BASE MOLECULAR DE LA VIDA (I).

1.BIOELEMENTOS, BIOMOLÉCULAS, AGUA Y SALES MINERALES.     

1.1 AGUA:

Es llamada líquido de la vida, y tiene varias propiedades, todas se deben a su estructura molecular.

⦁ H2O. Está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Esto implica que el agua es una molécula neutra pero polar, con distribución asimétrica de los electrones. La molécula de agua es un dipolo.

⦁Polaridad: permite la interacción de la molécula de agua con otras moléculas polares o cargadas eléctricamente, así como entre las propias moléculas de agua, formando enlaces por puentes de H.

⦁Enlaces de H: son muy débiles e inestables, pero al ser muy abundantes, hacen que el agua tenga una estructura reticular muy estable, lo que le da sus propiedades.

⦁Propiedades y funciones biológicas del agua:

-Acción disolvente: gracias a los puentes de H. Se distinguen por una parte sustancias hidrofílicas, se disuelven, son polares (azúcares).Sustancias hidrofóbicas, no se disuelven por no ser polares(lípidos), y sustancias anfipáticas se disuelven en medios acuosos y orgánicos ya que cuentan con ambas regiones: polares y apolares (ácidos grasos).Además, el H2O puede producir tres tipos de disoluciones diferentes: moleculares: los solutos son moléculas orgánicas pequeñas, polares o con carga. Iónicas: los solutos son electrolitos. Coloidales: los solutos son macromoléculas (dispersiones coloidales: citosol y nucleoplasma)

Funciones biológicas: metabolismo, medio donde se dan la mayoría de las reacciones químicas y transporte de nutrientes y desechos.

-Elevada fuerza de cohesión: la fuerza de cohesión es la que mantiene a las moléculas de agua unidas entre sí por los puentes de H, lo que hace que el agua sea incompresible.

-Elevada fuerza de adhesión: la fuerza de adhesión es la que permite que las moléculas de agua puedan adherirse a otras moléculas, mediante puentes de H. Funciones: capilaridad, encargada del transporte la savia bruta en vegetales.

-Gran calor específico: el agua posee la capacidad de almacenar gran cantidad de energía sin aumentar de temperatura, debido a que hay que romper puentes de H. Así como, al enfriarse libera mucha energía sin disminuir la temperatura. Funciones: tampón térmico y homeotermia.
-Elevado calor latente de evaporación: al evaporarse, el agua absorbe mucha energía, la cual utiliza para romper puentes de H y pasar a estado gaseoso.

-Menor densidad del hielo: el agua presenta una máxima densidad a los 4 ºC. El hielo en estado sólido es menos denso provocando que este flote en el agua líquida.

-Otras funciones son la fotosíntesis y la hidrólisis.

1.2 LAS SALES MINERALES:

Compuestos inorgánicos en los seres vivos que pueden aparecer de forma precipitada como sales insolubles, las cuales no se disuelven en agua, precipitan y forman estructuras sólidas, por lo que suelen tener función estructural y actúan como protección y sostén:

-Caparazones de moluscos y crustáceos, formado por carbonato cálcico.

-Esqueleto interno de vertebrados (huesos).

-Paredes vegetales de plantas: sílice en las hojas de gramíneas y "pelos" urticantes de ortigas.

-Acumulaciones en células vegetales: oxalato cálcico. Son desechos vegetales  que pueden provocar cálculos renales y biliares.

-Otolitos: cristales de carbonato cálcico en el oído de vertebrados para el equilibrio.

-Magnetita: en aves, tortugas, delfines y abejas entre otros, para la orientación.

También podemos encontrar las sales minerales en solución, sales solubles. Estas se disuelven en agua y aparecen disociadas en iones, llamados electrolitos. Realizan numerosas funciones:

-Funciones catalíticas en conjunción con otras moléculas son cofactores enzimáticos. El ión ferroso/férrico (Fe2+/Fe3+) en el grupo hemo de la hemoglobina. El ión (Mg2+) en las clorofilas y el (Ca2+) para contracción muscular y coagulación sanguínea.

-Funciones osmóticas, que permiten el paso del agua a través de membranas celulares, participando en gradientes electroquímicos, potenciales de membrana y transmisión de impulsos nerviosos.

-Función tamponadora: mantienen el pH.

-Nutrientes: los organismos autótrofos utilizan las sales para la síntesis de compuestos orgánicos.

1.3 GASES:

Algunos gases de la atmósfera o del agua son fundamentales para los seres vivos.

ÓSMOSIS Y PRESIÓN OSMÓTICA:

La ósmosis es el paso de agua a través de una membrana semipermeable, la cual permite el paso del agua pero no el soluto. Presión osmótica sería la presión necesaria para impedir dicho flujo.

Las células han de estar en equilibrio osmótico con el medio, lo que clasifica las siguientes disoluciones: las que presentan una misma concentración de solutos,  denominadas isotónicas, y las que son más concentradas que otras, hipertónicas, así como la inversa, hipotónicas.

Esto varia según sean células vegetales o animales, ya que estas últimas se encuentran en un medio hipotónico con respecto al exterior, por lo que las células se hinchan debido al paso del agua, turgencia, pudiendo llegar al punto de estallar, conocido como lisis celular. Mientras que en un medio hipertónico sale agua, provocando la deshidratación de la célula.

Así, como en las células vegetales. Pero estas impiden la lisis por la pared vegetal, y en un medio hipertónico, la membrana se separa de la pared, plasmólisis, llegando también a la deshidratación.

DIFUSIÓN Y DIÁLISIS:

Las disoluciones pueden dar lugar a otros procesos:

-Difusión: tiene lugar cuando dos disoluciones de diferente concentración están separadas por una membrana permeable, dejando pasar tanto el agua como los solutos, o sin membrana.

-Diálisis: esta técnica permite separar solutos de pequeño tamaño de una disolución, empleando membranas con poros de tamaño determinado.

2.GLÚCIDOS.    

Considerando como tales a los polihidroxialdehídos y polihidroxicetonas, sus derivados simples y los productos que forman entre sí o con otros mediante enlaces. Estos se clasifican en:

2.1 OSAS O MONOSACÁRIDOS:

Son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas de 3 a 9 átomos de C. Se nombran con el prefijo aldo- o (ceto-)+ número de C + -osa. Muchos tienen nombres comunes como la glucosa.

La representación más sencilla se denomina proyección de Fisher, que es plana y el  carbonilo se sitúa en la parte superior, el alcohol primario en la inferior, y los grupos –OH e –H a derecha o izquierda.

DERIVADOS DE LOS MONOSACÁRIDOS:

No se ajustan a la fórmula general, ya que presentan otros grupos funcionales.

-Desoxiazúcares: tienen algún oxígeno menos. Desoxirribosa derivado de la ribosa y  fucosa derivado de la galactosa. Forma parte de glucoproteínas y glucolípidos.

-Aminoazúcares: sustitución en hexosas del hidroxilo de C2 por un grupo amino (-NH2). Destacan: la glucosamina y la N-acetil-glucosamina, conocido como quitina.

-Ácidos urónicos: proceden de la oxidación del alcohol primario de una hexosa a grupo ácido (-COOH), algunos de estos son el ácido glucurónico y galacturónico.

PROPIEDADES DE LOS MONOSACÁRIDOS:

-Propiedades físicas: sólidos, dulces, blancos, solubles, cristalinos, con isomería espacial y óptica.

-Propiedades químicas: el grupo carbonilo, aldehído o cetona, les da carácter reductor. Además, les permite enlaces hemiacetálicos internos, enlaces glucosídicos con otras moléculas (polisacáridos) y enlaces éster.

TRIOSAS:

 Son los monosacáridos más sencillos, con 3 átomos de C. Existe sólo una cetotriosa, la dihidroxiacetona  y una aldotriosa, el gliceraldehído. Sin embargo, el gliceraldehído presenta un carbono asimétrico, es decir, con sus 4 valencias saturadas con radicales diferentes, debido a ello presenta isomería espacial o estereoisomería y óptica. Los isómeros son moléculas con la misma composición y estructura pero con diferentes propiedades. Existen muchos tipos de isomerías, las más importantes son:

-Isomería espacial o estereoisomería: por cada C asimétrico existen 2 disposiciones espaciales no superponibles, imágenes especulares. Por ello al carbono asimétrico se le llama también átomo o centro quiral.

Los isómeros que son imágenes especulares no superponibles se denominan enantiómeros. Para nombrarlos se utiliza D, si el C asimétrico se encuentra a la derecha, y L, si se encuentra a la izquierda.
-Isomería óptica: el carbono asimétrico proporciona otra propiedad a los azúcares, la de desviar la luz polarizada. Si la luz se desvía a la derecha, el azúcar es dextrógiro o (+),pero si la desvía a la izquierda es levógiro o (-).

TETROSAS:
Monosacáridos con 4 C. Hay dos aldotetrosas: eritrosa y treosa y una cetotetrosa, la eritrulosa. La eritrulosa sólo tiene un C asimétrico y, por tanto, 2 enantiómeros (D y L). Sin embargo, las aldosas tienen 2 C asimétricos y 4 isómeros.

El resto de estereoisómeros se diferencian por la posición del –OH en otros C asimétricos. Estos isómeros se denominan diasteroisómeros. Si la diferencia sólo se produce en un C asimétrico se llaman epímeros.

PENTOSAS:

Monosacáridos con 5 C. Las aldopentosas tienen 3 C asimétricos y, por tanto, 8 estereoisómeros, 4 D y 4 L. Las cetopentosas 2 C asimétricos y 4 estereoisómeros.

Las pentosas no se hallan libres en la naturaleza, sino formando polisacáridos y otros compuestos. Destaca la ribosa y su derivado, la desoxirribosa, la arabinosa y la xilosa. Entre las cetopentosas destaca la ribulosa y la xilulosa.

HEXOSAS:
Osas de 6 C. Aldohexosas con 4 C asimétricos,16 estereoisómeros, 8 D y 8 L. Las cetohexosas tienen 3 C asimétricos, 8 estereoisómeros, 4 D y 4 L.

⦁ Ciclación mediante proyección de Fisher:

Las hexosas (y las aldopentosas) en disolución no presentan estructura lineal, sino ciclada. La ciclación se produce entre el C1 o C2 , con el grupo hidroxilo del penúltimo carbono de la molécula. Se forma así un enlace hemiacetálico interno, un puente de oxígeno intramolecular entre ambos carbonos y el C1 o C2 se convierte en un carbono anomérico, que lleva un grupo hidroxilo llamado –OH hemiacetálico, el cual mantiene el carácter reductor del monosacárido.

⦁ Ciclación mediante proyección de Haworth:

Permite que todos los enlaces tengan longitudes similares y permite ver los anillos en perspectiva, en esta se aprecia que el carbono anomérico da lugar a dos nuevos estereoisómeros, llamados anómeros, los cuales dependen de la posición del -OH (hacia abajo anómero α y  hacia arriba, anómero β).

⦁ Hexosas de interés biológico

-Glucosa: es una aldosa y dextrosa (+). Abundante en vegetales, producto inicial de la fotosíntesis. En plantas puede hallarse libre o polimerizada, bien como reserva o estructural. Es el principal combustible celular. En animales se halla libre ,en la sangre o glucemia, o polimerizada, glucógeno en hígado y músculo estriado.

- Galactosa: aldosa. No suele aparecer libre, sino como parte del disacárido lactosa. Se halla en la leche, en polisacáridos complejos,así como en glucolípidos y glucoproteínas.

-Manosa: aldosa. Libre en la corteza de algunos vegetales o formando parte de polisacáridos de bacterias, algas, hongos y algunos vegetales.

-Fructosa: cetohexosa. Llamada también levulosa (-). Libre en frutas, miel y semen. Forma el disacárido sacarosa y ciertos polisacáridos.

2.2 ÓSIDOS. OLIGOSACÁRIDOS: DISACÁRIDOS:

Moléculas de 2 a 10 monosacáridos. Los más importantes son los disacáridos(unión de 2 monosacáridos)unidos por enlace O-glucosídico, el cual  puede ser dicarbonílico (se forma entre el –OH hemiacetálico de ambos monosacáridos) o monocarbonílico (entre el -OH hemiacetálico y otro –OH).

Los principales disacáridos son:

-Lactosa: azúcar de la leche. Unión del C1 de la β-D-galactosa con el C4 de la β-D-glucosa, dando β-D-galactosa (1,4) β-D-glucosa. Es un enlace monocarbonílico, sólo interviene un –OH hemiacetálico. El otro queda libre y, por tanto, tiene carácter reductor.

-Sacarosa: sucrosa, azúcar de caña o de remolacha. Unión del C1 de la α-D-glucosa y el C2 de la β-D-fructosa, dando α-D-glucosa (1,2) β-D-fructosa. Es un enlace dicarbonílico, no reductor.

-Celobiosa: procede de la hidrólisis de la celulosa, formada por dos β-D-glucosa (1,4). Una glucosa está invertida respecto a la otra, lo que hace difícil hidrolizar el enlace.

-Maltosa: obtenida por hidrólisis del almidón. Formada por dos α-D-glucosa (1,4), fácil de hidrolizar.
-Isomaltosa: por hidrólisis de los puntos de ramificación de almidón y glucógeno. Similar a la maltosa, pero con enlaces α (1,6).

2.3 ÓSIDOS. POLISACÁRIDOS:

Son macromoléculas de monosacáridos o sus derivados, unidos por enlaces O-glucosídicos. Tienen funciones de reserva energética, estructural y reguladora. Por su enorme tamaño son prácticamente insolubles, pero sus numerosos grupos hidroxilos les permite retener y absorber agua. No son reductores.

HOMOPOLISACÁRIDOS:

Formados por la repetición de un único monosacárido. Lineales o ramificados. Pueden ser: pentosanas (formadas por xilanas y arabanas) o hexosanas (formadas por celulosa, quitina, almidón y glucógeno).

-Celulosa: polímero lineal de β-D-glucosas unidas por enlaces β (1-4), las cuales establecen puentes de H intracatenarios. Además, se forman puentes de H intercatenarios y como consecuencia, la celulosa tiene una estructura muy densa, lo que la hace muy insoluble, difícil de hidrolizar, casi inerte y resistente. Por ello tiene función estructural.  Se halla en paredes celulares de células vegetales.

-Quitina: polímero de N- acetil-β-D-glucosamina, con enlaces β (1-4). Por ello es también lineal, insoluble y muy resistente. Forma parte de la pared celular de hongos y el exoesqueleto de artrópodos.

-Almidón: polímero ramificado de α-D-glucosa. Principal polisacárido de reserva en vegetales. Al ser insoluble, su almacenamiento en amiloplastos no causa problemas osmóticos. En realidad está formado por dos polímeros diferentes: amilosa, polímero lineal de α-D-glucosas unidas por enlaces α (1-4). Las glucosas unidas forman ángulo entre sí lo que produce una vuelta de hélice, por lo que tiene estructura helicoidal. Amilopectina: polímero ramificado. Posee cadenas helicoidales de α-D-glucosas unidas por enlaces α (1-4), pero con ramificaciones mediante enlaces α (1-6).

-Glucógeno: polímero de α-D-glucosa, ramificado y de reserva en animales. Abunda en hígado y músculo estriado.

HETEROPOLISACÁRIDOS:

Polisacáridos formados por dos o más monosacáridos, o derivados .Los más importantes son:
-Hemicelulosas, pectinas, agar-agar, gomas, mucílagos entre otros. Estructura y defensa en plantas y algas.

-Ácido hialurónico y condroitin.

-Heparina: impide la coagulación de la sangre.

2.4GLUCOCONJUGADOS:

Compuestos formados por una parte glucídica unida a otra lipídica o proteica. Tienen funciones de sostén, pero también de señalización en las membranas celulares.

3.LÍPIDOS:

Son moléculas orgánicas, muy insolubles en agua per o solubles en disolventes orgánicos, además de heterogéneos tanto estructural como funcionalmente.

⦁ Clasificación:               

-Saponificables: presentan enlaces éster, por lo que forman jabones al reaccionar con bases alcalinas. Son los ácidos grasos y sus derivados mediante enlaces éster, acilglicéridos, lípidos de membrana, ceras o mediante otras modificaciones.

-Insaponificables: carecen de enlace éster, por lo que no pueden formar jabones. La mayoría derivan del isopreno, por lo que se llaman en general isoprenoides (terpenos y
esteroides). Otros se forman por oxidación de ácidos grasos.

3.1 ÁCIDOS GRASOS:

Son ácidos orgánicos con un grupo carboxilo unido a una larga cadena alifática, hidrocarbonada, que pueden hallarse libres (plasma, citoplasma), pero suelen estar unidos mediante enlace éster a otras moléculas. Se diferencian entre sí por la longitud de la cadena alifática y por el grado de saturación:

-Ácidos grasos saturados: sin dobles enlaces. Abundantes en grasas animales, manteca de cacao y aceites de palma y coco. Destacan el palmítico (16 C: hexadecanoico) y el esteárico (18 C: octadecanoico).

-Ácidos grasos insaturados: con uno, monoinsaturados, o varios dobles enlaces, poliinsaturados, como el ácido oleico: octadecenoico y ácido linoleico: octadecadienoico.

-Ácidos grasos esenciales: los ácidos poliinsaturados se denominan esenciales porque no se pueden sintetizar y han de tomarse con la dieta. Son precursores de moléculas reguladoras similares a las hormonas.

-Propiedades físicas de los ácidos grasos: son moléculas anfipáticas, con una zona apolar hidrófoba, insoluble en agua (cadena alifática) y otra polar o hidrófila, soluble en agua (grupo carboxilo).

Los saturados forman cadenas extendidas, por lo que se empaquetan fuertemente y presentan interacciones por puentes de H entre los grupos carboxilos y por enlaces de Van der Waals entre las cadenas alifáticas. Debido a estos enlaces, su punto de fusión es alto, por lo que suelen ser sólidos a temperatura ambiente.

Por su parte, los insaturados, tienen curvaturas en sus cadenas, lo que dificulta el empaquetamiento y las interacciones, por lo que su punto de fusión es menor, suelen ser líquidos a temperatura ambiente.
-Propiedades químicas de los ácidos grasos: las insaturaciones facilitan la rotura de las moléculas, formando aldehídos volátiles de sabor y olor a rancio.

Son capaces de formar enlaces éster con alcoholes y otras moléculas. Cuando se hidrolizan con álcali, se forman sales de ácidos grasos, llamadas jabones. Este proceso es la saponificación.

3.2 ACILGLICÉRIDOS

Ésteres de la glicerina o glicerol (que es un trialcohol) con 1 (monoacilglicéridos), 2 (diacilglicéridos) o 3 (triacilglicéridos) ácidos grasos.

⦁ Triacilglicéridos, triglicéridos o grasas: ésteres de la glicerina o glicerol con 3 ácidos grasos saturados o insaturados, iguales ( simples) o diferentes (mixtos).

⦁ Funciones de las grasas:

-Reserva energética en plantas y animales. Aportan más energía que los glúcidos  y requieren menos agua.

-Sirven de almohadilla protectora y aislante térmico. Los animales tienen un tejido especial, el adiposo pardo o marrón, que proporciona calor a los animales hibernantes y mamíferos jóvenes.

⦁ Clasificación de las grasas:

-Sebos: sólidos. Grasa de ovejas, cabras, vacas, entre otros. Ácidos grasos largos y saturados.

-Mantecas: semisólidas. Cerdo, humanos y otros animales. Depende de la alimentación.

-Aceites: líquidas. Tienen ácidos grasos insaturados que pueden ser  de cadena corta.

3.3 CERAS:

Son mezclas complejas de lípidos apolares, formados por la unión de un ácido graso y un alcohol de cadena larga. Debido a su tamaño, son moléculas muy apolares, sólidas e hidrófobas, por lo que tiene función protectora y estructural. Se hallan en:

-Glándulas sebáceas de vertebrados: secretan ceras que impermeabilizan y protegen piel, pelo y plumas.

-Cutícula de invertebrados: su exoesqueleto contiene ceras impermeabilizantes.

-Hojas, frutos y tallos jóvenes: llevan un recubrimiento céreo contra la sequedad y los parásitos.

-Cera de abeja: para panales.

-Lanolina: grasa de la lana de ovejas.

-Espermaceti: producido por los cachalotes para su flotabilidad.

3.4 LÍPIDOS COMPLEJOS O DE MEMBRANA:

Formados por sustancias lipídicas (ácidos grasos) y no lipídicas (alcoholes, glúcidos, etc).Son moléculas anfipáticas, con una región apolar o hidrófoba y una zona polar o hidrófila. Hay dos tipos:
glicerolípidos (con glicerina) y esfingolípidos (con esfingosina).

GLICEROLÍPIDOS:

Molécula de glicerina unida por enlace éster a dos ácidos grasos y a otra molécula que puede ser un monosacárido o el ácido ortofosfórico.

⦁ Gliceroglucolípidos:

El tercer alcohol de la glicerina se une, mediante O-glucosídico, a un monosacárido. Se encuentran en membranas de bacterias y células vegetales.

⦁ Glicerofosfolípidos o fosfolípidos:

El tercer –OH de la glicerina se esterifica con una molécula de ácido ortofosfórico que, a su vez, forma enlace éster con un –OH de un derivado aminado o de un polialcohol.
Propiedades de los glicerofosfolípidos:

Aunque los fosfolípidos son insolubles en agua, su carácter anfipático les permite formar agregados en el agua.

-Micelas: son gotas lipídicas con los grupos polares hacia afuera, en contacto con el agua: emulsiones.

-Monocapas: se extienden sobre la superficie del agua, con las regiones polares en contacto con el agua.

-Bicapas: equivalentes a dos monocapas unidas por sus regiones hidrófobas, empaquetadas y protegidas. Las bicapas suelen plegarse sobre sí mismas, formando liposomas, vesículas huecas llenas de agua.

ESFINGOLÍPIDOS:

Son derivados de la ceramida (ácido graso + esfingosina) mediante enlace amida. Se clasifican en:

⦁ Esfingoglucolípidos: ceramida + monosacárido, mediante enlace O-glucosídico
.
-Cerebrósidos: simples, con glucosa o galactosa.

-Gangliósidos: complejos, con cadenas ramificadas de oligosacáridos.

⦁ Esfingofosfolípidos: ceramida + ácido ortofosfórico + etanolamina o colina mediante sendos enlaces éster.

3.5 TERPENOS O ISOPRENOIDES:

Lípidos insaponificables derivados del isopreno. Se clasifican en:

-Monoterpenos: unión de 2 isoprenos. Esencias vegetales.

-Diterpenos: unión de 4 isoprenoides. Precursores del colesterol.

-Tetraterpenos: 8 isoprenos. Pigmentos fotosintéticos carotenoides.

-Politerpenos: miles de isoprenos.

3.6 ESTEROIDES:

Derivados del ciclopentanoperhidrofenantreno o gonano. Entre los principales están:

⦁ Sales biliares: anfipáticas, con propiedades detergentes: emulsionan las grasas y facilitan su digestión y absorción.

⦁ Esteroles: con un alcohol en el C3 y una cadena alifática en el 17, así como un doble enlace en el anillo B. Los más importantes son el grupo vitamina D y el colesterol.

⦁ Hormonas esteroides: corteza suprarrenal, hormonas sexuales, ecdisonas.

3.7 EICOSANOIDES:

Son moléculas lipídicas derivadas de la oxidación de ácidos grasos esenciales. Todos tienen 20 C. Actúan como mediadores en el sistema nervioso, el sistema inmune y la respuesta inflamatoria. Se clasifican en prostaglandinas, tromboxanos, leucotrienos y otros derivados.

Fuentes: BIOGEO