TEMA IIEL NIVEL QUÍMICO DE ORGANIZACIÓN

ESTADOS DE LA MATERIA

La materia existe en tres estados:• SÓLIDO, como los huesos y los dientes, son compactos y

tienen una forma y un volumen definidos.• LÍQUIDO, como el plasma sanguíneo, presenta un volumen

definido pero adoptan la forma del recipiente que los contiene.

• GASEOSO, como el oxígeno y el dióxido de carbono, carecen de forma y de volumen definido.

     

ELEMENTOS QUÍMICOS                  Todas las formas de la materia, tanto las vivas como las no vivas, están compuestas por un número limitado de "unidades o ladrillos de construcción" denominados ELEMENTOS QUÍMICOS.    Por tradición, se puede definir elemento químico como "aquella sustancia que no puede ser descompuesta, mediante una reacción química, en otras más simples". (Wikipedia).       Hasta el presente, los científicos han reconocido 112 elementos.     De ellos, 92 existen naturalmente en la Tierra.     Cada elemento se designa por un símbolo químico (C, Na) 

Principales elementos químicos del cuerpo

Estructura atómica

    La parte central densa de un átomo es su núcleo, dentro se encuentran:•     Protones (p+)•     Neutrones (nº)

        Los electrónes (e-) giran alrededor del núcleo en regiones denominadas niveles de energía

    ÁTOMO: menores unidades de la matería que conservan las propiedades y las características del elemento.

Nº atómico, nº de masa y masa atómica

NÚMERO ATÓMICO    El número de protones en el núcleo de un átomo es su número atómico. Se representa con una "Z".

NÚMERO DE MASA    El número de masa de un átomo está dado por la suma de sus protones y neutrones.Se representa con una "A".No se representa en la tabla periódica.

MASA ATÓMICA: es la masa de un átomo en reposo, la unidad SI en la que se suele expresar es la unidad de masa atómica unificada. La masa atómica puede ser considerada como la masa total de los protones y neutrones en un átomo único en estado de reposo.

Iones    IÓN: Es un átomo con carga positiva o negativa puesto que tiene un número desigual de protones y electrones.     La ionización es el proceso de ceder o ganar electrones.     Los iones cargados negativamente, producidos por la ganancia de electrones, se conocen como aniones y los cargados positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes.   

Moléculas

    Cuando dos o más átomos comparten electrones, el resultado de esta combinación se denomina MOLÉCULA.     La fórmula molecular indica los elementos y el número de átomos de cada elemento (H2O).       Una molécula puede estar formada por dos átomos del mismo elemento, como ocurre con la molécula de oxígeno. La fórmula molecular de una molécula de oxígeno es O2. El subíndice 2 indica que la molécula contiene 2 atomos de oxígeno.

ENLACES QUÍMICOS   Las fuerzas que mantienen unidos a los átomos de una molécula o de un compuesto son los enlaces o uniones químicas.   La posibilidad de que un átomo forme un enlace químico con otro depende el número de electrones en su nivel de energía más externo o "nivel de valencia".    Un átomo que contiene 8 electrones en su nivel de valencia es químicamente estable. (Regla del octeto)

    Consideramos tres tipos de enlaces químicos: 1. Enlaces IÓNICOS.– Enlaces COVALENTES.– Enlaces por PUENTES DE 

      HIDRÓGENO.

Enlaces iónicos    Los iones con carga positiva y los iones con carga negativa se atraen entre si.    En química, el enlace iónico es la unión que resulta de la presencia de fuerzas de atracción electrostática entre los iones de distinto signo. Se da cuando uno de los átomos capta electrones del otro. (Wikipedia)

Enlaces covalentes    Cuando se forma un enlace covalente, dos o más átomos comparten electrones en lugar de ganarlos o cederlos.    Son los enlaces químicos más comunes en el cuerpo humano, y los compuestos que resultan de ellas constituyen la mayor parte de las estructuras corporales.  Enlace covalente (wikipedia)

Enlaces por puente de hidrógeno

    Se forma un enlace o puente de hidrógeno cuando un átomo de hidrógeno con una carga parcial positiva atrae a la carga parcial negativa de los átomos electronegativos vecinos, por lo general oxígeno o nitrógeno.

REACCIONES QUÍMICAS

    Una reacción química o cambio químico es todo proceso químico en el cual una o más sustancias (llamadas reactivos), por efecto de un factor energético, se transforman en otras sustancias llamadas productos. (Wikipedia)     Todas las reacciones químicas implican la transferencia de energía. La energía química es una forma de energía potencial que está almacenada en las uniones de las moléculas y los compuestos.     Tipos de reacciones químicas:

1.Reacciones de síntesis: anabolismo»Reacciones de degradación: catabolismo»Reacciones de intercambio»Reacciones reversibles

Reacciones de síntesis: anabolismo

    Cuando dos o más átomos, iones o moléculas se combinan para formar moléculas nuevas y más largas, el proceso se conoce como REACCIÓN DE SÍNTESIS.    Todas las reacciones de síntesis que se producen en el cuerpo se conocen en conjunto como ANABOLISMO. Estas reacciones suelen ser endergónicas ya que absorben más energía de la que liberan.    Ejemplo:        A + B => AB

Reacciones de degradación: catabolismo

    En una reacción de degradación se dividen moléculas grandes en átomos, iones o moléculas más pequeñas.     Todas las reacciones de degradación que se producen en el cuerpo se conocen en conjunto como CATABOLISMO. Estas reacciones suelen ser exergónicas puesto que liberan más energía de la que absorben.    Ejemplo:    AB => A + B

Reacciones de intercambio y reversibles

DE INTERCAMBIO    Consisten tanto en reacciones de síntesis como de degradación. La siguiente es un tipo de reacción de intercambio:AB + CD   =>   AD + BC

REVERSIBLES    En una reacción reversible los productos pueden volver a formar los reactivos originales. Se indican con flechas apuntando en direcciones opuestas:

AB <=>  A + B  

    COMPUESTOS INORGÁNICOS

    En general, los compuestos inorgánicos carecen de carbono y tienen estructuras simples. Incluyen el agua, numerosas sales, ácidos y bases.

    El 55-60% de la masa corporal magra total de un adulto está formado por agua.    Otros compuestos inorgánicos representan el 1-2%.    El dióxido de carbono (CO2), el ion bicarbonato (HCO3

-) y el ácido carbónico (H2CO3) son ejemplos de compuestos inorgánicos que contienen carbono.

El agua (H2O)

    Es el compuesto más abundante y de mayor importancia en todos los organismos vivos.         Su propiedad más importante es la polaridad, distribución desigual de sus electrones de valencia que le confiere una carga parcial negativa cerca del único átomo de oxígeno y dos cargas parciales positivas cerca de sus dos átomos de hidrógeno.

    Esta propiedad por sí sola hace que sea un excelente solvente para otras sustancias iónicas o polares, les otorga cohesión a las moléculas de agua (tienden a permanecer juntas) y resistencia a los cambios de temperatura.

COMPUESTOS ORGÁNICOS    Los compuestos orgánicos son sustancias químicas que contienen carbono, formando enlaces covalentes carbono-carbono y/o carbono-hidrógeno. (Wikipedia)       En los organismos se encuentran cuatro tipos diferentes de moléculas orgánicas en gran cantidad:• Los hidratos de carbono.• Los lípidos.• Las  proteinas.• Los ácidos nucleicos.

     Mención especial en esta matería tendrá el ATP (adenosín trifosfato)

El carbono    El carbono, con sus cuatro electrónes de valencia, se une en forma convalente con otros átomos de carbono para forma moléculas grandes de diferentes formas.    La molécula de átomos de carbono en una molécula orgánica se conoce como esqueleto de carbono.    Unidos al esqueleto de carbono de las moléculas orgáncias se encuentran los grupos funcionales que les confieren propiedades químicas particulares.     Los isómeros (iso-, isos, igual) son moléculas que tienen la misma fórmula molecular pero diferente estructura. Por ejemplo la glucosa y la fructosa (C6H12O6).    

Los hidratos de carbono (glúcidos)    En los seres humanos y en los animales actúan principalmente como una fuente de energía en la formación de ATP necesario para el desarrollo de las reacciones metabólicas.    Representan el 2-3% de la masa corporal total.     Los azucares se disuelven con facilidad en agua, son hidrófilos.    Los elementos constitutivos de los hidratos de carbono son carbono, hidrógeno y oxígeno.

Monosacáridos    Las principales moléculas de monosacáridos son hexosas, es decir, poseen 6 atomos de carbono, como la glucosa, la galactosa y la fructosa.    Los monosacáridos pueden tener entre 3 y 7 átomos de carbono.    La ribosa y desoxirribosa son pentosas componentes estructurales de los nucleótidos (ARN y ADN).    El ATP también posee ribosa. 

    Disacáridos

Enlace glucosídico

Polisacáridos (glucógeno)

    El glucógeno constituye la reserva glucídica de la especie humana. En el organismo se almacena en el hígado y en el músculo.

FIBRA:    Son hidratos de carbono que la especie humana no puede digerir y por lo tanto no aportan calorías. Se clasifican en solubles (retienen agua) e insolubles.

        Los lípidos    Los lípidos representan el 18-25% de la masa magra corporal del adulto.    Al igual que los H. de C. contienen carbono, hidrógeno y oxígeno.    La mayoría son insolubles en solventes polares como el agua, es decir: son hidrófobos.    

Triglicéridos

               Son los lípidos más abundantes del cuerpo y de la dieta.    Aportan más del doble de energía química por gramo que los hidratos de carbono o las proteínas.    La capacidad de almacenamiento es ilimitada (tejido grasos).    El exceso de hidratos de carbono, proteínas, grasas y aceites en la dieta tiene el mismo destino: depositarse en el tejido adiposo como triglicéridos.

    TRIGLICÉRIDO. Una unión éster se establece entre el glicerol con cada uno de los tres ácidos grasos.

Los 3 ácidos grasos se unen mediante reacciones de deshidratación.

Ácidos grasos saturados                        Son ácidos grasos que contienen sólo enlaces covalentes simples entre los átomos de carbono.    Como no presentan ningún enlace doble, cada átomo de carbono está saturado por átomos de hidrógeno.    Los trigliceridos formados en su mayor parte por ácidos grasos saturados son sólidos a temperatura ambiente.    Se encuentran en su mayor parte en las carnes.    Las dietas con grandes cantidades de este tipo de grasa se han asociado con enfermedades cardiacas.

   Ácidos grasos monoinsaturados

    Contienen un enlace covalente doble entre dos átomos de la cadena de carbono.    Forman "asas" en los ácidos grasos.    Los aceites de oliva, la mayoría de las nueces,... son ricos en ácidos grasos monoinsaturados.     Se considera que disminuyen el riesgo de enfermedad cardiaca.    

Ácidos grasos poliinsaturados

    Contienen más de un enlace covalente doble entre los átomos de carbono de los ácidos grasos.    Los aceites de maíz, de girasol, de soja, los pescados grasos (salmón, atún y caballa) contienen un porcentaje alto.    Se cree que disminuyen el riesgo de afecciones cardiacas.    Un ejemplo es el ácido linoleico (omega-6).

Ácidos Grasos Esenciales    Hay un grupo de ácidos grasos, denominados ácidos grasos esenciales (AGE), son fundamentales para la salud y deben ser suministrados con la dieta.     Los omega-3 y omega-6 son ácidos grasos poliinsaturados que actuarían en conjunto para promover la salud.

    Linolénico, EPA, DHA (omega-3) - Linoleico (omega-6)Relación óptima: 1:1

Fosfolípidos                    Tienen un esqueleto de glicerol y dos cadenas de ácidos grasos unidos a los dos primeros carbonos.    En el tercer carbono un grupo fosfato (PO4

3-) se une a un pequeño grupo cargado+ (colina, serina o etanolamina) que suele contener nitrógeno (N).    La "cabeza" es polar y puede formar puentes de hidrógeno con las moléculas de agua.    La "colas" (ácidos grasos), son no polares e interactúan con otros lípidos.       Las moléculas que tienen partes polares como no polares se denominan  ANFIPÁTICAS (anfi-, de amphí, en ambos lados, y -patia, de páthos, pasión)

    En la síntesis de los fosfolípidos, dos ácidos grasos se unen a los dos primeros carbonos del esqueleto de glicerol. Un grupo fosfato une un pequeño grupo cargado al tercer carbono del glicerol.

Esteroides

                             Los esteroides tienen cuatro anillos de                                                           átomos de carbono. Las células pueden sintetizar otros esteroides a partir del colesterol.    Los esteroides más comunes son el colesterol (necesario para la estructura de la membrana celular), los estrógenos y la testosterona (se requieren para regular funciones sexuales), el cortisol (necesario para mantener niveles de glucemia dentro de valores normales), y la vitamina D (relacionada con el crecimiento óseo).    Todos los esteroides se sintetizan a partir del colesterol, que a su vez se forma en el hígado.

    Son moléculas grandes quecontienen: carbono, oxígeno,hidrógeno, y nitrógeno. Algunastambién contienen azufre.

    Cumplen múltiples funciones en el organismo y de ellas depende en gran parte la estructura de los tejidos corporales.

    Por ejemplo:    La actina, la miosina, tropomiosinay troponina que vemos en la imagen son proteínas del tejido muscular.    La hemoglobina es proteína.

LAS PROTEINAS

Funciones de las proteínas

Los aminoácidos

    Los aminoácidos son los monómeros de las proteínas. Cada uno de los 20 aminoácidos diferentes tiene 3 grupos funcionales:1. Un grupo amino (-NH2)– Un grupo carboxilo (-COOH) – Una cadena lateral (grupo R)

     Las distintas cadenas laterales le dan a cada aminoácido su identidad química particular.

    El enlace peptídico

    El enlace covalente de cada par deaminoácidos es un enlace peptídico. Siemprese forma entre el carbono del grupo carboxilode un aminoácido (-COOH) y el nitrógenodel grupo amino de otro (-NH2).    Cuando se forma el enlace peptídico, se pierde una molécula de agua y convierte a ésta en una reacción dedeshidratación.

NIVELES DE ORGANIZACIÓN ESTRUCTURAL DE 

LAS PROTEÍNAS

    Las proteínas tienen 4 niveles de organización estructural.

Estructura primaria

    Es la secuencia única de aminoácidos unidos por enlaces covalentes peptídicos para formar una cadena polipeptídica.

    Está determinada en los genes.        Wikipedia

    Es la forma en la cual se pliegan los aminoácidos vecinos en la cadena polipeptídica.

    Dos estructuras secundarias frecuentes de encontrar son las hélices alfa (espirales en sentido de las agujas de reloj) y las láminas beta.

    La estructura secundaria de una proteína se estabiliza con puentes de hidrógeno a intervalos regulares.

        Estructura secundaria

Estructura terciaria

    Modo en el que la cadena polipeptídica se pliega en el espacio, se refiere a la forma tridimensional de la cadena polipeptídica.     Cada proteína tiene una estructura terciaria en particular que determina su funcionamiento.    Son varios los tipos de enlaces que pueden contribuir a la estructura terciaria de una proteína. Los más fuertes son los enlaces covalentes S-S, denominados puentes disulfuro.    Aminoácidos con cadenas hidrofobas se orientan hacia el núcleo.

Estructura cuaternaria    En aquellas proteínas que tienen más de una cadena polipeptídica (no todas tienen), la manera en la cual se dispone cada cadena en relación con la otra es la estructura cuaternaria.

    Los enlaces que mantienen las cadenas unidas son similares a los que mantienen la estructura terciaria (puentes disulfuro, puentes hidrógeno, enlaces iónicos e interacciones hidrófobas).

  

    Existe una enorme variedad de estructuras relacionadas con sus diversas funciones. En casi todos los casos la función de una proteína depende de su capacidad para reconocer otra molécula y unirse a ésta.

Desnaturalización

    Se llama desnaturalización de las proteínas a la pérdida de las estructuras de orden superior (secundaria, terciaria y cuaternaria), quedando la cadena polipeptídica reducida a un polímero estadístico sin ninguna estructura tridimensional fija.

    Las proteínas desnaturalizadas dejan de ser funcionales.

    Los mecanismos homeostáticos mantienen la temperatura y la composición química de los líquidos corporales, lo cual les permite a las proteínas conservar su forma tridimensional apropiada.

Las enzimas    Son sustancias de naturaleza proteica que catalizan reacciones químicas. En estas reacciones, las enzimas actúan sobre unas moléculas denominadas sustratos, las cuales se convierten en diferentes moléculas, los productos.     Propiedades importantes: 1. Son sumamente específicas.– Son muy eficientes.– Sujetas a una variedad de

controles celulares. (control bajo los genes de la célula).

ÁCIDOS NUCLEICOS            Son grandes moléculas orgánicas que contienen:carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo.

    Existen dos tipos:1.Ácido desoxirribonucleico

(ADN).• Ácido ribonucleico (ARN).

         Está compuesto por monómeros que se repiten llamados NUCLEÓTIDOS. Cada nucleótido presente tres partes:

1.Bases nitrogenadas: purinas y pirimidinas.• Azúcar: ribosa o desoxirribosa.• Grupo fosfato (PO4

3-)    

    El trifosfato de adenosina o adenosín trifosfato (ATP, del inglés adenosine triphosphate) es un nucleótido fundamental en la obtención de energía celular. Está formado por una base nitrogenada (adenina) unida al carbono 1 de un azúcar de tipo pentosa, la ribosa, que en su carbono 5 tiene enlazados tres grupos fosfato.    

ADENOSÍN TRIFOSFATO

    El ATP es la "moneda de cambio" de energía de los organismos vivos.    El ATP transfiere la energíaliberada en las reacciones catabólicas exergónicas a las actividades que requieren energía (reacciones endergónicas).

    Cuando se agrega una molécula de agua al ATP, se pierde el tercer grupo fosfato (PO4

3-), y la reacción glogal libera energía (7,7 Kcal/mol). La enzima que cataliza la hidrólisis del ATP se denomina ATPasa. La eliminación del tercer grupo fostato da lugar a la molécula denominada adenosín difosfato (ADP).

        Hidrólisis del ATP

Fosforilación (resíntesis del ATP)

    El abastecimiento del ATP es limitado, existe un mecanismo para resintetizar ATP: la enzima ATP sintasa cataliza la adición de un grupo fosfato al ADP.          ¿De donde se obtiene la energía necesaria para este proceso?

Respuesta

Respiración celular