Moléculas de los seres vivos

Tema 5. Las moléculas de los seres vivos.
Las moléculas de los seres vivos son la materia prima de la vida. Hace dos siglos, todavÃ−a se pensaba que
el ser vivos no podÃ−a estudiarse igual que el resto de la materia (con las mismas leyes) porque se pensaba
que poseÃ−amos una fuerza vital, algo único. Esta idea llevo a estudiar a los seres vivos cada vez más
profundamente. Cada vez se estudiaba más y más y sin embargo no se encontraba esa fuerza vital, sin
embargo con estos estudios empezaron a conocerse más cosas. Hoy dÃ−a sabemos que podemos estudiar los
seres vivos en términos de composición quÃ−mica, pero esto nos dirá poco, ya que hay que intentar
comprender el programa genético que nos explicará y dirigirá todas las reacciones quÃ−micas.
Componentes quÃ−micos de los seres vivos
Toda la materia, viva o no, esta compuesta por elementos quÃ−micos. Existen más de 100 elementos pero
solo unos pocos forman a materia viva: H (hidrógeno), O (oxigeno), N (nitrógeno), C (carbono), P
(fósforo) y S (azufre). Estos seis elementos constituyen el 99% de los organismos vivos, por tanto todas las
moléculas por complejas que sean están constituidos por estos pocos elementos y la diversidad de
moléculas que forman a los seres vivos, está formada por la combinación de dichos elementos.
Cada elemento se diferencia por la estructura de sus átomos. Un átomo es la unidad fundamental de un
elemento quÃ−mico. Está formado por un núcleo y una nube de electrones que está girando u orbitando a
su alrededor. El núcleo contiene partÃ−culas subatómicas que son los protones (con carga positiva) y
neutrones (con carga neutra o sin carga) La nube de electrones que rodea al núcleo en capas, órbitas u
orbitales tiene carga eléctrica negativa. Los electrones están orbitando y se mantienen mediante fuerzas de
atracción y repulsión que los mantienen en sus órbitas. Hay diferentes capas dentro de esos orbitales:
• La primera capa acepta como máximo dos electrones
• La segunda capa acepta como máximo ocho electrones
• La tercera capa acepta como máximo ocho electrones.
Los electrones se van situando en las capas según se vayan llenando éstas. Si se llena la primera pasan a la
siguiente y asÃ− siempre, sucesivamente. Cuando la última capa están completa se dice que un átomo
tiene la máxima estabilidad (gases nobles) Un átomo en estado neutro tiene el mismo número de
electrones que de protones. El número de protones que contiene un átomo es fijo y define a cada elemento,
ya que es su número atómico.
• Número atómico = número de protones
♦ H 1 (le falta uno para completar su última capa)
♦ C 6 (el carbono tiene dos electrones en la primera capa, y cuatro en la segunda por lo que
tiene libres cuatro electrones de su última capa que necesitarÃ−a para conseguir la
estabilidad)
♦ N 7 (El nitrógeno tiene dos electrones en la primera capa y 5 en la segunda, por lo que tiene
libres tres electrones que necesitará para conseguir la estabilidad)
♦ 0 8 (El oxÃ−geno tiene dos electrones en la primera capa y seis en la segunda, por lo que le
faltan dos para completarla y necesitará esos dos electrones para conseguir su máxima
estabilidad)
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• Peso atómico = neutrones + protones
Estos elementos son muy sencillos si los comparamos con el oro que tiene 79 o con el uranio que tiene 92.
Los elementos que componen la materia viva son bastante sencillos.
Cuando la última capa está completa, sea la primera, la segunda o la tercera, es cuando son mas estables y
se les llama gases nobles. Se dice que son quÃ−micamente inertes por lo que no reaccionan con otros
átomos (gases nobles). En todos los demás elementos, la capa exterior está incompleta por lo que no son
tan estables, sin embargo, tenderán a serlo por lo que tendrán que buscar la forma de completar su última
capa. Los átomos pueden ceder, captar o compartir electrones (estableciendo diferentes enlaces) para llegar a
la estabilidad. Los átomos son capaces de interaccionar unos con otros, tienden a unirse y a formar enlaces
para alcanzar la estabilidad y al unirse formar moléculas. Esta unión es la que se denomina enlace
quÃ−mico (en ello son fundamentales los electrones de la última capa) El más común de los enlaces en
los seres vivos es el enlace covalente, es decir, la compartición de electrones. Este tipo de enlace es muy
fuerte y para romperlo se necesita mucha energÃ−a.
Ejemplo: Hâ O El oxÃ−geno necesita tener 8 electrones en la última capa (le faltan dos) y el hidrógeno
necesita tener dos electrones en la última capa (le falta uno a cada hidrógeno) AsÃ−, compartiendo
electrones alcanzan la estabilidad.
Cada par de electrones compartidos, forma un enlace simple. Si son dos pares compartidos, es un enlace doble
y si son tres pares es un enlace triple.
Ejemplo El oxÃ−geno, que tiene seis electrones en su última capa, puede unirse consigo mismo mediante un
doble enlace y conseguir la estabilidad (los ocho electrones en su última capa)
AsÃ−, el oxÃ−geno (comparte 2) el nitrógeno (comparte 3) y el carbono (comparte 4) casi siempre
comparten electrones.
El carbono es el elemento principal de lo que llamamos la quÃ−mica orgánica y es el que mayor
variabilidad de enlaces establece, ya que permite cuatro enlaces simples (o uno doble y dos simples) (o uno
triple y uno simple)
Las propiedades, vienen determinadas por el número de átomos, e tipo de átomos y la disposición de los
átomos en la molécula. Dos moléculas pueden contar con el mismo número de átomos pero si estos
están dispuestos de maneras distintas, van a tener diferentes propiedades quÃ−micas. Esta variación en os
modelos de enlace de las moléculas es muy significativa en a quÃ−mica de la materia viva dada la
versatilidad del carbono, ya que pude formar gran número de moléculas distintas. AsÃ−, toda la
quÃ−mica de los seres vivos se ha hecho alrededor del cerebro (quÃ−mica orgánica) El carbono siempre
está dispuesto a compartir cuatro electrones para obtener estabilidad.
La molécula más abundante en los seres vivos es el agua, es el componente fundamental y compondrá
cerca del 70% de nosotros mismos, de los seres vivos. También esta presente en la Tierra, ya que las 2/3
partes están formadas por agua en los componentes de la Tierra. Es en el medio acuático donde tienen
lugar todas las reacciones quÃ−micas de los seres vivos. Junto al agua están las sales disueltas, ambas
constituyen lo que conocemos como los componentes inorgánicos (que no tienen carbono, no son
orgánicos) de la materia viva y el resto lo constituyen moléculas orgánicas, basadas en el carbono, que
son las que caracterizan a los seres vivos. Dentro de las moléculas orgánicas o compuestos del carbono
podemos diferenciar dos grandes grupos: las pequeñas moléculas orgánicas o las grandes moléculas
orgánicas (macromoléculas)
• 70% Agua
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• 3% Sales disueltas
• 18% Pequeñas moléculas orgánicas
• 9% Grandes moléculas orgánicas (macromoléculas)
Las pequeñas moléculas orgánicas pueden ser los azucares sencillos o monosacáridos, los
aminoácidos o los nucleótidos. Las macromoléculas son de gran tamaño y por tanto muy complejas,
entre ellas están polisacáridos, proteÃ−nas y ácidos nucleicos. Todas las macromoléculas son
polÃ−meros (varias partes, es decir, grandes moléculas formadas por otras más pequeñas más o menos
semejantes que se repiten muchas veces) Los azúcares sencillos o monosacáridos son las unidades de los
polisacáridos que serÃ−an las macromoléculas. Los nucleótidos son las unidades de los ácidos
nucleicos y los aminoácidos son las unidades de las proteÃ−nas. Las macromoléculas son la clave
quÃ−mica de la vida.
El ordenamiento de estas pequeñas partes o unidades se denomina secuencia y puede variar dando lugar a
diferentes polÃ−meros. Entre todos, solo el 9% son macromoléculas (polisacáridos, proteÃ−nas y
ácidos nucleicos) y constituyen la clave o base de la vida. Una caracterÃ−stica importante de estas
macromoléculas es su enorme variedad. En una célula tan pequeña como la bacteria Escherichia coli,
hay 3000 tipos de proteÃ−nas diferentes en una sola célula y en hombres o mujeres (humanos) 50.000 tipos
diferentes de proteÃ−nas en cada célula.
Cada organismo tiene sus propias proteÃ−nas y ácidos nucleicos (caracterÃ−sticos de cada organismo) Esta
variedad se debe a la secuencia que tienen (diversidad de macromoléculas) Las moléculas de las
proteÃ−nas están constituidas solo por 20 tipos de aminoácidos diferentes y los propios ácidos nucleicos
(ADN y ARN) que son enormes (larguÃ−simas moléculas), están compuestos solo por cuatro núcleos o
partes diferentes. Según están ordenados (combinándolos de diferentes maneras) hay 20 aminoácidos
que forman diferentes proteÃ−nas y cuatro nucleótidos que forman ácidos nucleicos.
Las principales moléculas orgánicas que constituyen los seres vivos se clasifican de muchas formas pero
una de ellas es por su estructura quÃ−mica (grupos quÃ−micos) y sus propiedades fÃ−sicas:
• Glúcidos e hidratos de carbono (azúcares)
• LÃ−pidos (grasas)
• ProteÃ−nas
• Ã cidos nucleicos.
Glúcidos
Todo grupo de compuestos orgánicos cuyas moléculas están formadas solo por carbono, hidrógeno y
oxÃ−geno. Su estructura quÃ−mica es bastante homogénea: todos ellos tienen grupos alcohol, aldehÃ−do
(aldosas) o cetona (cetosas):
Sin embargo, son muy heterogéneos en cuanto a su tamaño porque se incluyen desde compuestos que
tienen solo tres átomos de carbono y los que tienen cientos.
• Azúcares simples (monosacáridos)
Los más sencillos son los azúcares simples o monosacáridos. El más común de todos ellos es la
glucosa que tiene seis átomos de carbono (monosacárido, azúcar simple) y precisamente es la molécula
de cuya degradación obtenemos los seres vivos energÃ−a para funcionar.
En general, la fórmula caracteriza a todos los que tienen 6 átomos de carbono (a todas las hexosas) Sin
embargo, aunque tienen el mismo número y tipo de átomos, su formula reducida es la mima, pero se
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diferencian en como van unidos, es decir, es su secuencia y estructura tridimensional.
Es la familia que posee cinco carbonos. Oiremos hablar mucho de ella, ya que tanto el ácido ribonucléico
como el ácido desoxirribonucléico llevan ribosa)
Es la familia que posee tres carbonos, es un compuesto importante para el metabolismo energético de las
células.
Como ya pudimos observar, el sufijo -osa identifica a los azúcares. No quiere decir que todos los azúcares
terminen en -osa, sino que los que terminan en -osa son azúcares (el gliceraldehÃ−do es un ejemplo de
azúcar que no termina en -osa) También existen azúcares de siete átomos de carbono (heptosas) o de
cuatro (tetrosas) Pero no entraremos dentro de estos grupos.
Los monosacáridos pueden enlazarse y formar otras moléculas. Si se unen dos monosacáridos,
obtenemos disacáridos, si se unen tres trisacáridos… en general polisacáridos que son macromoléculas.
• Disacáridos (dos monosacáridos)
• Sacarosa glucosa + fructosa (azúcar de caña, azúcar normal)
• Lactosa glucosa + galactosa (azúcar de leche)
• Maltosa glucosa + glucosa (azúcar de malta)
• Trisacáridos Con tres monosacáridos
• Polisacáridos
Son cientos o miles de monosacáridos, son polÃ−meros cuyos monómeros o unidades son los
monosacáridos. Son muy abundantes, y todos ellos están constituidos por glucosa cientos o miles de veces.
Solo se diferencian en la estructura de las cadenas.
• Almidón Es caracterÃ−stico de las células vegetales y son largas cadenas de glucosa. Es muy
insoluble en agua, por lo que se puede almacenar glucosa en la célula y representa una reserva de
glucosa que mediante reacciones quÃ−micas, se libera y aporta energÃ−a a la célula (combustible
de la célula)
• Glucógeno Son polisacáridos que solo se encuentran en células animales. Son miles de
moléculas de glucosa. Es muy parecido al almidón, por lo que muchas veces se llama almidón
animal pero sus moléculas están mucho más ramificadas. Constituye también un almacén
de reserva de glucosa (que libera energÃ−a) Representa la forma principal como se almacenan los
hidratos de carbono en animales.
• Celulosa Es tÃ−pico de células vegetales. Muchas unidades de glucosa pero unidas de forma que
no se pueden romper sus moléculas. No se puede digerir por lo que no tiene valor alimenticio. Sin
embargo, al ser los enlaces muy potentes o fuertes refuerzan las paredes vegetales (recubiertas por
celulosa por lo que son más fuertes y sólidas)
En resumen, tienen una estructura quÃ−mica caracterÃ−stica común (homogénea) pero tienen un
tamaño muy diferente o heterogéneo. Su función es básicamente energética, es el combustible por el
que funcionamos, pero también hace un papel estructural, aunque más pequeño. Proporciona energÃ−a
a corto plazo.
LÃ−pidos
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Las grasas y sus derivados se conocen como lÃ−pidos que a diferencia de los glúcidos, engloban a un grupo
de moléculas muy heterogéneo. Es heterogéneo en cuanto a grupos moleculares pero también
están formadas por carbono, hidrógeno y oxÃ−geno (es difÃ−cil encontrar grupos quÃ−micos que las
caractericen como en el caso anterior que eran las cetonas, aldehÃ−dos y alcoholes) La caracterÃ−stica
común más importante y general es la naturaleza hidrofóbica de sus moléculas. Son insolubles en agua,
sin embargo son solubles en otros disolventes no polares (por ejemplo la cetona)
Esta caracterÃ−stica hidrofóbica es muy importante para la célula porque forma regiones que excluyen el
agua, pueden formar barreras de exclusión del agua que separan unas células de otras, que separan
células del exterior, pueden forman compartimentos dentro de las células…Los lÃ−pidos son
componentes esenciales de las membranas celulares (forman parte fundamental de su estructura, por ejemplo
la bicapa lipÃ−dica) pero también se utilizan como fuente de energÃ−a. Se almacenan en las células con
este propósito energético (reservas energéticas más a largo plazo que los glúcidos)
Nuestro organismo tiene una capacidad limitada para almacenar glúcidos, con lo que cuando esa capacidad
termina, los glúcidos sobrantes se convierten y los almacenamos en forma de lÃ−pidos (cuando se gasta la
energÃ−a del glucógeno se utiliza la de los lÃ−pidos) Por esto los glúcidos son la principal fuente
energética inmediata pero los lÃ−pidos más a largo plazo o reserva. Se les ha clasificado de diferentes
maneras pero podemos decir que hay lÃ−pidos complejos y sencillos.
• LÃ−pidos complejos
Tienen en su estructura ácidos grasos y otra molécula (ácidos grasos + otra molécula). Los ácidos
grasos serÃ−an los monómeros de los lÃ−pidos complejos. Los ácidos grasos están compuestos por una
cadena hidrocarbonada (hidrógeno y carbono) con un grupo carboxilo terminal:
Pero a veces no hay solamente enlaces simples sino que forman dobles enlaces entre ellos. En este caso se
conocen como ácidos grasos insaturados o no saturados (un carbono no satura todas sus electrones o
valencias libres con hidrógeno, sino que también lo hace con C) Si todo son enlaces simples son ácidos
saturados.
Los ácidos grasos insaturados son más abundantes en los vegetales. Son lÃ−quidos a temperatura ambiente
(y se funden a temperaturas más bajas) Estos dobles enlaces son rÃ−gidos y alteran la estructura de las
cadenas. Los ácidos grasos no saturados son tÃ−picos de los animales (grasas animales como la manteca) y
se funden a temperaturas más altas, siendo sólidos a temperatura ambiente.
à cido graso + Otra molécula
Existen cuatro tipos de lÃ−pidos complejos que se diferencian en la molécula que une al ácido graso:
• Acilglicéridos ácido graso + glicerina (tienen función energética y son los que almacenamos
en el citoplasma de las células como reserva energética)
• Fosfoglicéridos ácido graso + fosfoglicerÃ−na (fosfolÃ−pidos) (función estructural)
• Esfingoglicéridos ácido graso + esfingosina
• Ceras ácido graso + un alcohol
Los acilglicéridos son los que se conocen vulgarmente como grasas y pueden tener una, dos o tres
moléculas de ácido graso unidos a la glicerina. Normalmente los que tienen más importancia y valor son
los triglicéridos o triacilglicéridos (con tres moléculas de ácidos grasos + glicerina) Son los más
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abundantes y forman una molécula de grasa, estos si que son los depósitos de energÃ−a de las células
(tienen un rendimiento energético superior a los anteriores, un alto poder energético y muy concentrados
en energÃ−a) Sobre todo acumulados en las células adiposas de los animales. Son sólidos a temperatura
ambiente y la mayorÃ−a son saturados. Constituyen gran reserva de alimento en la mayorÃ−a de los
organismos, cuando se necesita más energÃ−a. Tienen un papel fundamentalmente energético (importante
reserva de alimento)
• LÃ−pidos sencillos
No contienen ácidos grasos. Son menos abundantes en las células y son muy variados, pero algunos,
como los esteroides, tienen mucha importancia. Están presentes en animales y vegetales y se los clasifica
como lÃ−pidos por ser hidrófobos. Hay muchos tipos según los grupos funcionales:
• Esteroides
♦ Colesterol En las membranas de las células de la sangre, en los glóbulos rojos. No tiene
valor energético. Son depósitos grasos en el revestimiento interior de los vasos
sanguÃ−neos que puede bloquearlos produciendo un aumento de presión sanguÃ−nea
(reducción de la actividad de los vasos), puede producir ataques cardiacos… Alimentos que
provocan el colesterol son por ejemplo los huevos, el queso… No tiene valor energético
pero si estructura ya que su acumulación puede reducir la flexibilidad de los vasos
sanguÃ−neos.
♦ Hormonas sexuales Pertenecen a los esteroides (derivados del colesterol)
♦ VitamÃ−nas
ProteÃ−nas
Son las moléculas orgánicas más abundantes en las células (después del agua) en los organismos
vivos. Constituyen el 50% del peso seco de las células. Se encuentran en todas las partes de la célula y
son importantes tanto estructural como funcionalmente, tanto es asÃ− que casi todas las funciones dependen
prácticamente de las proteÃ−nas. Existen miles de proteÃ−nas diferentes, de las cuales están
especializadas en una tarea y son especÃ−ficas de cada individuo (dos individuos nunca poseen el mismo tipo
de proteÃ−nas, aunque sean gemelos, aunque si es verdad que serán mayores las diferencias cuanto más
nos alejemos en parentesco) A pesar de la variabilidad de las proteÃ−nas, tienen aspectos de su estructura
quÃ−mica en común. Todas las proteÃ−nas son macromoléculas, polÃ−meros, formadas por unidades
más pequeñas y sencillas que son sus monómeros, los aminoácidos.
Para conocer la estructura de las proteÃ−nas, habrá que conocer la estructura de sus unidades. Los
aminoácidos son compuestos orgánicos compuestos por carbono (C), hidrógeno (H), oxÃ−geno (O) y
nitrógeno (N) fundamentalmente, aunque también pueden llevar fósforo (P), azufre (S), hierro (Fe),
cobre (Cu)… Tienen grupos amino y grupos ácido. Su estructura quÃ−mica es un carbono que está unido a
un grupo ácido carboxilo o carboxÃ−lico, a un grupo amino, a un hidrógeno y a una cadena de carbonos
que puede ser más o menos larga y que se representa como R.
R es especÃ−fico y es lo que caracteriza a cada aminoácido. Existen 20 aminoácidos distintos que difieren
unos de otros en el grupo R. Por poner dos ejemplos:
Con los 20 tipos diferentes de aminoácidos se constituyen los millones de proteÃ−nas diferentes que hay en
todos los seres vivos, desde las bacterias hasta los humanos. Los aminoácidos reaccionan unos con otros
para formar proteÃ−nas mediante un enlace. En esta reacción se desprende una molécula de agua
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(Hâ O). Se unen de modo que el grupo carboxilo de uno se une al grupo amino del siguiente. A esta unión
la denominamos enlace peptÃ−dico.
NH - CO es lo que representa el enlace o unión de péptidica. De esta forma, dos aminoácidos unidos
mediante este enlace peptÃ−dico forman un dipéptido, si este dipéptido se une con otro péptido, ya
son tres por lo que será un tripéptido y asÃ− sucesivamente formándose largas cadenas con centenares
de aminoácidos. Reaccionando un aminoácido con el otro (realizando un enlace peptÃ−dico) se forman
distintos tipos de cadenas. Este enlace es conocido como peptÃ−dico y por tanto las cadenas de aminoácidos
que forma son conocidas como cadenas polipeptÃ−dicas. Hay que decir que la palabra polipéptido tan solo
se utiliza para hablar de proteÃ−nas pequeñas o de partes de una proteÃ−na. A una cadena de menos de 10
aminoácidos se la llama oligopéptido, a las cadenas de más de 10 aminoácidos se las suele llamar
polipéptidos y un polipéptido con más de 100 aminoácidos es una proteÃ−na.
Las cadenas a las que dan lugar, no son lineales sino que tienen forma helicoidal tridimensional y según
estén situadas en esa hélice son distintas. El armazón de esta espiral es:
Una proteÃ−na puede diferenciarse de otra por el tipo, por el número y por el orden y secuencia de los
aminoácidos que tenga. Por tanto, dependen también de su configuración, algo que es muy importante
porque los cambios en la secuencia se llaman desnaturalización de la proteÃ−na que es un cambio en la
estructura profunda que lleva a que se rompan los enlaces que hay entre aminoácidos, los enlaces de las
cadenas polipeptÃ−dicas. Esto lleva a la inactivación funcional de la proteÃ−na. Hay muchos agentes que
pueden provocar esta desnaturalización: un aumento de temperatura, un cambio de presión, el PH, algunos
tipos de electricidad, cambios fÃ−sicos o quÃ−micos…) Esta desnaturalización es en la mayorÃ−a de los
casos reversible, ya que cuando desaparece el agente o causa que lo provoca, desaparece esa inactivación y
la proteÃ−na recupera su función (sobre todo si fue durante poco tiempo, tiene sobre ella poca influencia o
fue poco intenso) Sin embargo, si el cambio es muy brusco o fuerte puede hacerse irreversible lo que
conllevarÃ−a graves problemas (destruye las propiedades biológicas de una proteÃ−na) El calor excesivo o
los cambios drásticos en el ambiente llevan a la muerte celular.
Las proteÃ−nas tienen un mayor grado de variación y especificidad que en glúcidos y lÃ−pidos. Las
proteÃ−nas de un organismo son completamente exclusivas de éste. Esta especificidad tiene consecuencias
biológicas conocidas: la introducción de cuerpos extraños de un organismo a otro produce infecciones.
Por ejemplo las proteÃ−nas del polen de las plantas pueden producir alergia en los humanos, cuando la sangre
de un animal se mezcla con la de otro y es incompatible resulta mortal, las bacterias infecciosas pueden
producir muchas y graves enfermedades…También pueden ocurrir cuando una parte de un animal se
inserta (injertada) en otro y se produce un rechazo por la incompatibilidad de las proteÃ−nas.
Además, las proteÃ−nas sirven también como material energético (aunque en menor medida que los
glúcidos y lÃ−pidos) Son un aparato energético en menor cantidad y mucho más especÃ−ficas.
Además llevan a cabo funciones muy diversas en los organismos vivos, por lo que se dice que son muy
versátiles. Actualmente se clasifican por su función en tres grandes grupos (aunque puede haber otros
criterios):
• ProteÃ−nas estructurales Constituyen membranas celulares y su papel es mantener su forma, su elasticidad,
flexibilidad o rigidez…tanto de células, como de tejidos… Por ejemplo el colágeno (tendones…) que
es una tÃ−pica proteÃ−na estructural o la queratina (cabello, uñas…)
• ProteÃ−nas de reserva Reservan aminoácidos en espera de que sean necesarios para las células. En ese
momento, mediante hidrólisis, se descomponen estas proteÃ−nas y liberan los aminoácidos que se
utilizan para construir el tipo de proteÃ−na que es necesaria en ese momento.
• ProteÃ−nas activas Es el grupo más numeroso y complejo. Tiene múltiples funciones y participan en
todos los aspectos por lo que hay una subdivisión No obstante, todas tienen en común que para
desempeñar su función deben interaccionar especÃ−ficamente con otra sustancia que recibe el nombre
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de ligando. Entre las proteÃ−nas activas más importantes están:
♦ ProteÃ−nas contráctiles Como consecuencia de su unión con un ligando, producen un
cambio de conformación y por tanto afecta a su movilidad. Por ejemplo las de los músculos
(actina y miosina)
♦ ProteÃ−nas transportadoras Se unen a un ligando y lo transportan de un lugar a otro de la
célula o del organismo. Por ejemplo la hemoglobina de la sangre transporta oxÃ−geno
desde los pulmones a todos los órganos del cuerpo.
♦ ProteÃ−nas inmunes o inmunoglobulinas Tienen una función de defensa. Reconocen, que
unen e inactivan con moléculas que pueden ser dañinas para el organismo bloqueando
sus acciones nocivas. Se unen irreversiblemente a la sustancia dañina bloqueando sus
efectos.
♦ ProteÃ−nas reguladoras A consecuencia de su interacción con un ligando desencadenan o
ponen en marcha determinados procesos metabólicos. Por ejemplo los receptores
hormonales.
A pesar de todo, estas proteÃ−nas llevan a cabo dos funciones básicas y muy importantes:
• Representan la materia vital a través de la cual se forman los armazones de las células (son los
pilares básicos, la materia vital de los armazones, el andamiaje molecular)
• Muchas proteÃ−nas sirven como enzimas y catabolizan la reacción quÃ−mica (son catalizadores)
La vida depende de la aceleración enzimática de las reacciones quÃ−micas de cada célula en
nuestro organismo. Estas enzimas catalizan o aceleran las reacciones quÃ−micas. Puesto que las
proteÃ−nas son especÃ−ficas, y las enzimas son proteÃ−nas, también son especÃ−ficas. Al igual
que éstas, si se desnaturalizan, pierden su capacidad enzimática especÃ−fica. En un organismo
vivo tienen lugar miles de reacciones quÃ−micas por segundo que no dejan de ser transformaciones
de materia, de unos componentes en otros, que es lo que nosotros conocemos como metabolismo.
Para que ocurra esta transformación tiene que haber una redistribución de la materia y para ello
ciertas sustancias deben separarse y otras unirse. Se produce una rotura de enlaces mediante
reacciones quÃ−micas. Cada reacción quÃ−mica está controlada o catalizada por una enzima
especÃ−fica por lo que su función es fundamental para entender todas las reacciones quÃ−micas y
los procesos de la vida que dependen de la aceleración de éstas. Las enzimas por tanto, facilitan
las reacciones en los organismos vivos, siendo esta una de las funciones más importantes de algunas
proteÃ−nas Las proteÃ−nas que tienen esta función especÃ−fica son las conocidas como enzimas y
pueden acelerar la reacción 100 millones de veces. Las enzimas no inician las reacciones
quÃ−micas, las activan y aceleran. La reacción quÃ−mica podrÃ−a realizarse sin la intervención
de las enzimas pero serÃ−a muy lenta.
Se necesita un aporte inicial de energÃ−a. La mayor parte de las reacciones quÃ−micas que transforman una
sustancia a otra necesitan aportes de energÃ−a para que se realice la reacción, y esta energÃ−a es conocida
como energÃ−a de activación, que suele ser bastante elevada (como para romper los enlaces quÃ−micos)
Normalmente se suele realizar mediante calor (mucho más que la temperatura normal o de ambiente) pero
nosotros no soportamos temperaturas tan altas, por lo que en la materia viva se realizan estas reacciones sin
calor mediante catálisis o aceleración. Una sustancia A se transforma en una sustancia B pero para ello se
necesita dicha energÃ−a de activación que normalmente se realiza mediante la temperatura. La temperatura
serÃ−a la energÃ−a externa para producir velocidades de reacciones significativas (cada 10 grados, el calor
aumenta la velocidad de las reacciones que ocurren en los seres vivos unas 2 o 3 veces):
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• Los animales poiquilotermos, no tienen reguladores internos de energÃ−a corporal. Su temperatura
coincide bastante con la ambiental por lo que los procedimientos van a depender de la temperatura del
ambiente.
• En los animales homeotermos como las aves o los mamÃ−feros, existen controles internos de la
temperatura interna por lo que es constante aproximadamente a unos 36 o 36,5 grados. En estos tipos
que se llaman de sangre caliente, las velocidades de las reacciones quÃ−micas no van a fluctuar
directamente con los cambios de temperatura ambiental. En ellos la elevación de temperatura o calor
no es posible porque no soportarÃ−amos una temperatura tan elevada. La presencia de una enzima
disminuye la cantidad de energÃ−a de activación que se necesita para que se produzcan las
reacciones. Una molécula que tiene este efecto sobre una reacción es un catalizador. Las enzimas
pueden ser definidas como biocatalizadores o catalizadores biológicos.
Sin las enzimas las reacciones quÃ−micas no serian lo suficientemente veloces como para mantener la vida a
nuestra temperatura. La acción de las enzimas es disminuir la energÃ−a de activación para llevar a cabo las
reacciones quÃ−micas obteniendo velocidades igualmente altas pero trabajando con temperaturas más bajas,
asÃ−, gracias a ellas no es necesario administrar tanto calor.
Las enzimas, son proteÃ−nas y por lo tanto una de sus más importantes caracterÃ−sticas es su especificidad
ya que existen miles y cada una tiene una función para una estructura especÃ−fica. Cada una de las miles de
reacciones quÃ−micas es acelerada por una enzima determinada, especÃ−fica respecto a la molécula
sustrato (la moléculas sobre la que actuará la enzima) y respecto al tipo de reacción. El ligando es el
sustrato que va a ser modificado o transformado, asÃ− la enzima se une a él para catalizar la reacción de
ese sustrato para dar un producto diferente. Básicamente existe una enzima para cada tipo de reacción que
tiene lugar en los organismos vivos.
CaracterÃ−sticas de las enzimas en una reacción
• Las enzimas intervienen en la reacción pero quedan intactas. No son modificadas, es decir, después de
intervenir en la reacción a enzima queda como estaba en un principio y puede volver a usarse. La enzima
como catalizador no es un reaccionante de la reacción, no interviene directamente en ella, solo disminuye
la energÃ−a de activación y acelera la reacción. AsÃ−, su acción es acelerar pero una vez hecho su
papel, es liberada intacta.
• La enzima interacciona directamente con la sustancia o molécula sustrato, con la molécula de la
reacción por lo que se necesita una complementariedad entre ambas moléculas (enzima-sustrato) Es tal
la complementariedad que se le ha llamado modelo de la llave y la cerradura.
• La reacción tiene lugar mientras el sustrato está unido a la enzima. Este complejo enzima-sustrato se
separa, se libera el producto quÃ−mico y la enzima queda intacta, tal cual estaba en un principio. Por tanto
podemos esquematizar esta reacción enzimática:
Este complejo es intermedio y se forma antes de que se convierta en un producto. Esta reacción es reversible.
Por ejemplo la maltasa (que es una enzima) descompone la maltosa en dos moléculas de glucosa, pero a su
vez es capaz de sintetizar maltosa a partir de dos moléculas de glucosa.
La región de la enzima en la que tiene lugar la interacción con el sustrato se llama centro activo.
Precisamente el requerimiento de que encajen perfectamente señala la especificidad de las enzimas ya que
solamente habrá una enzima que pueda actuar con el sustrato, cuya estructura sea complementaria a él.
Hay una complementariedad entre el centro activo y el sustrato. Lo que hace que una enzima sea especÃ−fica
para el sustrato, para una reacción especÃ−fica, es su estructura tridimensional, la conformación espacial.
Aunque debemos pensar en ellas en términos de llave y cerradura, sin embargo, esto no significa que las
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enzimas tengan que tener una estructura rÃ−gida. Hoy dÃ−a se admite más un modelo o idea que propuso
Koshland según el cual, en algunas enzimas el centro activo es complementario con el sustrato solo
después de que se hayan unido. Este modelo serÃ−a de ajuste o encaje inducido. Según el cual, el centro
activo posee una cierta complementariedad con el sustrato y se adapta a él con el primer contacto y parece
ser que esto induce un cambio de conformación de la enzima fundamental para la reacción. La estructura de
un sustrato determinado induce a la enzima a adaptarse o amoldarse.
La especificidad de las enzimas significa que una enzima no cataliza cualquier tipo de reacción sino una
especÃ−fica. La clasificación de las enzimas entonces depende del tipo de reacción. Nosotros veremos las
enzimas hidrolÃ−ticas que reaccionan por hidrólisis (añadiendo agua)
Las enzimas hidrolÃ−ticas son las que mediante el proceso de hidrólisis descomponen un compuesto
quÃ−mico mediante la unión a una molécula de agua. AsÃ−, descomponen por hidrólisis los principios
inmediatos, sales minerales, sales inorgánicas y también las moléculas. Estas enzimas se denominan:
• Carbohidrasas descomponen y aceleran las reacciones de los hidratos de carbono, es decir,
descomponen polisacáridos en sus unidades o monosacáridos mediante hidrólisis.
• Lipasas Catalizan las reacciones quÃ−micas de las grasas dando lugar a glicerina y ácidos grasos.
• Proteasas Se propone el mismo proceso de catalización para las proteÃ−nas, descomponiéndolas
en aminoácidos.
El sufijo -asa, identifica el nombre de una enzima. No quiere decir que todas las enzimas acaben en -asa, pero
sÃ− que todas las que acaban en -asa son enzimas.
Propiedades fÃ−sico- quÃ−micas de las enzimas
Son solubles en agua y tienen un PH óptimo de actividad que oscila entre 6 y 7 y medio (como sabemos, 7 es
el PH neutro, siendo por debajo de este valor ácido y por encima básico)
La temperatura también interviene o afecta a las reacciones de las enzimas. AsÃ−, las bajas temperaturas
inactivan (bloquean la reacción) a las enzimas pero no las destruyen, si aumentamos la temperatura de
nuevo, cuando vuelve a la temperatura normal u óptima recuperan su actividad. Sin embargo si aumentamos
la temperatura, la enzima también se inactiva y bloquea la reacción, con la diferencia de que a partir de los
65º si que se destruyen (si se destruyen las enzimas, no hay reacciones quÃ−micas y esto puede ser letal
sobre todo en homeotermos, mamÃ−feros y aves) Las actividades optimas dependen de las condiciones
ambientales.
Muchas sustancias que normalmente no se encuentran en los seres vivos, si se introducen en el interior pueden
interaccionar con determinadas enzimas y entonces bloquear su acción, actuando como venenos (bloquean
su actividad y tienen un efecto pernicioso, impiden que la sustancia normal pueda interaccionar con la
enzima) Estos venenos actúan como inhibidores de la actividad enzimática y pueden bloquear por completo
las reacciones, lo cual como ya dijimos puede ser letal, mortal ( por ejemplo el cianuro, el mercurio, la sal de
plomo…) El efecto nocivo de estos venenos bloquean la actividad de las enzimas.
Además, hay algunas enzimas que para poder funcionar necesitan la presencia de alguna sustancia
quÃ−mica como sales minerales, elementos metálicos (como hierro o zinc), sustancias orgánicas…
sustancias quÃ−micas muy variadas. Estos factores que son necesarios para la actividad son llamados o
conocidos como cofactores o coenzimas. Estos cofactores o coenzimas parecen ser agentes que en virtud de
sus propiedades moldean la enzima en la forma requerida para un adecuado ajuste con el sustrato. Muchas de
las sustancias que conocemos como vitaminas (por ejemplo la vitamina B) facilitan muchas reacciones
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quÃ−micas y por lo tanto son cofactores.
La vida celular posiblemente no serÃ−a posible sin la existencia de las proteÃ−nas, pero no obstante la
célula podrÃ−a no ser todavÃ−a una célula viva ya que las biomoléculas vistas hasta ahora
(proteÃ−nas, lÃ−pidos y glúcidos) solo le dan potencialidad para tener una estructura, para realizar diversas
funciones, para acumular y utilizar energÃ−a…pero la célula todavÃ−a no esta quÃ−micamente equipada
para hacer efectivas estas potencialidades (no sabe como usar la energÃ−a, como alimentarse, que clase de
estructura tiene que formar, que case de reacciones quÃ−micas…) Todo esto surge de los nucleótidos
à cidos Nucleicos
Reciben este nombre porque tienen un carácter ácido y está localizado en el núcleo de la célula
(nucleico) Están directamente implicados en la transmisión genética de padres a hijos. Estos ácidos
nucleicos son polÃ−meros, son macromoléculas cuyos monómeros o unidades componentes son los
nucleótidos por lo que para entender los ácidos nucleicos, debemos entender el funcionamiento de los
nucleótidos. El nucleótido está formado por tres sustancias y tiene una estructura relativamente difÃ−cil:
• Un azúcar Es una pentosa, puede ser la ribosa (ARN) o la desoxirribosa (ADN) (esta última es
exactamente igual que la ribosa pero sin un oxÃ−geno)
• Uno o varios grupos fosfato (P) à cido fosfórico (Hâ
trifosfato dependiendo de cuantos grupos fosfato tenga
POâ
) Puede ser monofosfato, difosfato o
• Una base nitrogenada Pueden ser de dos tipos: púrinas o bases púricas y pirimidinas o bases
pirimidÃ−nicas.
El ARN nunca tiene timina y el ADN nunca tiene uracilo.
Los nucleótidos además de actuar como bloques para los ácidos nucleicos son importantes porque
acumulan y tranferir energÃ−a. Destacan:
• Adenosin monofosfato (AMP) (1 molécula de fosfato)
• AdenosÃ−n trifosfato (ADP) (2 moléculas de fosfato)
• AdenosÃ−n trifosfato (ATP) es el más importante (3 moléculas de fosfato)
El ATP acumula y transfiere energÃ−a en catabolismo y anabolismo. Es un gran aceptador/dador de
energÃ−a. Los demás (como citosina monofosfato, guanina difosfato…) también forman uniones de
energÃ−a, pero la fuente de energÃ−a fundamental deriva siempre del ATP. Si se necesita energÃ−a, el ATP
pierde un fosfato y se convierte en ADP (aportando energÃ−a) y si se necesita aún más energÃ−a perderá
otro fosfato (convirtiéndose en AMP) Pero si al contrario, acumula energÃ−a, pasará de ser AMP a ser
ADP y si sigue acumulando a recuperar su forma de ATP. El ATP es el principal portador de energÃ−a. Los
ácidos nucleicos están formadas por largas cadenas de nucleótidos, son las moléculas más grandes
que se conocen (millones de nucleótidos) El eje de un ácido nucleico está formado por pentosas y fosfatos
alternados y las bases nitrogenadas unidas a las pentosas (azúcares)
Hay dos clases de ácidos nucleicos: el ADN y el ARN
• à cido desoxirribonucleico (ADN o DNA) El ADN lleva la pentosa desoxirribosa que está en el
núcleo de la célula y forma parte de los cromosomas, en partes del citoplasma o mitocondrias, que
se ha descubierto en estos últimos años y que parece ser fundamental. Esta formado por grandes
cadenas de nucleótidos formando una doble hélice y es responsable de transmitir los caracteres de
padres a hijos. Contiene la información genética.
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• Ã cido ribonucleico (ARN o RNA) EL ARN lleva la pentosa ribosa y es abundante en el nucleolo,
que está dentro del núcleo de la célula, aunque también se encuentra en el citoplasma. Tiene
una sola hélice y su misión es enviar órdenes a los orgánulos para crear las distintas
proteÃ−nas que se necesitan en cada momento.
Son largas cadenas de nucleótidos (polinucleótidos) tanto el ADN como el ARN. Existen dos diferencias
esenciales y fundamentales entre ambos y es que el ADN lleva desoxirribosa y timina y el ARN lleva ribosa y
uracilo. Pero además podemos observar otras diferencias:
ADN
ARN
Núcleo, mitocondrias y
Localización
Núcleo y citoplasma
cloroplastos
Bases pirimidÃ−nicas
Citosina y Timina
Citosina y Uracilo
Bases púricas
Adenina y Guanina
Adenina y Guanina
Pentosa
Desoxirribosa
Ribosa
Papel en la célula
Información genética
SÃ−ntesis de proteÃ−nas
Enzima hidrolÃ−tica
Desoxirribonucleasa
Ribonucleasa
Además, las cadenas de ADN son bastante más largas que las del ARN (ya que este se forma a partir del
ADN) El ADN constituye el depósito de información genética. Es por tanto la base de la vida. Esta
información es copiada o transcrita en el ARN por un proceso que se conoce como transcripción. Esta
información que se obtiene en la sÃ−ntesis del ARN tiene un código para una secuencia especÃ−fica de
aminoácidos para sintentizar una proteÃ−na en un proceso al que llamamos transducción.
Quien construye las proteÃ−nas es el que manda, el ADN, usando como intermediario el ARN.
Toda la información genética del organismo esta acumulada en los nucleótidos o bases nitrogenadas por
lo que podemos decir que el alfabeto tiene cuatro letras: citosina (C), guanina (G), adenina (A) y timina (T):
Entre 1949 y 1953 fue cuando Chargaff, aunque no se conocÃ−a la estructura del ADN, comprobó que
habÃ−a una serie de regularidades y es que siempre, en cada molécula la cantidad de A (adenina) es igual a
la de T (timina) y la de C (citosina) igual a la de G (guanina). El número de bases de purinas era igual al de
pirimidinas pero no se conocÃ−a la estructura o naturaleza de estas regularidades.
Fue en 1953 cuando dos personajes muy importantes llamados Watson y Crick propusieron un modelo para la
estructura del ADN que explicaba todas las regularidades observadas por Chagaff en las bases y sus funciones
biológicas (fue una chica quién más contribuyó y estudió acerca de la estructura del ADN lo que les
puso a ellos en la pista, ella murió joven y cuando tuvieron el nobel a pesar de ganarlo a su costa ni se lo
agradecieron)
Según este modelo, el ADN está compuesto por dos cadenas de nucleótidos en espiral alrededor de un eje
adoptando forma de doble hélice (doble helicoidal) de tal manera que cada molécula de desoxirribosa
lleva bases púricas y pirimidinicas que ademas son las encargadas de mantener unidas a las dos cadenas por
enlaces de hidrógeno (fácilmente separables, enlaces débiles) de tal manera que se relaciona la citosina
con la guanina y la adenina con la timina. De ahÃ− las regularidades observadas por Chargaff. AsÃ−, las
uniones para mantener las dos cadenas se limitan a esas parejas, asÃ− si conocemos la secuencia de bases de
una de las cadenas, conocemos la de la otra.
Conociendo la secuencia de bases de una cadena, conocemos inmediatamente la de la de otra. Por tanto, la
estructura o esqueleto básico está formado por los grupos fosfato y los azúcares (las pentosas) y sobre
éstas últimas, las bases nitrogenadas:
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El ADN que está en los cromosomas es el portador de la información genética y ese mensaje genético
tiene que pasar invariable de una generación celular a otra y para ello el ADN se replica duplicándose
(haciendo copias de sÃ− mismo) Esto es lo que se llama replicación o duplicación del ADN
(autorreplicación o autoduplicación) y transmite el mensaje a sus dos copias.
AsÃ− se abren cada una de y cada una de ellas sirve para la sÃ−ntesis de una nueva cadena (como otra de
inducción para la formación de otra cadena) AsÃ− de uno, formamos dos con la misma información
genética y en el mismo orden. AsÃ− se forma la cadena complementaria. Para duplicarse proporciona una
molécula para cada molécula hija (la maternal) y una de nueva formación) Las moléculas hijo serán
un hÃ−brido entre una y otra
Esta duplicación de los cromosomas explica la transmisión de los caracteres hereditarios y además el
mantenimiento de las bases nitrogenadas.
Propiedades del ADN
• Proporciona a la célula la información o instrucciones sobre la manera de sintetizar proteÃ−nas
especÃ−ficas y a través de este control proteico controla todo (estructura, funciones…)
• El ADN tiene capacidad de duplicarse por lo que es una molécula reproductora y la reproducción del
ADN es el principio de toda reproducción.
• Bajo ciertas condiciones el ADN puede sufrir mutaciones con lo que se da lugar a alteraciones en la
secuencia de información.
Por tanto, el ADN es el que forma los genes y quién regula las células por lo que es la base de la vida.
ARN
Es solo una hélice que se sintetiza a partir de un fragmento de ADN (de ahÃ− que sea más pequeño) su
estructura primaria es muy parecida pero lleva ribosa en lugar de desoxirribosa y uracilo en lugar de timina:
El ADN está en el núcleo pero la sÃ−ntesis de proteÃ−nas tiene lugar fuera del núcleo, en el citoplasma
(en los ribosomas) El ARN es el gran intermediario entre el ADN y la sÃ−ntesis de proteÃ−nas. Hay tres
tipos de ARN:
• ARNm (mensajero) es el que lleva la información genética que le ha dado el ADN que se ha transcrito
y es el que en su secuencia de nucleótidos representa la secuencia de aminoácidos en una proteÃ−na, es
decir, para la sÃ−ntesis de proteÃ−nas tiene que haber una molécula que lleve la información al
citoplasma desde el núcleo, con la información del ADN llegando a los ribosomas.
• ARNr (ribosómico) representa más del 50% de la masa de los ribosomas. Es el sustrato molecular donde
se realizan estos procesos. Es el soporte donde tiene lugar la sÃ−ntesis de proteÃ−nas.
• ARNt (transferencia) identifica y transporta los aminoácidos hasta el ribosoma por tanto allÃ− se
ensamblan los nucleótidos para formar una proteÃ−na.
Los ácidos nucleicos son polÃ−meros cuyos monómeros son también moléculas complejas llamadas
nucleótidos formados por fosfato, azúcar y bases nitrogenadas. Hay dos tipos de ácidos nucleicos: ADN y
ARN (depósitos de la información genética) la información genética está almacenada en una
secuencia de bases.
El ARN se sintetiza a partir del ADN (por eso es más pequeño) entonces el ADN se abre por la zona que
va a ser transcrita y solo se copia una cadena que sirve de introducción para la sÃ−ntesis de una nueva
cadena.
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Solo la cadena que forma el ARN se desprende (esa sola hélice la parte azul clara) y ya esta formado el
ARN. Solo una hélice, la que se sintetiza es la que se desprende y el ADN vuelve a su estado, vuelve a
unirse con su hebra anterior.
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