Instituto Inmaculada Concepción Valdivia Departamento de Ciencias y Educación Tecnológica Biología Profesora: Daniela Bermúdez Rodríguez APUNTE COMPLEMENTARIO I MEDIOS LAS BIOMOLÉCULAS Se clasifican atendiendo a su composición. Las biomoléculas inorgánicas son las que no están formadas por cadenas de carbono, como son el agua, las sales minerales o los gases. Las moléculas orgánicas están formadas por cadenas de carbono y se denominan Glúcidos, Lípidos, Proteínas y Ácidos nucleicos. Las biomoléculas orgánicas, atendiendo a la longitud y complejidad de su cadena, se pueden clasificar como monómeros o polímeros. Los monómeros son moléculas pequeñas, unidades moleculares que forman parte de una molécula mayor. Los polímeros son agrupaciones de monómeros, iguales o distintos, que componen una molécula de mayor tamaño. BIOMOLÉCULAS ORGANICAS LOS LÍPIDOS: Están formados por Carbono, Hidrógeno y Oxígeno, y pueden aparecer en algunos compuestos el Fósforo y el Nitrógeno. Constituyen un grupo de moléculas con composición, estructura y funciones muy diversas, pero todos ellos tienen en común varias características: No se disuelven en agua, formando estructuras denominadas micelas. Se disuelven en disolventes orgánicos, tales como cloroformo, benceno, aguarrás o acetona. Son menos densos que el agua, por lo que flotan sobre ella. Son untosos al tacto. Los lípidos se ordenan en los siguientes grupos moleculares: - Los ácidos grasos: son moléculas formadas por cadenas de carbono que poseen un grupo carboxilo (COOH) como grupo funcional. La parte que contiene el grupo carboxilo manifiesta carga negativa en contacto con el agua, por lo que presenta carácter ácido (hidrofílica). El resto de la molécula no presenta polaridad (apolar) y es una estructura hidrofóbica. Como la cadena apolar es mucho más grande que la parte con carga (polar), la molécula no se disuelve en agua. - Glicéridos: Son moléculas formadas por la unión de uno, dos o tres ácidos grasos, con una glicerina. . Si la glicerina se une a un ácido graso, se forma un monoglicérido. . Si la glicerina se une a dos ácidos grasos se forma un diglicérido. . Si la glicerina se une a tres ácidos grasos se forma un triglicérido. Funciones de importancia biológica Actúan como combustible energético. Son moléculas muy reducidas que, al oxidarse totalmente, liberan mucha energía (1 gramo libera 9 Kcal/g mientras que 1gramo carbohidratos o proteínas libera alrededor de 4 Kcal). Funcionan como reserva energética. Acumulan mucha energía en poco peso. Comparada con los glúcidos, su combustión produce más del doble de energía. Los animales utilizan los lípidos como reserva energética para poder desplazarse mejor. Sirven como aislantes térmicos. Conducen mal el calor. Los animales de zonas frías presentan, a veces, una gran capa de tejido adiposo. Son buenos amortiguadores mecánicos. Absorben la energía de los golpes y, por ello, protegen estructuras sensibles o estructuras que sufren continuo rozamiento. - Ceras: Se forman por la unión de un ácido graso de cadena larga con un alcohol. El resultado es una molécula completamente apolar, muy hidrófoba, ya que no aparece ninguna carga y su estructura es de tamaño considerable. Esta característica permite que la función típica de las ceras consista en servir de impermeabilizante. El revestimiento de las hojas, frutos, flores o talos jóvenes, así como los tegumentos de muchos animales, el pelo o las plumas está recubierto de una capa cérea para impedir la pérdida o entrada (en animales pequeños) de agua. - Fosfolípidos: aparecen formando parte de la estructura de las membranas celulares. Estas moléculas presentan una parte polar (cabeza polar) y una parte apolar (dos colas apolares). Por este motivo, se dice que son anfipáticos. La región superior comienza con un grupo glicerol unido a dos colas de ácidos grasos, una de las colas es una cadena de ácido graso saturado, la otra es un ácido graso insaturado, el doble enlace del ácido graso insaturado, le da a la membrana forma y movimiento en el plano lateral. - Colesterol: se encuentra en los tejidos corporales y en el plasma sanguíneo de los vertebrados. Pese a tener consecuencias perjudiciales en altas concentraciones, es esencial para crear la membrana plasmática que regula la entrada y salida de sustancias que atraviesan la célula. PROTEINAS: Están formados por Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno. En ocasiones aparecen Fósforo y Azufre. Este grupo está compuesto por cuatro tipos de moléculas, que se clasifican atendiendo a su tamaño. Son los aminoácidos, los péptidos, polipéptidos y las proteínas. Aminoácidos: Son moléculas pequeñas, monómeros de los péptidos y las proteínas. Poseen un carbono unido a cuatro radicales distintos, uno de esos radicales siempre es un grupo ácido (carboxilo) y el otro es básico (amina). El tercer grupo es un hidrógeno y el cuarto es un radical, característico de cada aminoácido. Los radicales confieren al aminoácido unas características propias. Por ello, estos radicales se utilizan como criterio de clasificación de los aminoácidos. Las proteínas, los polipéptidos y los péptidos: se forman por la unión de aminoácidos, mediante un enlace llamado enlace peptídico, en el siguiente orden: unión de aminoácidos péptidos, unión de péptidos polipéptidos, unión de polipéptidos proteína. Funciones de las proteínas Función estructural: forman estructuras capaces de soportar gran tensión continuada, como un tendón o el armazón proteico de un hueso o un cartílago. También pueden soportar tensión de forma intermitente, como la elastina de la piel o de un pulmón. Además, forman estructuras celulares, como la membrana plasmática o los ribosomas. Movimiento y contracción: la actina y la miosina forman estructuras que producen movimiento y contracción. Transporte: algunas proteínas tienen la capacidad de transportar sustancias, como oxígeno o lípidos, o electrones. Reserva energética: proteínas grandes, generalmente con grupos fosfato, sirven para acumular y producir energía, si se necesita. Función homeostática: consiste en regular las constantes del medio interno, tales como pH o cantidad de agua. Función defensiva: las inmunoglobulinas son proteínas producidas por linfocitos B, e implicadas en la defensa del organismo. Función hormonal: algunas proteínas funcionan como mensajeros de señales hormonales, generando una respuesta en los órganos blanco. Función enzimática: las enzimas funcionan como biocatalizadores, ya que controlan las reacciones metabólicas, disminuyendo la energía de activación de estas reacciones. METABOLISMO CELULAR: ENZIMAS La nutrición de las células supone una serie de complejos procesos químicos catalizados por enzimas que tienen como finalidad la obtención de materiales y/o energía. Este conjunto de procesos recibe el nombre de metabolismo. ANABOLISMO Y CATABOLISMO El metabolismo va a poder descomponerse en dos series de reacciones: * Anabolismo. Son aquellos procesos químicos que se producen en la célula y que tienen como finalidad la obtención de sustancias orgánicas complejas a partir de sustancias más simples con un consumo energía (proceso endergónico). Son anabólicos, por ejemplo, la fotosíntesis, la síntesis de proteínas o la replicación del ADN. * Catabolismo. En estos procesos las moléculas complejas son degradadas formándose moléculas más simples. Se trata de procesos destructivos generadores de energía (exergónicos); como por ejemplo: la glucólisis. LAS ENZIMAS. CONCEPTO DE CATÁLISIS Las enzimas son proteínas o asociaciones de proteínas y otras moléculas orgánicas o inorgánicas que actúan catalizando los procesos químicos que se dan en los seres vivos. Esto es, actúan facilitando las transformaciones químicas; acelerando considerablemente las reacciones y disminuyendo la energía de activación que muchas reacciones requieren. Las enzimas, como catalizadores que son, no modifican la constante de equilibrio y tampoco se transforman, recuperándose intactas al final del proceso. La rapidez de actuación de las enzimas y el hecho de que se recuperen intactas para poder actuar de nuevo es la razón de que se necesiten en pequeñísimas cantidades. ESPECIFICIDAD DE LAS ENZIMAS Es de destacar que las enzimas son específicas. Esto es, una enzima puede actuar sobre un sustrato o un grupo de sustratos relacionados (especificidad de sustrato) pero no sobre otros; por ejemplo: la sacarasa, que hidroliza la sacarosa. Otras enzimas, sin embargo, tienen especificidad de acción al realizar una acción determinada pero sobre múltiples sustratos; por ejemplo: las lipasas que hidrolizan los enlaces éster en los lípidos. Debido a esta especificidad de las enzimas existen en la célula miles de enzimas diferentes. La especificidad de las enzimas ha llevado a comparar a éstas con llaves y a los sustratos con cerraduras (modelo de la llave y la cerradura). Hay dos modelos sobre la forma en que el sustrato se une al centro activo de una enzima: El modelo llave-cerradura supone que la estructura del sustrato y la del centro activo son complementarias, de la misma forma que una llave encaja en una cerradura. Este modelo es válido en muchos casos, pero no siempre es correcto. En otros casos, el centro activo adopta la conformación idónea sólo en presencia del sustrato. Este es el modelo del ajuste inducido. Sería algo así como un cascanueces, que se adapta al entorno de la nuez. QUÍMICA DE LAS ENZIMAS Y MODO DE ACTUACIÓN En el pasado las enzimas se conocían con el nombre de fermentos, porque las primeras enzimas estudiadas fueron los fermentos de las levaduras y de las bacterias. En la actualidad el término fermento se aplica únicamente a las enzimas que las bacterias, hongos y levaduras vierten al exterior para realizar determinadas trasformaciones: las fermentaciones. La mayoría de las enzimas son proteínas, otras poseen una parte proteica (apoenzima) y una parte no proteica, ambas están más o menos ligadas químicamente. La conformación espacial de la parte proteica es la responsable de la función que realiza la enzima. Prácticamente todas las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos están catalizadas por enzimas. La sustancia sobre la que actúa la enzima se llama sustrato, según la siguiente ecuación química; E + S (ES) P + E El sustrato se une a una región concreta de la enzima, denominada centro o sitio activo. Características del sitio activo: 1. 2. 3. 4. 5. Responde a una porción relativamente pequeña del volumen total de la enzima. Es una entidad tridimensional. Los sustratos se unen a las enzimas por numerosas fuerzas débiles. Presentan forma de surco o hendidura La especificidad depende de la disposición exactamente definida de los átomos del centro activo. El centro activo comprende: • un sitio de unión, formado por los aminoácidos que están en contacto directo con el sustrato • un sitio catalítico, formado por los aminoácidos directamente implicados en el mecanismo de la reacción. FACTORES QUE CONDICIONAN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Las enzimas, como sustancias proteicas que son, van a ver condicionada su actuación por determinados factores físicos y químicos. Algunos de estos factores son: La temperatura. Como toda reacción química, las reacciones catalizadas enzimáticamente siguen la regla de Van’t Hoff. Según la cual, por cada 10 °C de aumento de temperatura, la velocidad de la reacción se duplica. No obstante, las enzimas tienen una temperatura óptima. En el hombre, y en los animales homeotermos como el hombre, esta temperatura óptima coincide con la temperatura normal del organismo. Los enzimas, como proteínas que son, se desnaturalizan a elevadas temperaturas. El pH, que al influir sobre las cargas eléctricas, podrá alterar la estructura del centro activo y por lo tanto también influirá sobre la actividad enzimática. Los inhibidores. Determinadas sustancias van a poder actuar sobre las enzimas disminuyendo o impidiendo su actuación. Estas sustancias son los inhibidores. Se trata de moléculas que se unen a la enzima impidiendo que ésta actúe sobre el substrato. Envenenadores: Son moléculas que se unen irreversiblemente al centro activo de la enzima impidiendo permanentemente que esta actúe. Muchos tóxicos y venenos tienen este modo de actuación. Los activadores. Son sustancias que se unen a la enzima, que se encuentra inactiva, cambiando su estructura espacial activándola. LOS ÁCIDOS NUCLEICOS: Los ácidos nucleicos son macromoléculas que poseen y transmiten información hereditaria y determinan qué proteínas produce la célula. Existen dos tipos en las células, el ácido ribonucleico ARN y el ácido desoxirribonucleico ADN. Los Ácidos Nucleicos son compuestos químicos formados por C – H – O – N y P. Químicamente, estos ácidos están formados, por unidades monoméricas llamadas nucleótidos. Cada nucleótido a su vez, está formado por tres tipos de compuestos: 1. Una pentosa o azúcar de cinco carbonos (pentosas): se conocen dos tipos de pentosas que forman parte de los nucleótidos, la ribosa y la desoxirribosa, esta última se diferencia de la primera por que le falta un oxígeno y de allí su nombre. El ADN sólo tiene desoxirribosa y el ARN tiene sólo ribosa, y de la pentosa que llevan se ha derivado su nombre, ácido desoxirribonucleico y ácido ribonucleico, respectivamente 2. Una base nitrogenada: que son compuestos anillados que contienen nitrógeno. Se pueden identificar cinco de ellas: adenina, guanina, citosina, uracilo y timina 3. Un grupo fosfato: compuesto por un átomo de fósforo, enlazado con 4 átomos de oxígeno Las moléculas de ácidos nucleicos se componen de cadenas lineales de nucleótidos, unidos por enlaces fosfodiéster y Nglucosidico. Funciones: Los ácidos nucleicos tienen al menos dos funciones: Trasmitir las características hereditarias de una generación a la siguiente Dirigir la síntesis de proteínas específicas. Otras características de estos polímeros son: El ADN se encuentra en el núcleo de la célula y posee la información genética. El ARN, que se encuentra en el núcleo y en el citoplasma de la célula, participa junto con el ADN en la síntesis de las proteínas. Las moléculas de DNA consisten en dos cadenas de nucleótidos que forman una hélice doble. Al igual que una escalera torcida, la doble hélice de DNA se forma mediante sucesiones de nucleótidos que hacen una espiral entre sí. Las dos secuencias se mantienen unidas mediante puentes de hidrógeno que unen las bases de nucleótidos de distintas secuencias, las cuales forman los “peldaños” de la escalera.