases fuertes como la sosa (NaOH) o la potasa (KOH), dan las correspondientes sales sdicas o potsicas del cido graso que reciben el nombre de jabones.

ACILGLICRIDOS O GRASAScidos grasos Glicerina COOH COOH COOH HO-CH2

Son steres de la glicerina y de cidos grasos. Si un cido graso esterifica uno de los grupos alcohol de la glicerina tendremos un monoacilglicrido, si son dos, un diacilglicrido, y si son tres, un triacilglicrido, triglicri o, tambin d llamados: grasas neutras. Estas sustancias por saponificacin dan jabones y glicerina. Los acilglicridos sencillos contienen un slo tipo de cido graso, mientras que los mixtos tienen cidos grasos diferentes. Los acilglicridos saponifican dando correspondientes jabones y glicerina. los

+

HO-CH HO-CH2

3H2OCO- O-CH2 CO- O-CH CO- O-CH2 Triacilglicrido

Fig. 6 Reaccin de formacin de un triacilglicrido.

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5) Lpidos

PROPIEDADES FSICAS DE LAS GRASAS Y FUCIN BIOLGICA

Las propiedades fsicas de estas sustancias son de gran importancia pues en cierto modo determinan su funcin biolgica. Estas propiedades se deben, en gran medida, a la longitud y al grado de insaturacin de la cadena hidrocarbonada de los cidos grasos que las forman.* Solubilidad: Los cidos grasos son sustancias anfipticas ya que la cadena hidrocarbonada es apolar mientras que el grupo carboxilo es polar. Esta propiedad ser ms ampliamente tratada ms adelante.

Fig. 7 Las grasas animales y los aceites vegetales son mezclas complejas de acilglicridos y otros lpidos.

Los triglicridos son sustancias apolares, prcticamente insolubles en agua. Los monoacilglicridos y los diacilglicridos, al tener la glicerina radicales OH- libres, tienen cierta polaridad.Fig. 8 Monoacilglicrido.

* Punto de fusin: Los cidos grasos saturados, al poderse disponer la cadena hidrocarbonada totalmente extendida, pueden empaquetarse O estrechamente lo que permite que se unan C-O-H O mediante fuerzas de Van der Waals con tomos C-O-H de cadenas vecinas (el nmero de enlaces, O C-O-H adems, est en relacin directa con la longitud O de la cadena). Por el contrario, los cidos C-O-H grasos insaturados, al tener la cadena doblada por los dobles enlaces no pueden empaquetarse Fig. 9 Las grasas que contienen cidos tan fuertemente. Es por esto que los cidos grasos saturados son slidas; pues sus grasos saturados tienen puntos de fusin mas componentes pueden empaquetarse ms densamente, lo que aumenta el punto de fusin. altos que los insaturados y son slidos (sebos) a temperaturas a las que los insaturados son lquidos (aceites). En los animales poiquilotermos y en los vegetales hay aceites y en los animales homeotermos hay sebos. Los sebos y los aceites estn formados por mezclas ms o menos complejas de acilglicridos.= = = =

Las grasas tienen sobre todo funciones energticas. En los vegetales se almacenan en las vacuolas de las clulas vegetales (las semillas y frutos oleaginosos) y en el tejido graso o adiposo de los animales. Contienen en proporcin mucha ms energa que otras sustancias orgnicas, como por ejemplo el glucgeno, pues pueden almacenarse en grandes

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C-O-H

O

O

C-O-H

O

C-O-H

C-O-H O

=

=

=

=

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5) Lpidos

cantidades y en forma deshidratada, con lo que ocupan un menor volumen. En el intestino, las lipasas hidrolizan los acilglicridos liberando glicerina y cidos grasos.

3NaOHCO- O-CH2 CO- O-CH CO- O-CH2 Triacilglicrido jabn COONa COONa + COONa HO-CH2 HO-CH HO-CH2

Glicerina

Fig. 10

Saponificacin de un triacilglicrido.

En algunos animales las grasas acumuladas bajo la piel sirven como aislante trmico o para regular la flotabilidad, pues son malas conductoras del calor y menos densas que el agua. Algunos cidos grasos de cadena muy larga son esenciales en la dieta y se les conoce bajo el nombre genrico de vitaminas F.LAS CERAS

Son steres de un monoalcohol lineal y de un cido graso, ambos de cadena larga.

Palmitato de miricilo (cera de abeja)

Enlace ster

cido graso (C18)

Alcohol de cadena larga (C30)

Fig. 11

Palmitato de miricilo, cera de abejas.

LOS FOSFOLPIDOS

Son lpidos que forman parte de las membranas celulares. Derivan de la glicerina o de la esfingosina, un alcohol ms complejo. Los derivados de la glicerina se llaman fosfoglicridos y los que derivan de la esfingosina: esfingolpidos.I) FOSFOGLICRIDOS

Se trata de una de las clases de fosfolpidos, lpidos con cido fosfrico. Qumicamente podemos definirlos como steres del cido fosfatdico y un compuesto polar, generalmente

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5) Lpidos

un aminoalcohol. El cido fosfat dico es, a su vez, un ster de un diacilglicrido y del cido fosfrico. El alcohol es siempre una sustancia polar, soluble en agua, muy variada qumicamente (aminocido, base nitrogenada, etc). Como ejemplo de fosfoglicrido podemos ver en la Fig.12 la estructura de la lecitina (fosfatidilcolina).

O C O- CH 2 O C O- CH OX Y +

CH3

H2COPOCHCHNCH3 OHZ W

CH3

cido fosfatdico (apolar)

alcohol (polar)

Fig. 12 Lecitina. X) cidos grasos. Y) Glicerina. Z) cido fosfrico. W) Colina. X y Y estn unidos por enlaces ster; Y y Z, y Z y W lo estn por enlaces ster fosfato.

Otros ejemplos de fosfoglicridos segn sea w son:

Alcohol (W)

Fosfoglic rido

Colina Serina

Fosfatidilcolina Fosfatidilserina

ESFINGOLPIDOS

Su estructura molecular deriva de la unin del alcohol esfingosina y una sustancia polar que puede ser un aminoalcohol o un glcido. El ms conocido es la esfingomielina.

Fig. 13

Esfingonielina.

IMPORTANCIA BIOLGICA DE LOS FOSFOLPIDOS

Los fosfolpidos compuestos anfipticos y debido a esto desempean un papel estructural de gran importancia en los seres vivos pues constituyen las membranas celulares. stas estn formadas por una doble capa de fosfolpidos en la que estn integrados otros lpidos (colesterol, por ejemplo) y protenas. En el caso de la membrana plasmtica hay tambin oligosacridos.

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5) Lpidos

LOS ESTEROIDES

Son lpidos no saponificables derivados del ciclo del esterano (ciclopentano-perhidrofenantreno). Muchas sustancias importantes en los seres vivos son esteroides o derivados de esteroides. Por ejemplo: el colesterol, los cidos biliares, las hormonas sexuales, las hormonas de la corteza suprarrenal, muchos alcaloides, etc. En la tabla de la pgina 9 se dan algunos ejemplos de esteroides presentes en los seres vivos.

Fig. 14

Esterano.

CARCTER ANFIPTICO DE LOS LPIDOS MICELAS, MONOCAPAS Y BICAPAS

Fig. 15

Colesterol.

Ciertos lpidos, y en particular los fosfolpi dos, tienen una parte de la molcula que es polar: hidrfila y otra (la correspondiente a los cidos grasos) que es no polar: hidrfoba. Las molculas que presentan estas caractersticas reciben el nombre de anfipticas. A partir de ahora y por comodidad, representaremos la parte polar (hidrfila) y la no polar (hidrfoba) de un fosfolpido como se indica en la Fig. 16. Cuando los fosfolpidos se dispersan en agua forman micelas. Los grupos hidrfilos se disponen hacia la parte acuosa y la parte hidrfoba de cada molcula hacia el interior. Las suspensiones que contienen este tipo de micelas son muy estables. Los lpidos anfipticos pueden tambin dispersarse por una superficie acuosa pudindose formar, si la cantidad es la adecuada, una capa de una molcula de espesor: monocapa. En este caso las partes hidrfilas se disponen hacia el interior y los grupos hidrfobos hacia el exterior de la superficie acuosa. Pueden tambin formarse bicapas, en particular entre dos

Fig. 16 anfiptico.

Representacin de un lpido

Fig. 17 Monocapa y bicapa formada por un lpido anfiptico.

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5) Lpidos

compartimientos acuosos. Entonces, las partes hidrfobas se disponen enfrentadas y las partes hidrfilas se colocan hacia la solucin acuosa. Los lpidos anfipticos forman este tipo de estructuras espontneamente. Las bicapas pueden formar compartimientos cerrados denominados liposomas. La bicapas lipdicas poseen caractersticas similares a las de las membranas celulares: son permeables al agua pero impermeables a los cationes y aniones y son tambin malas conductoras elctricas. En realidad, las membranas celulares son, esencialmente, bicapa lipdi cas.

Fig. 18

Micelas.

Fig. 19 Las membranas celulares estn constitudas por bicapas lipdicas en la que se encuentran insertadas protenas.

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I) Biomolculas

5) Lpidos

EJEMPLOS DE ESTEROIDES

Colesterol: El OH confiere un carcter polar a esta parte de la molcula. Precursor de otras muchas sustancias. Presente en las membranas celulares de las clulas animales a las que confiere estabilidad.

Cortisona: Hormona de la corteza de las glndulas suprarrenales. Acta favoreciendo la formacin de glucosa y glucgeno.

Progesterona: Una de las hormonas sexuales femeninas.

Testosterona: Hormona sexual masculina.

Vitamina D: Regula el metabolismo del calcio y del fsforo.

Solanina: Alcaloide presente en la patata. Obsrvese que tiene un oligosacrido unido al anillo del esterano.

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5) Lpidos

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6) Protenas

I-6 PROTENAS

CONCEPTO Y CARACTERSTICAS Concepto: Se pueden definir como polmeros formados por la unin, mediante enlaces peptdicos, de unidades de menor masa molecular llamadas aminocidos.

Son molculas muy complejas. Su masa molecular es muy elevada, normalmente est comprendida entre 6000 da y 10 6 da, son macromolculas. Algunas protenas estn constituidas por la unin de varios polmeros proteicos que en ocasiones pueden tambin contener otras molculas orgnicas (lpidos, glcidos, etc). En este ltimo caso reciben el nombre genrico de prtidos. Las protenas son las molculas orgnicas ms abundantes en las clulas, ms del 50% del peso seco de la clula son protenas. Estn constituidas, fundamentalmente, por C, H, O y N y casi todas tienen tambin azufre. Algunas tienen, adems, otros elementos qumicos y en particular: P, Fe, Zn o Cu. El elemento ms caracterstico de las protenas es el nitrgeno. Son los compuestos nitrogenados por excelencia de los seres vivos. Las protenas son molculas especficas que marcan la individualidad de cada ser vivo. Son adems de una gran importancia porque a travs de ellas se va a expresar la informacin gentica, de hecho el dogma central de la gentica molecular nos dice:DNARNAProtena

FUNCIONES GENERALES

Las protenas estn entre las sustancias que realizan las funciones ms importantes en los seres vivos. De entre todas pueden destacarse las siguientes: - De reserva. En general las protenas no tienen funcin de reserva, pero pueden utilizarse con este fin en algunos casos especiales como por ejemplo en el desarrollo embrionario: ovoalbmina del huevo, casena de la leche y gliadina del trigo. - Estructural. Las protenas constituyen muchas estructuras de los seres vivos. Las membranas celulares contienen protenas. En el organismo, en general, ciertas estructuras -cartlago, hueso- estn formadas, entre otras sustancias, por protenas.

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I) Biomolculas

6) Protenas

- Enzimtica. Todas las reacciones que se producen en los organismos son catalizadas por molculas orgnicas. Las enzimas son las molculas que realizan esta funcin en los seres vivos. Todas las reacciones qumicas que se producen en los seres vivos necesitan su enzima y todas las enzimas son protenas. - Homeosttica. Ciertas protenas mantienen el equilibrio osmtico del medio celular y extracelular. - Transporte, de gases, como es el caso de la hemoglobina, o de lpidos, como la seroalbmina. Ambas protenas se encuentran en la sangre. Las permeasas, molculas que realizan los intercambios entre la clula y el exterior, son tambin protenas. - Movimiento. Actan como elementos esenciales en el movimiento. As, la actina y la miosina, protenas de las clulas musculares, son las responsables de la contraccin de la fibra muscular. - Hormonal. Las hormonas son sustancias qumicas que regulan procesos vitales. Algunas protenas actan como hormonas, por ejemplo: la insulina, que regula la concentracin de la glucosa en la sangre. - Inmunolgica. Los anticuerpos, sustancias que intervienen en los procesos de defensa frente a de los agentes patgenos, son protenas.

LOS AMINOCIDOS

Son las unidades estructurales que constituyen las protenas. Todos los aminocidos que se encuentran en las protenas, salvo la prolina, responden a la frmula general que se observa en la figura. A partir de ahora nos referiremos exclusivamente a los aminocidos presentes en las protenas de los seres vivos. Estos, como indica su nombre, tienen dos grupos funcionales caractersticos: el grupo carboxilo o grupo cido (-COOH), y el grupo amino (-NH2 ). La cadena carbonada de los aminocidos se numera comenzando por el grupo cido, siendo el carbono que tiene esta funcin el carbono nmero 1, el grupo amino se encuentra siempre en el carbono 2 o carbono .

Fig. 1

Frmula general de un amino-cido.

COOH HN C H

Fig. 2 L-prolina; aminocido polar no ionizable. Es el nico aminocido que no responde a la frmula general.

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I) Biomolculas

6) Protenas

Por lo tanto, los aminocidos tienen en comn los carbonos 1 (grupo carboxilo) y 2 (el del grupo amino) diferencindose en el resto (R) de la molcula. En la frmula general de la Fig. 1 , R representa el resto de la molcula. R puede ser desde un simple H- , como en el aminocido glicocola, a una cadena carbonada ms o menos compleja en la que puede haber otros grupos aminos o carboxilo y tambin otras funciones (alcohol, tiol, etc.). Las protenas delos seres vivos slo tienen unos 20 aminocidos diferentes, por lo que habr nicamente 20 restos distintos. Es de destacar el hecho de que en todos los seres vivos slo se encuentren los mismos 20 aminocidos. En ciertos casos muy raros, por ejemplo en los venenos de algunas serpientes, podemos encontrar otros aminocidos diferentes de estos 20 e incluso aminocidos que no siguen la frmula general. La mayora de los aminocidos pueden sintetizarse unos a partir de otros, pero existen otros, aminocidos esenciales, que no pueden ser sintetizados y deben obtenerse en la dieta habitual. Los aminocidos esenciales son diferentes para cada especie, en la especie humana, por ejemplo, los aminocidos esenciales son diez: Thr, Lys, Arg, His, Val, Leu, Ileu, Met, Phe y Trp.

COOH H2N C CH2 CH HFig. 3 L-leucina; aminocido no polar.

CH3 CH3

COOH H2N C CH2 HFig. 4 L-tirosina; aminocido polar no ionizable.

OH

COOH H 2N C CH2 CH2 COOH HFig. 5 L-Glutmico; aminocido polar ionizable cido.

COOH H 2N C CH2 CH2 COOH HFig. 6 L-Arginina; aminocido polar ionizable bsico.

CLASIFICACIN DE LOS AMINOCIDOS

En funcin de sus caractersticas qumicas, los aminocidos se clasifican en:

Grupo I: Aminocidos apolares. Aminocidos cuyo resto R no es polar. Esto es, no posee cargas elctricas en R al tener en l largas cadenas hidrocarbonadas. Estos aminocidos, si estn en gran abundancia en una protena, la hacen insoluble en agua. Grupo II: Aminocidos polares no ionizables. Poseen restos con cortas cadenas hidrocarbonadas en las que hay funciones polares (alcohol, tiol o amida). Contrariamente al grupo anterior si una protena los tiene en abundancia ser soluble en agua.

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I) Biomolculas

6) Protenas

Grupo III: Aminocidos polares cidos. Pertenecen a este grupo aquellos aminocidos que tienen ms de un grupo carboxilo. En las protenas, si el pH es bsico o neutro, estos grupos se encuentran cargados negativamente. Grupo IV: Aminocidos polares bsicos. Son aquellos aminocidos que tienen otro u otros grupos aminos. En las protenas, estos grupos amino, si el pH es cido o neutro, estn cargados positivamente.

COOH H2N C CH2 COOH HH2O H3O+

COOH H2 N C CH2 COO H

ASIMETRA DE LOS AMINOCIDOS

Fig. 8 Ionizacin del grupo amino suplementario de un aminocido polar ionizable cido.COOH H2N C CH2 CH2 CH2 CH2 NH2 HH2 O OH-

Excepto en la glicocola, en el resto de los aminocidos el carbono (el carbono que lleva la funcin amino) es asimtrico. La molcula ser pticamente activa y existirn dos configuraciones: D y L. Normalmente en los seres vivos slo encontramos uno de los ismeros pticos. Por convenio se considera que los aminocidos presentes en los seres vivos pertenecen todos ellos a la serie L. No obstante, en los microorganismos (paredes bacterianas, antibiticos generados por bacterias) existen aminocidos no proteicos pertenecientes a la serie D.

COOH H2N C CH2 CH2 CH2 CH2 NH3 H

Fig. 9 Ionizacin del grupo amino suplementario de un aminocido polar ionizable bsico.

OH C H C RD aminocido

OH O NH2 H2N C C RL aminocido

O H

Fig. 10 Asimetra de los aminocidos. Todos los aminocidos, excepto la glicocola, son asimtricos. De las dos formas, la D y la L, en los seres vivos slo existe, normalmente, la L.

J. L. Snchez Guilln

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