Tema 1. La naturaleza básica de la vida

1. LA UNIDAD QUÍMICA DE LOS SERES VIVOS

Los elementos químicos que constituyen la materia viva se denominan bioelementos, y se clasifican según su abundancia en :

  • Primarios (98%): C, H, O, N, S y P.
  • Secundarios: Ca, Mg, K, Cl, Na, …
  • Algunos bioelementos como el hierro, que no alcanzan el 0,1% reciben el nombre de oligoelementos; sin embargo, a pesar de esta baja proporción, su presencia es indispensable para el buen funcionamiento del organismo.

 

¿Qué función desempeña el hierro en nuestro organismo? 

El hierro constituye el centro de la molécula de hemoglobina y a él se une el oxígeno para ser transportado. Si hay escasez de hierro en el organismo, su transporte se ve muy reducido y se desarrolla la enfermedad denominada anemia ferropénica.

La falta de hierro afecta al funcionamiento del cerebro

 

Importancia del carbono

¿Por qué el carbono es el átomo fundamental en las moléculas que forman los seres vivos?

– Los cuatro electrones de su capa más externa permiten formar cuatro enlaces covalentes dirigidos hacia los vértices de un tetraedro.

Tetraedro carbono

– Los enlaces con otros átomos de carbono son muy estables y permiten formar cadenas lineales, ramificadas, anillos, … que constituyen el esqueleto de muchas biomoléculas.

Cadenas de carbono

– Puede formar dobles y triples enlaces.

Enlaces simples, dobles y triples

– Los enlaces con otros átomos sencillos (H, O, N) permiten crear grupos funcionales que dan lugar a una gran diversidad de biomoléculas.

Grupos funcionales

Las biomoléculas

Las moléluas que se forman al unirse estos bioelementos se denominan biomoléculas, y pueden ser:

  • Inorgánicas: dióxido de carbono, agua y sales minerales.
  • Orgánicas: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

 

2. EL AGUA

Estructura del agua

La molécula de agua está constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Cada átomo de hidrógeno se une al átomo de oxígeno mediante un enlace covalente simple (comparten un par de electrones). Estos átomos se disponen en el espacio formando un ángulo de 105º con el oxígeno situado en el vértice.

La molécula de agua es dipolar debido a que el oxígeno, que es más electronegativo que los hidrógenos, atrae con más fuerza a los electrones del enlace. Esto hace que aparezcan dos zonas con cargas distintas: una con carga negativa próxima al átomo de oxígeno, y una con carga positiva próxima a los átomos de hidrógeno.

Este carácter dipolar permite que las moléculas de agua puedan unirse entre sí, con otras moléculas polares y con iones, mediante atracciones electrostáticas débiles llamadas puentes de hidrógeno.

Estructura del agua

Al unirse muchas moléculas de agua mediante enlaces de puente de hidrógeno se consigue que el agua alcance un elevado peso molecular y que sea líquida a temperatura ambiente en vez de un gas como el dióxido de carbono, de semejante peso molecular.

 

Popiedades del agua y funciones

El agua posee propiedades de las que se derivan importantes funciones para los seres vivos:

  • Elevada fuerza de cohesión entre moléculas gracias a los puentes de hidrógeno. Esta propiedad proporciona volumen a las células y constituye el esqueleto hidrostático en póplipos y medusas. También explica la elevada tensión superficial, que posibilita que algunos organismos vivan asociados a esta película superficial.
  • Elevada fuerza de adhesión. Las moléculas de agua se adhieren a las paredes de conductos de pequeño diámetro, ascendiendo en contra de la gravedad (capilaridad).
  • Elevado calor específico. Para elevar la temperatura del agua hay que romper muchos de los enlaces que hay entre las moléculas, por lo que hay que aplicar mucho calor. Por ello el agua es un buen estabilizador térmico del organismo frente a los cambios bruscos de temperatura del ambiente.
  • Elevado calor de vaporización. Para pasar del estado líquido al gaseoso hace falta romper todos los enlaces de hidrógeno y para ello se precisa mucha energía. Esto hace que el agua sea una buena sustancia refrigerante del organismo.
  • Densidad más alta en estado líquido que en estado sólido. Esto explica que elhielo flote sobre el agua y que forme una capa superficial termoaislante que posibilita la vida bajo el hielo en ríos, mares y lagos.
  • Gran poder disolvente. El agua disuelve compuestos polares (alcoholes, aldehídos, aminoácidos) al establecer puentes de hidrógeno entre el agua y los grupos porlares. También disuelve compuestos iónicos gracias a las atracciones electrostáticas entre los dipolos de agua y los iones. Esta característica favorece el transporte de sustancias (sangre, savia bruta y elaborada) y las reacciones bioquímicas propias de la vida.

Solvatación

 

 

3. LAS SALES MINERALES

Las sales minerales se pueden encontrar en los seres vivos de dos formas:

  • Sales minerales precipitadas. Constituyen estructuras sólidas e insolubles, con función esquelética (carbonato de calcio de los caparazones de los moluscos o de los huesos).
  • Sales minerales disueltas. Las sustancias minerales al disolverse dan lugar a aniones y cationes. Estos iones mantienen constante el grado de acidez (pH) y el grado de salinidad (fenómenos osmóticos).

 

¿Qué es la ósmosis?

Si dos disoluciones de distinta concentración se mantienen separadas por una membrana semipermeable, es decir, que solo deja pasar moléculas de agua, esta pasará de la disolución más diluida (hipotónica) a la más concentrada (hipertónica), con lo que ambas concentraciones tenderán a igualarse (isotónicas).

Este proceso se denomina ósmosis, y es responsable de procesos como la absorción del agua por las raíces o la formación de la orina.

EXPERIMENTO DE ÓSMOSIS CON TIRAS DE PATATA

 

4. LOS GLÚCIDOS

Los glúcidos son biomoléculas orgánicas constituidas por una o más cadenas formadas por carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O), en la proporción (CH2O)n.

Atendiendo al número de cadenas que contienen, los glúcidos se clasifican en los siguientes tipos:

  • Monosacáridos. Constituidos por una sola cadena.
  • Oligosacáridos. Formados por la unión de dos a diez monosacáridos. Entre ellos destacan los disacáridos (constituidos por la unión de dos monosacáridos).
  • Polisacáridos. Formados por la unión de más de diez monosacáridos.

Los oligosacáridos y los polisacáridos se pueden hidrolizar, es decir, se pueden desdoblar en monosacáridos.

 

A. Los monosacáridos

Los monosacáridos son glúcidos constituidos por una sola cadena de que presenta entre tres y siete átomos de carbono.

Se clasifican según el número de átomos de carbono y se denominan añadiendo la terminación -osa. De esta manera podemos diferenciar triosas, tetrosas, pentosas, hexosas y heptosas.

En todos los monosacáridos siempre hay un grupo carbonilo, es decir, un carbono unido a un oxígeno mediante un doble enlace. El grupo carbonilo puede ser un grupo aldehído (-CHO) y formar una aldosa o un grupo cetónico (-CO) y formar una cetosa. El resto de sus átomos de carbono están unidos a grupos alcohólicos o hidroxilo (-OH).

 

Propiedades:

  • Son blancos, cristalinos, dulces e hidrosolubles.
  • En disolución adoptan configuración cíclica.
  • Presentan estereoisomería.

 

Monosacáridos más importantes:

 

El pase de diapositivas requiere JavaScript.

Si quieres saber más vete al siguiente enlace:

Proyecto biosfera

 

B. Los disacáridos

Los disacáridos son glúcidos formados por la unión de monosacáridos mediante enlace O-glucosídico (el grupo -OH de un monosacárido se une al grupo -OH de otro, perdiéndose una molécula de agua).

Disacáridos más importantes:

  • Maltosa o azúcar de malta. Formada por dos moléculas de glucosa unidas mediante enlace α (1→4). Su principal función es almacenar energía.

Formación de la maltosa

  • Lactosa o azúcar de la leche Formada por la unión de una molécula de galactosa y una molécula de glucosa unidas mediante enlace β (1→4). Su principal función es almacenar energía.

Formación de la lactosa

  • Sacarosa o azúcar de caña. Consta de la unión de una molécula de glucosa y una molécula de fructosaunidas mediante enlace α (1→2). Su principal función es almacenar energía.

Formación de la sacarosa

EXPERIMENTO DE RECONOCIMEINTO DE ALMIDÓNDisacaridos-de-interes-biologico

EXPERIMENTO RECONOCIMIENTO DE ALMIDÓN

 

C. Los polisacáridos

Los polisacáridos son polímeros formados por la unión de más de diez monosacáridos mediante enlace O-glucosídico. Carecen de sabor dulce.

Polisacáridos

Estructura polisacáridos

 

Funciones de los glúcidos

  • Proporcionan energía: glucosa.
  • Almacenan energía: glucógeno y almidón.
  • Función estructural: ribosa (ARN), desoxirribosa (ADN), celulosa (pared celular de vegetales), quitina (pared celular de hongos y exoesqueleto de artrópodos).

 

5. LOS LÍPIDOS

Los lípidos son biomoléculas orgánicas constituidas por C, H y O (menos). Son insolubles en agua y solubles en disolventes orgánicos. Y son untuosos al tacto.

Clasificación:

  • Ácidos grasos (saturados e insaturados).
  • Lípidos saponificables (grasas, ceras y fosfolípidos).
  • Lípidos insaponificables (terpenos, esteroides y prostaglandinas).

 

A. Ácidos grasos

Los ácidos grasos están constituidos por largas cadenas hidrocarbonadas con un número par de átomos de carbono, el último de los cuales constituye un grupo carboxilo (-COOH), también denominado grupo ácido.

Estructura de un ácido graso

Clasificación

Los ácidos grasos se pueden clasificar en dos grupos:

  • Ácidos grasos insaturados (solo tienen enlaces simples entre los átomos de carbono). Por ejemplo, el ácido palmítico y el ácido esteárico.

Ácido graso saturado

  • Ácidos grasos saturados (tienen uno o más dobles enlaces entre los átomos de carbono). Por ejemplo, el ácido oleico y el ácido linoleico.

Ácido graso insaturado

 

Propiedades físicas y químicas de los ácidos grasos

  • Comportamiento anfipático: los ácidos grasos presentan un doble comportamiento, tienen una parte de la molécula hidrófila (el grupo carboxilo ionizado), y una parte hidrófoba (cadena hidrocarbonada). esta característica permite la formación de unas estructuras más o menos esféricas denominadas micelas, en las que las partes hidrófilas de las moléculas quedan hacia afuera.
  • Punto de fusión bajo: cuanto más corta e insaturada es la cadena más bajo el puento de fusión.
  • Forma jabones (saponificación): es la reacción de un ácido graso con una base fuerte (NaOH o KOH) que da lugar a una sal de ácido graso denominada jabón, y agua.

Reacción de saponificación

 

B. Lípidos saponificables

– Son lípidos saponificables están constituidos por ácidos grasos y forman jabones.  – Son ésteres, es decir, son el producto de la unión de un ácido graso y un alcohol.   – Incluyen lípidos simples como las grasas y las ceras, y lípidos complejos como los fosfolípidos.

 

  • Acilglicéridos o grasas: son ésteres formados por la esterificación de la glicerina con una, dos o tres moléculas de ácidos grasos, denominándose monoacilglicéridos, diacilglicéridos y triacilglicéridos o triglicéridos. Según el tipo de ácido graso pueden ser sólidas (sebo), semisólidas (manteca) o líquidas (aceite). Tienen función de reserva energética en el organismo (tejido adiposo), amortiguadora (protegen estructuras sensibles) y termoaislante (algunos animales de clima frío presentan una gran capa de tejido adiposo).

Formación de un triglicérido

 

  • Ceras: son ésteres formados por un alcohol de cadena larga y una molécula de ácido graso. Originan láminas impermeables que protegen la epidermis y las ofrmaciones dérmicas de los animales como pelos y plumas, y la superficie de muchos órganos vegetales como tallos y frutos.

Formación de una cera

 

  • Fosfolípidos:  son las principales moléculas constitutivas de la doble capa lipídica de las membranas plasmáticas, por lo que se les denomina lípidos de membrana. Constan de dos ácidos grasos, una glicerina, un ácido fosfórico y un alcohol.

Formación de un fosfolípido

 

C. Lípidos insaponificables

– Los lípidos insaponificables no contienen ácidos grasos en su composición y no forman jabones.                                                                                                                                 – Se distinguen tres tipos sengún la molécula de la que deriven: terpenos, esteroides y prostaglandinas.

  • Terpenos: son polímeros del isopreno. A este grupo pertenecen esencias vegetales (mentol, eucaliptol, limoneno, geraniol), pigmentos fotsintéticos (carotenoides y xantófilas) y el caucho.

 

  • Esteroides: son derivados del esterano. Se incluye en este grupo el colesterol, los ácidos biliares, el grupo de las vitaminas D y las hormonas esteroideas.

Esteroides

  • Prostaglandinas: son sustancias derivadas del ácido prostanoico. Las funciones de las prostaglandinas son muy diversas, pueden funcionar como vasodilatadores regulando la presión sanguínea, pueden promover la contracción de la musculatura lisa y pueden intervenir en la coagulación sanguínea.

 

6. LAS PROTEÍNAS

  • Las proteínas son biomoléculas orgánicas constituidas por C, H, O y N, y en menor proporción por P y S.
  • Son polímeros formados por la unión de un gran número de monómeros denominados aminoácidos.

 

Los aminoácidos:

Los aminoácidos son compuestos orgánicos que poseen un grupo amino y otro carboxilo unidos a un átomo de carbono llamado alfa (α). Este carbono está, además, unido a un radical (R) característico de cada uno de los 20 aminoácidos diferentes que constituyen las proteínas.

Aminoácido

Los aminoácidos se caracterizan por presentar un bajo peso molecular, y por ser sólidos, cristalinos y solubles en agua.

Además poseen isomerías (debido a que tienen un carbono asimétrico): existe una forma D y otra forma L. Los isómeros D poseen en proyección lineal, el grupo amina (-NH2) hacia la derecha del carbono asimétrico, mientras que la isomería L presenta el grupo amina (-NH2) a la izquierda del carbono asimétrico.

 

Péptidos y proteínas: el enlace peptídico:

Los péptidos son macromoléculas constituidas por la unión, mediante enlace peptídico, de aminoácidos. El enlace peptídico es un enlace covalente que se produce entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente (formándose en cada unión una molécula de agua).

Formación del enlace peptídico

Una cadena corta de aminoácidos es un péptido; un polipéptido o cadena polipeptídica puede contener centenares de aminoácidos; una proteína está formada por una o unas pocas cadenas polipeptídicas.

 

¿Cómo son las proteínas?

Cada proteína se pliega y adquiere una estructura tridimensional que tedermina su función biológica. Se diferencian cuatro niveles de complejidad creciente:

  • Estructura primaria: determinada por la secuencia de aminoácidos unidos mediante enlace peptídico.
  • Estructura secundaria: determinada por el plegamiento de la secuencia de aminoácidos gracias a la formación de puentes de hidrógeno. Las conformaciones resultantes pueden ser la estructura en hélice alfa o lámina plegada beta.
  • Estructura terciaria: determinada por la disposición tridimensional de todos los átomos que componen la proteína. Las fuerzas que estabilizan la estructura terciaria son los puentes disulfuro, los puentes de hidrógeno, las fuerzas de Van der Waals, y las interacciones hidrófobas e iónicas. En base a la estructura terciaria se diferencian proteínas fibrosas y proteínas globulares.
  • Estructura cuaternaria: determinada por la unión de varias cadenas polipeptídicas.

 

Desnaturalización de las proteínas

La desnaturalización de una proteína es la pérdida de su estructura tridimensional característica cuando se somete a condiciones ambientales desfavorables (cambios de temperatura, de pH o de salinidad). Como consecuencia se anula su funcionalidad biológica. La desnaturalización puede ser reversible (renaturalización) o irreversible.

¿Se puede deshervir un huevo cocido?

 

Funciones de las proteínas

  • Función estructural: forman estructuras como la queratina (uñas y pelo). También pueden soportar tensión de forma intermitente, como la elastina de la piel.
  • Movimiento y contracción: la actina y la miosina forman estructuras que producen movimiento.
  • Transporte: algunas proteínas tienen la capacidad de transportar sustancias, como la hemoglobina (oxígeno) o las lipoproteínas (colesterol).
  • Función defensiva: los anticuerpos son proteínas producidas por linfocitos B, e implicados en la defensa del organismo.

  • Función hormonal: algunas proteínas, como la insulina, funcionan como mensajeros de señales hormonales, generando una respuesta en los órganos blanco.

  • Función enzimática: las enzimas son un tipo de proteínas que funcionan como biocatalizadores, acelerando las reacciones metabólicas.

 

 

7. LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

  • Biomoléculas orgánicas constituidas por C, H, O, N y P.
  • Son polímeros formados por la unión de un gran número de monómeros denominados nucleótidos.

Los nucleótidos:

Los nucleótidos son compuestos orgánicos formados por la unión de tres elementos:

  • Una pentosa: puede ser ribosa o desoxirribosa.
  • Una base nitrogenada: que puede ser adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) o uracilo (U).
  • Un grupo fosfato.

Formación de nucleótidos de adenina

La unión de nucleótidos mediante enlace nucleotídico forma polinucleótidos (dinucleótido, trinucleótido, etc.)

Hay dos tipos de ácidos nucleicos: el ADN o ácido desocirribonucleico, y el ARN, o ácido ribonucleico.

 

A. Ácido desoxirribonucleico (ADN)

El ADN es un polímero de desoxirribonucleótidos de A, G, C y T, unidos mediante enlace nucleotídico.

Formación del enlace entre nucleótidos

¿Dónde aparece el ADN?

  • En células eucariotas como ADN nuclear (núcleo), ADN mitocondrial (mitocondrias) y ADN plastidial (cloroplastos).
  • En células procariotas formando el nucleoide.
  • En virus.

Niveles estructurales del ADN:

  • Estructura primaria: determinada por la secuencia de nucleótidos de una cadena. La secuencia de bases constituye el mensaje genético.
  • Estructura secundaria: fue propuesta por Watson y Crick (a partir de los experimentos de Rosalind Franklin y Wilkins), y la denominaron modelo de la doble hélice. Las cadenas de la doble hélice son antiparalelas y complementarias, con las bases nitrogenadas enfrentadas y unidas mediante puentes de hidrógeno. Rosalind Franklin: la fotografía que probó la estructura del ADN 
  • Estructura terciaria: el ADN es una molécula muy larga en algunas especies y, sin embargo, en las células eucariotas se encuentra alojado dentro del minúsculo núcleo. Cuando el ADN se une a proteínas básicas, la estructura se compacta mucho. El conjunto de la estructura se denomina fibra de cromatina y tiene un aspecto de collar de perlas.
  • Estructura cuaternaria: la fibra de cromatina se empaqueta aún más y cuando la célula entra en división alcanza el máximo grado de compactación, formando los cromosomas.

Función del ADN:

El ADN alberga la información genética y dirige la síntesis de proteínas. Además se autoduplica asegurando la transmisión de la información genética a la descendencia.

 

B. Ácido ribonucleico (ARN)

El ARN es un polímero de ribonucleótidos de A, G, C y U, unidos mediante enlace nucleotídico.

Existen diferentes tipos de ARN: el ARN mensajero (ARNm), el ARN ribosómico (ARNr) y el ARN de transferencia (ARNt).

  • ARNm: ARN lineal, que copia y lleva la información contenida en el ADN a los ribosomas para sintetizar las proteínas.
  • ARNr: el ARN ribosómico, o ribosomal, unido a proteínas de carácter básico, forma los ribosomas. Los ribosomas son las estructuras celulares donde se ensamblan aminoácidos para formar proteínas, a partir de la información que transmite el ARNm.
  • ARNt: capta y transporta los aminoácidos a los ribosomas para sintetizar las proteínas en base a la información contenida en el ARNm.

 

8. DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR

El dogma central de la biología molecular dice que el ADN se replica para dejar copias de la información genética, se transcribe a ARN para que la información pueda ser utilizada y pueda salir del núcleo eucariota, y se traduce a aminoácidos para que se pueda sintetizar una proteína funcional.

 

Actividades del Tema 1