Bioelementos y elementos biológicos

BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS
• BIOELEMENTOS
Son los elementos químicos que forman parte de la materia viva. Según su importancia y abundancia se
clasifican en:
• Elementos primarios: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Representan algo más del 96%
del peso de cualquier organismo. Son elementos imprescindibles para la creación de moléculas
orgánicas.
• Elementos secundarios: fósforo, azufre, sodio, potasio, calcio, magnesio y cloro. Constituyen el
3% en peso aproximadamente.
• Oligoelementos: Representan menos del 1%. No todos forman parte de los seres vivos. Cabe citar por
ejemplo el hierro, cinc, bromo, yodo y silicio.
Al contrario que en los seres inertes, donde el silicio es la base, en los seres vivos se utiliza la química del
carbono por varias razones:
• Al tener peso atómico bajo permite enlaces covalentes estables, pero no tanto para impedir las
reacciones metabólicas.
• La estructura del átomo de carbono permite conseguir largas cadenas ramificadas que pueden
romperse con facilidad.
• Los átomos de carbono se unen con facilidad al nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y azufre, facilitando así
la unión de diferentes grupos funcionales.
• Función de los bioelementos primarios y secundarios
• El carbono, hidrógeno y oxigeno (respiración aerobia incorpora electrones) constituyen la estructura
básica de las moléculas orgánicas.
• El nitrógeno participa en la construcción de proteínas y ácidos nucleicos.
• El fósforo forma parte de los ácidos nucleicos y sus enlaces son utilizados en la obtención de energía
(ATP).
• El azufre constituye parte de la mayoría de las proteínas.
• LAS BIOMOLÉCULAS
Inorgánicas (agua, sales minerales y gases), en la naturaleza y seres vivos.
Orgánicas (glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y enzimas), solo en seres vivos.
• EL AGUA EN LOS SERES VIVOS
• El agua constituye el 75 % en peso de la materia, y depende de la especie, edad y tejido.
• Localización: extracelular 45% (liquido intersticial, cavidades especificas y conductos),
intracelular 55%.
• Incorporación: agua, líquidos, sólidos (agua de composición (yeso)) y agua de oxidación.
• Estructura de la molécula de agua
Formado por dos átomos de muy diferente electronegatividad, el oxigeno e hidrogeno que forman un
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dipolo. El pequeño tamaño del átomo de hidrogeno permite establecer enlaces débiles con las moléculas
contiguas (puentes de hidrogeno).
• Puentes de hidrogeno
Los puentes de hidrógeno entre moléculas tienen una vida inferior a 10−9 segundos. Cada molécula de agua
se une a otras cuatro (100º C aun se están formando puentes de hidrogeno).
• Propiedades del agua
• Elevada capacidad disolvente: debida a la elevada constante dieléctrica y a la electronegativad del
O2.
• Elevada tensión superficial: resistencia que ofrece la superficie a la penetración (capilaridad y
organismos que viven en la superficie del agua).
• Elevado calor específico: calor necesaria para elevar un gramo 1 ºC, (amortiguadora de temperatura).
• Elevada conductividad: facilita la distribución del calor por toda la masa de agua.
• Elevado calor de vaporización: necesita mucho calor para pasar a estado gaseoso ya que hay que
romper muchos puentes de hidrogeno.
• Funciones biológicas del agua
• Vehículo de transporte de sustancias: debido a su poder disolvente transporta sustancias de un
punto a otro del organismo.
• Medio de reacción: gracias al poder disolvente, la mayoría de las biomoléculas están disueltas en
agua y de ese modo reaccionan entre sí.
• Reactivo químico: participa en las reacciones por su capacidad de disociarse en iones H+ y OH−.
• Agente regulador de la temperatura: su alto calor específico hace que sea un buen amortiguador de
temperatura.
• LAS SALES MINERALES EN LOS SERES VIVOS
Constituyen el residuo sólido, las cenizas, de la materia tras su completa calcinación. Aparecen precipitadas
(sólidos), disueltas (ionizadas), ligadas a moléculas orgánicas.
• Propiedades de las sales minerales
• Precipitadas: estructural (esqueletos)
• Ionizadas:
• Cofactores: parte no proteica+proteinas=enzima.
• Transmisión del impulso nervioso: bomba sodio−potasio.
• Contracción muscular: calcio como segundo mensajero (acumula en el REL de las células
musculares).
• Coagulación sanguínea: calcio necesario para pasar de protrombina (proenzima) a trombina
(enzima), para conseguir fibrina a partir de fibrinógeno.
• Imprescindibles en moléculas muy importantes: P (ácidos nucleicos).
• Regulación de los fenómenos osmóticas: Si dos sustancias se ponen de diferentes concentraciones se
separan por una membrana impermeable (solo deja pasar el disolvente), únicamente pasará el
disolvente de la más diluida, o hipotónica, a la más concentrada, o hipertónica. Este proceso se
denomina ósmosis. En la ósmosis se produce el fenómeno de plasmólisis, en el que la célula que
desprende agua para igualar la concentración se arruga y al contrario, turgencia, en el que la célula se
dilata tanto que puede llegar a reventar.
• Regulación del pH: Efecto amortiguadores o tampón que evitan el cambio de pH constituidos por
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un ácido débil y una sal del mismo ácido.
• Disoluciones y membranas
♦ Disolución verdadera: formada por una fase dispersante (agua) y una fase dispersa
(cristaloides (bajo peso molecular)).
♦ Disolución coloidal: formada por una fase dispersante (agua) y una fase dispersa (coloides
(elevado peso molecular)).
♦ Membranas: impermeable (solo gases), semipermeable (disolvente), selectiva (lo que le
interesa), de diálisis (debido a la presión hidrostática solo pasan pequeñas moléculas y no
coloides).
LOS GLÚCIDOS
• CONCEPTO DE GLÚCIDO y CLASIFICACIÓN
Los glúcidos son biomoléculas formadas básicamente por carbono, hidrógeno y oxígeno, los glúcidos
(azucares) son los polihidrixialdehídos o polihidroxicetonas.
♦ Osas o monosacáridos:
♦ Triosas
♦ Tetrosas
♦ Pentosas
♦ Hexosas
♦ Heptosas
♦ Osidos (formado por Osas):
♦ Oligosacáridos:
♦ Disacáridos
♦ Trisacáridos
♦ Polisacáridos:
♦ Homopolisacáridos
♦ Heteropolisacáridos
♦ Glúcidos asociados a otras moléculas:
♦ Heterósidos
♦ Peptidoglucanos
♦ Proteoglucanos
♦ Glucoproteínas
♦ Glucolípidos
• OSAS o MONOSACÁRIDOS
♦ Triosas: dihidroxiacetona, gliceraldehído (glucólisis).
♦ Tetrosas: ciclo de Calvin (fotosíntesis).
♦ Pentosas: ribosa y desoxirribosa.
♦ Hexosas: glucosa (uva), fructosa (fruta) y galactosa (leche).
♦ Heptosas: ciclo de Calvin (fotosíntesis (fase oscura)).
LOS ENLACES N−GLUCOSÍDICO Y O−GLUCOSÍDICO
Hay dos tipos de enlace entre un monosacárido y otras moléculas: el enlace N−glucosídico, que se
forma entre un −OH y un compuesto aminado, y el enlace O−glucosídico, que se realiza entre dos
−OH de dos monosacáridos.
• Concepto de carbono asimétrico:
Es aquel que tiene las cuatro valencias ocupadas por cuatro sustituyentes diferentes.
• Estereoisomería de los monosacáridos
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Cuando tienen la misma formula molecular pero distinta formula desarrollada.
♦ Enantiómeros: Tienen las mismas propiedades químicas pero una diferente propiedad física
que es la rotación del plano de la luz polarizada, hacia la derecha (dextrógiro) y hacia la
izquierda (levógiro). Para pasar de D a L se cambian todos los OH de lado.
♦ Epímeros los monosacáridos que se diferencian en la configuración de un solo carbono
asimétrico se denominan. Glucosa−Galactosa.
• Formas lineales de aldosas y cetosas:
Las triosas y tetrosas son demasiado cortas para ciclarse, las alhohexosas se ciclan en pirano
(hexágono) y las aldopentosas y cetohexosas en furano (pentágono).
• Formas cíclicas de los monosacáridos
Al formarse este anillo, el carbono carbonílico se convierte en asimétrico, dando lugar a dos nuevos
isómeros, el (OH a la derecha) y el (OH a la izquierda).
• DISACÁRIDOS
• Composición, propiedades y nomenclatura
Son sustancias blancas, cristalizables, solubles en agua y de sabor dulce, por lo que también se llaman
azúcares (como los monosacáridos). Formados por la unión de dos monosacáridos unidos mediante un
enlace O−Glucosidico.
♦ Enlace monocarbonílico: se establece entre el grupo carbonílico de uno de los
monosacáridos y un grupo alcohólico del otro monosacárido. Puede tener un extremo
reductor.
♦ Enlace dicarbonílico: se establece entre los carbonos carbonílicos de los dos monosacáridos.
No puede tener un extremo reductor.
♦ Disacáridos naturales y su distribución
◊ Maltosa: O−−D−glucopiranosil−(1−4)− −D−glucopiranosa. Almidón y
glucogeno.
◊ Celobiosa: O−−D−glucopiranosil−(1−4)− −D−glucopiranosa. Celulosa
◊ Lactosa: O−−D−galactopiranosil−(1−4)− −D−glucopiranosa. Azúcar de la leche.
◊ Sacarosa: O−−D−glucopiranosil−(1−2)− −D−fructofuranósido. Azúcar de caña.
◊ Isomaltosa: O−−D−glucopiranosil−(1−6)−−D−glucopiranosa.
Almidón−glucogeno.
♦ POLISACÁRIDOS
♦ Concepto, propiedades, clasificación
Son la unión de varios monosacáridos. No son dulces y se hidrolizan.
◊ Homopolisacáridos: al hidrolizarse se convierten en un solo tipo de monosacárido.
◊ Almidón: de reserva, formado por disacáridos dos −D−glucosas. En las semillas del
maíz.
◊ Amilosa: enlace (1−4)
◊ Amilopectina: enlace (1−6)
◊ Glucógeno: de reserva, formado por disacáridos de maltosa.
Enlace (1−6) y se encuentra en hígado y músculo.
◊ Celulosa: estructural, formada por disacáridos de celobiosa.
Enlace (1−4), el Lepisma lo produce.
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◊ Quitina: estructural, en el carbono 2 hay un NH−CO−CH3.
Formado por N−acetil−D−Glucosamina y se encuentra en pared celular de hongos.
◊ Heteropolisacáridos: al hidrolizarse se convierte en distintos tipos de
monosacáridos.
◊ Pectina: se cambia el carbono 6 (CH2OH) de la galactosa por COOH y pasa a ser
ácido galacturonico. En pared celular vegetal.
◊ Hemicelulosa: contienen varios azucares y están en las paredes celulares.
◊ Peptidoglucano: repetición de N−acetil−glucosamina y N−acetil−muramico y se
encuentra en la pared bacteriana. La lisozima presente en lágrimas rompe los enlaces
entre los dos anteriores.
◊ Proteoglucanos: formado por ácido uronico mas N−acetil galactosamina o
N−acetil−glucosamina. Ácido hialuronico (tejido conjuntivo) y heparina
(anticoagulante).
◊ Glucoproteínas: en la glucosilacion, se glucosilan en el RER y se terminan de oxidar
en el aparato de Golgi. Su función es dirigir la proteína.
◊ Glucolípidos: gangliosidos y cerebrosidos en la membrana plasmática de las
bacterias.
♦ FUNCIONES
◊ Función energética: glucosa, almidón, glucogeno.
◊ Función estructural: celulosa, quitina.
◊ Antioxidante: vitamina C
◊ Anticoagulante: la heparina
◊ Hormonal: fructosa
◊ Enzimático: invertasa y sacarasa en el intestino delgado (humano).
◊ Inmunológica:
◊ Reconocimiento: oligosacáridos, glucoproteinas reconocimiento celular.
◊ Transporte: ribosa y desoxirribosa como transportadores de electrones.
◊ Antigénica: glucoproteinas
LOS LÍPIDOS
♦ CONCEPTO DE LÍPIDO, FUNCIONES Y CLASIFICACIÓN
Son compuestos ternarios, contienen C H y O, aunque algunos contienen P, N y S.
Son insolubles en agua pero solubles en disolventes orgánicos y poco densos. Funciones
principales: depósito de energía a largo plazo (triglicéridos) y componentes estructurales de
las células (fosfolipidos y esteroles).
◊ Ácidos grasos.
◊ Lípidos simples: acilglicéridos (ceras)
◊ Lípidos complejos:
◊ Saponificables: fosfolipidos y glucolípidos.
◊ Insaponificables: esteroides y terpenos.
♦ LOS ACIDOS GRASOS
Son aquellos que nuestro organismo no puede fabricar (linoleico y el linolénico). Todos los
ácidos grasos tienen un grupo carboxilo (−COOH) en un extremo de la cadena.
◊ Saturados: sin dobles enlaces en la cadena.
◊ Insaturados: con uno o más dobles enlaces.
♦ Propiedades de los ácidos grasos
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◊ Físicas:
◊ Autooxidación: unión con O2.
◊ Anfipático: zona hidrófila e hidrófoba.
◊ Punto de fusión. Depende de las fuerzas de Van der Waals entre moléculas, a mayor
numero de instauraciones menor es el punto de fusión, cuantos mas carbonos
(insaturados menor punto de fusión, saturados mayor punto de fusión).
◊ Solubilidad. Poseen una cabeza hidrófila y una cola hidrófoba.
⋅ Monocapas: son películas superficiales sobre el agua
⋅ Micelas: son agrupaciones esféricas en las que la cabeza esta hacia el exterior
y la cola hacia el interior
⋅ Bicapas: son agrupaciones que separan dos medios acuosos.
⋅ Vesículas: se pierden la parte hidrofobica (cola), y se colocan de manera
esférica, pueden crear un compartimento acuoso separado.
◊ Químicas:
◊ Forman ésteres: ácido graso + alcohol da ester+H2O
◊ Forman jabones: ácido graso + base da jabon+H2O
♦ LÍPIDOS SIMPLES
♦ Acilglicéridos
Son compuestos formados por C, H y O, surgen de la esterificación de ácidos grasos y alcohol
(glicerina), pueden formar mono, di y triacilglicéridos (grasas).
Se diferencian en el número de ácidos grasos unidos, la posición de los ácidos grasos y el tipo
de ácidos graso. Los triacilgliceridos no son moléculas polares (aceite flota en agua) y los
mono y diacilgliceridos tiene poca polaridad.
Los glicéridos tienen función de reserva energética, ya que en al oxidarse se obtiene gran
cantidad de energía. La oxidación de un gramo de acilglicerido proporciona más del doble de
energía que la oxidación de un gramo de glúcido. Función de aislante térmico y
amortiguador de golpes.
♦ Ceras
Son ésteres de ácidos grasos de cadena larga. Son totalmente insolubles en agua y tienen un
elevado punto de fusión. Forman cubiertas protectoras.
♦ LÍPIDOS COMPLEJOS SAPONIFICABLES
Son compuestos de carácter anfipático que forman parte de las membranas celulares.
♦ Fosfolipidos: Son lípidos complejos caracterizados por presentar un ácido ortofosfórico en su
zona polar. Función estructural.
◊ Los fosfoglicéridos están formados por la esterificación de un ácido fosfatídico con
un alcohol o un aminoalcohol.
◊ Los fosfoesfingolípidos están formados por la unión de un ácido graso y una
esfingosina, conjunto que se denomina ceramida, al que se une un grupo fosfato y un
aminoalcohol.
♦ Glucolipidos: Lípidos complejos formados por la unión de una ceramida y un glúcido. Al
igual que los fosfoesfingolípidos poseen esfingosina, pero se diferencian de éstos por carecer
del grupo fosfato y porque, en lugar de un alcohol, presentan un glúcido. Los glucolípidos
pueden dividirse en dos grupos: cerebrósidos y gangliósidos. Los cerebrósidos en las
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neuronas cuando tienen galactosa (ceramida + cadena glucidica). Los gangliósidos contienen
acido N−acetil−neuraminico (ceramida + oligosacarido). Función estructural, los glúcidos
están fuera de la membrana plasmática y no dentro. A diferencia de los fosfoglicéridos, tienen
esfingosina en vez de glicerina.
♦ LIPIDOS COMPLEJOS INSAPONIFICABLES
♦ Terpenos
Moléculas sensuales. Polimerización del isopreno.
◊ Monoterpenos (2): Limoneno y Geraniol.
◊ Sesquiterpenos (3)
◊ Diterpenos (4) (Fitol (alcohol que forma parte de la clorofila)).
◊ Vitamina A: pigmento especial en la visión.
◊ Vitamina E: huevos de gallina.
◊ Vitamina K: coagulación sanguínea.
◊ Triterpenos (6): escualena y lanosterol (grasa de la lana) precursores del colesterol.
◊ Tetraterpenos (8): carotenoides y xantofilas, pigmentos accesorios de la clorofila.
◊ Politerpenos:
◊ Ubiquinona o coenzima Q.
◊ Plastoquinona.
◊ Dolicol
♦ Esteroides
Lípidos derivados del hidrocarburo esterano o cliclopentano polihidrofenantreno, el esterano
procede del escualeno (triterpeno).
◊ Esteroles: son los más abundantes. Presentan un OH en el carbono 3.
◊ Colesterol: responsable de la fluidez en la membrana celular, solo se halla en
animales y se forma en el hígado.
◊ Ergosterol: en vegetales, se convierte en vitamina D por irradiación con luz solar.
◊ Ácidos biliares: son esteroides procedentes de la degradación del colesterol.
Componen parte de la bilis y su función es emulsionar las grasas.
◊ Hormonas esteroideas: presentan un oxigeno en el carbono 3, testosterona y
progesterona (hormonas sexuales), aldosterona y cortisol (hormonas suprarrenales).
♦ FUNCIONES
◊ Energética: triglicéridos
◊ Estructural: fosfolipidos y esteroles
◊ Biocatalizador: favorece las reacciones químicas.
◊ Cubiertas protectoras: ceras
◊ Aislante térmico: acilglicéridos
◊ Transportador de electrones: ubiquinona o coenzima Q (en la cadena respiratoria,
membrana interna de las mitocondrias). Plastoquinona (en la fotosíntesis (fase
luminosa), en los tilacoides de los cloroplastos).
◊ Agentes emulsionantes: ácidos biliares
◊ Hormonal: progesterona, testosterona, aldosterona y cortisol.
◊ Coagulante: Vitamina K
◊ Transporte: dolicol transporta glucidos en el RER. Los lipidos son llevados al tejido
adiposo.
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