Composición química de los seres vivos

NUTRICIÓN: Intercambio de energía y materia que un ser vivo realiza con su entorno.

RELACIÓN: Pone al individuo en contacto con su medio mediante una doble capacidad: para captar los cambios (estímulos) que se producen en el medio y responder adecuadamente frente a esos cambios.

REPRODUCCIÓN: Es la capacidad de generar otros individuos de las mismas características.

La biología es una ciencia de enorme amplitud. Son muchos los sujetos diferentes, objeto de su estudio. Para facilitar este estudio es frecuente organizar a los citados objetos en niveles más importantes de menor a mayor complejidad:

• BIOELEMENTOS:

Elementos químicos de la tabla periódica que se encuentran en la materia prima. Parecen ser más de una treintena y se clasifican como hemos visto en el esquema anterior. La mayor parte de ellos son de una gran importancia hasta el punto de que su falta es en muchos casos motivo de muerte. De entre todos ellos destaca el carbono.

IDONEIDAD DEL CARBONO

El carbono es sin duda el bioelemento fundamental en la materia prima, que se estructura entorno a él. Este echo se debe a las propiedades que presenta y buena parte de ellos derivan de su posición en la tabla periódica (drch, grupo 4, 1º elemento):

La mayor parte de los bioelementos resultan indispensables para la vida, solo hemos citado características del carbono pero son muchos los bioelementos que presentan propiedades que les permiten desempañar funciones de enorme importancia en los seres vivos.

• BIOMOLECULAS:

• INORGÁNICAS: suelen ser moléculas simples, sencillas, pobres en energía y cuya estructura no se fundamenta normalmente en el Carbono.

AGUA

El primer dato que llama la atención sobre el agua es la elevada proporción en que se haya presente en los seres vivos. En el del ser humano, según la edad, entre un 60 y un 70% el peso del individuo es agua. Este no es un hecho casual sino que se debe a que el agua presenta unas propiedades físico-químicas que la convierten en el medio idóneo para el desarrollo del fenómeno vital.

Composición: el agua está constituida por un átomo de osígeno que se une por medio de sendos enlades covalentes (aquellos en los que se comparten electrones) con dos átomos de hidrógeno.

Estructura: el oxígeno se une al hidrógeno de la siguiente forma:

Esta distribución es la que hace posible las distintas propiedades del agua y consecuentemente el desarrollo de muchas funciones.

Propiedades y funciones:

• Propiedad fundamental (POLARIDAD): El carácter electronegativo del oxigeno hace posible que los electrones que comparten con los hidrógenos se situen más cerca de él que de dichos hidrógenos. Esta distribución desigual de electrones conlleva una distribución así mismo desigual de las cargas electricas de la molécula. Concretamente da lugar a dos polos: uno negativo en la zona del oxigeno y otro positivo en la región donde se encuentran los hidrogenos. Esta propiedad se conoce como polaridad y es sin duda una propiedad clave ya que determina otras muchas propiedades del agua.

• Consecuencia inmediata de la polaridad: La polaridad hace que unas moléculas de agua se unan a otras haciendo que el agua adquiera una estructura molecular arracimada que se conoce como reticular (red) en la que las moléculas se presentan en grupos de 10 ó 12 unidas entre sí por sus polos opuestos mediante unas fuerzas débiles que se conocen como “puentes de hidrógeno2.

• Otras propiedades y funciones corespondientes:

• Elevado calor específico.

El calor específico se define como la cantidad de calor necesaria para que un gramo de sustancia eleve un grado su temperatura. El calor de vaporización es el que se necesita para que esa sustancia pase de estado líquido a gaseoso. Ambos parámetros en el caso del agua son muy elevados; ellos se debe a que el agua es polar y por ello emplea buena parte del calor que recibe en romper los “puentes de hidrógeno” para separar las moléculas de agua. Porque el agua posee un elevado calor especifico puede actuar como un termorregulador y debido a su elevado calor de vaporización se mantiene en estado líquido en condiciones normales, lo cual es indispensable para el desarrollo de la vida.

• Capacidad de unión con otros grupos y/o iónicos Acción disolvente

Cuando un compuesto iónico o polar entra en contacto con el agua, hace que las moléculas de esta orienten sus polos entorno a los citados grupos iónicos o polares, esto permite la acción disolvente del agua, es decir, la desorganización de la estructura del referido compuesto iónico o polar.

• Elevada tensión superficial Elasticidad

En general permite que el agua proporcione elasticidad a los seres vivos o hace posibles las grandes deformaciones de la siperficie celular.

Esta propiedad se debe a la gran cohexión que se produce entre las moléculas de agua debido a su unión mediante pueste de hidrogeno.

SALES MINERALES

Se trata de compuesto iónicos presentes en todos los seres vivos en una proporción que sufre pocos cambios (oscilaciones). Podemos encontrarnos:

• Precipitadas: formando parte de estructuras solidas (huesos, caparazones, dientes,...)

• Disueltas: disociadas en sus respectivos iones: aniones (PO3-4, PO4H2-, PO4H-, CO32-, CO3H-, Cl-); cationes (Na+, Ca+, K+, Mg2+,...)

Funciones de las sales minerales:

• Precipitadas: entre otras funciones realiza la función esqueletica o de sostén, la protectora, la defensiva,...

• Disueltas:

• Regulan el paso de agua a través de membranas celulares en el sentido correcto a través de fenómenos osmóticos.

• Regulan el equilibrio de ácido base (PH) en el medio orgánico actuando como sistemas amortiguadores o tampones (Buffer).

• Algunos iones normalmente cationes desempeñan funciones importantes como tales cationes, es decri, sin necesidad de la presencia del anión correspondiente. Ejemplo: es indispensable el ión Ca2+ para que tenga lugar la coagulacion de la sangre. Los iones Na2+, K+ son los responsables de la tranmisión del impulso nervioso.

• ORGANICAS: complejas, ricas en energía, y su estructura se fundamenta en el carbono.

GLÚCIDOS

Es este un termino que agrupa a gran cantidad de sustancias que se definen como azúcares sencillos no hidrolizables y otro scompuestos más complejos que por hidrólisis dan dos o más azúcares sencillos no hidrolizables.

Suelen ser llamados también hidratos de carbono debido a que la formula general de muchos de ellos responde a la siguiente: (CH2O)n

Aunque químicamente no sean carbono hidratado, de todas formas es un nombre que se acepta comunmente.

Igualmente ocurre con la denotación de azucares, ya que sólo los glúcidos de pequeño tamaño presenta el sabor dulce que exige este nombre.

CLASIFICACIÓN:

• Osas: azúcares sencillos no hidrolizables

• Aldosas: grupo aldehido (aldo...)

• Cetosas: grupo cetona (ceto...)

• Osidos: glúcidos complejos que por hidrólisis dan 2 ó mas azúcares sencillos no hidrolizables.

• Holosidos: Osido complejo constituido por monosacaridos.

• Oligosacaridos (Disacáridos): formados por pocos monosacaridos (2-10)

• Polisacaridos: formado por muchos monosacaridos (+10)

• Homopolisacaridos: de un único tipo

• Heteropolisacaridos: de 2 ó mas tipos

• Heterosidos(Aglicón): contienen ademas de glucidos otros componentes que no son glúcidos sino aglicón.

FUNCIONES GENERALES DE LOS GLÚCIDOS

En este grupo del que continuamente se describen funciones nuevas en las que participan; de entre todos ellos destacamos fundamentalmente dos:

1) Se puede afirmar que los glúcidos constituyen el combustible que habitualmente utilizamos los seres vivos para obtener la energía que necesitamos. Son quemados en nuestras células liberando la energía que contienen.

2) Habría que destacar también la función estructural. Hay glúcidos, como por ejemplo la celulosa, que son el componente fundamental de los vegetalers. Otros (oligosacaridos) se encuentran en la cara esterna de la membrana.

• OSAS O MONOSACÁRIDOS

Son los azúcares sencillos no hidrolizables. Están formados por carbono, hidrógeno y oxigeno en la siguiente proporción (CH2O)n, quimicamente son polialcoholes que presentan un grupo aldehido o un grupo cetona, es decir, se trata de cadenas carbonadas que presentan un grupo alcohol (OH) o hidroxilo en cada carbono, excepto en uno de ellos en el que presenta un grupo aldehido (siempre en el primer carbono) o un grupo cetónico (siempre en el segundo carbono). Los monosacaridos son, por tanto, polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas, los primeros se conocen como ALDOSAS y los segundos como CETOSAS. Tanto aldosas como cetosas presentan entre 3 y 7 carbonos y según el numero de carbonos reciben el nombre de: triosas, tetrosas, pentosas, hexosas y heptosas.

PROPIEDADES DE LOS MONOSACARIDOS.

Sustancias blancas, solubles, cristalizables, dulces y con gran poder reductor (se oxidan fácilmente reduciendo a otros compuestos), pueden presentar un elevado numero de isomeros, debido a que normalmente presentan uno o más carbonos asimétricos(con sus cuatro valencias unidas a radicales difrentes).

FORMAS DE PRESENTACIÓN DE LOS MONOSACÁRIDOS

A) Formas lineales:

Fueron propuestas por Fisher hace algo más de un siglo. Los monosacáridos se presentan como cadenas carbonadas lineales dispuestas verticalmente; como ya sabemos en cada carbono se presenta un radical alcohol (OH) excepto en uno de ellos donde aparece bien un radical aldehido en las aldosas (siempre en el primer carbono) o un radical cetónico si se trata de cetosas (segundo carbono).

B) Formas cíclicas:

Se conocen también como formas en perspectiva de Haworth. Cuando un monosacarido se encuentra en disolución actúa como si tuviese un carbono asimétrico más de los que muestra su forma lineal, ello se debe a que el monosacarido se cicla tomando aspecto bien de pentágono (forma furano) o de hexáno (forma pirano), concretamente se establece un puente de oxígeno entre dos carbonos de la misma molécula, uno de ellos es siempre el portador del radical carbonilo(aldehido o cetosa); el otro es el carbono situado tres lugares más abajo (forma furano) o cuatro (forma pirano). Una vez ciclado el carbono que portaba el grupo carbonilo se trasforma en un carbono asimétrico cuando antes no lo era.

CICLACIÓN DE UN MONOSACARIDO

• La formula lineal se dispone en linea quebrada esbozando ya la figura geométrica (pentágono o hexágono) que vaya a dar lugar como resultado la ciclación. En nuestro ejemplo un hexágono (forma pirada):

• Los radicales de la forma lineal (carbonos asimétricos) se colocan en la forma ciclicas siguiendo la norma: izquierda arriba, derecha abajo.

• Se localizan los carbonos que intervienen en el puente de oxigeno (ver teoría de formas cilcadas)

• Giro

• Se establece el puente de oxigeno redistribuyendo los radicales. Si en el carbono señalado se intercambia los radicales pueden llamarse

 

FORMAS ALFA Y BETA

Al ciclar un monosacarido el carbono que portaba el grupo carbonilo se transfoma en un nuevo carbono asimétrico, desde ese momento no es indiferente la posición en la que se sitúen sus radicales H y OH ya que resaltan compuestos diferentes. Existe el acuerdo de llamar forma alfa () aquella que presenta el OH de dicho carbono abajo y beta () a la que lo muestra arriba.

FORMAS D Y L

Un monosacarido en su forma lineal se considera de la serie “D” cuando el OH de su penultimo carbono se encuentra a la derecha, considerandose de la serie “L” cuando esta situado a la izquierda. Delante del nombre de un monosacarido siempre se suele indicar si es “L” o “D”.

Las formas “D” y “L” de un mismo compuesto son como imágenes espectaculares entres si y se denominan ENANTIOMORFAS.

En la naturaleza abundan sobre todo las formas “D”.

MONOSACARIDOS DE ESPECIAL INTERÉS BIOLÓGICO

El número de monosacaridos de gran importancia para la vida es muy numeroso, nosotros señalamos de entre ellos a los seguientes:




GLUCOSA




Es el glúcido más importante que encontramos en los seres vivos porque es el combustible que habitualmente utilizamos para obtener la energía que necesitamos. Se trata de una aldosa que además es el constituyente por escelencia de los monosacaridos.

Se encuentra en los frutos y en gran parte de los glúcidos complejos.







FRUCTOSA




Es una cetosa de seis carbonos también se encuentra en los frutos y en la miel, el organismo puede convertirlo en glucosa y junto con ésta forma el disacarido sacarosa, que es el azúcar comercial.







GALACTOSA

Aldosa de seis carbonos, junto a la glucosa forma el disacarido lactosa que es el glúcido presente en la leche y sus derivados.







RIBOSA Y DESOXIRRIBOSA

Se trata de dos aldosas de cinco carbonos. Su importancia se debe a que forman parte de las moléculas orgánicas más importantes que se pueden encontrar en un ser vivo son los ácidos nucleicos. La ribosa está presente en el ARN y la desoxirribosa en el ADN.




La desoxirribosa forma parte de un tipo de monosacaridos que algunos autores denominan azúcares anormales debido a que no cumplen la formula general de los monosacaridos (CH2O)n concretamente la desoxirribosa seria un desoxiazucar. Aquí también se incluirían aminoazucares, algunos ácidos orgánicos derivados de monosacaridos como el ácido glucoronico,...








EPÍMEROS

Dos monosacáridos se denominan epímeros cuando solo se diferencian en la posición de los radicales de uno de sus carbonos, siendo el resto de ambas moléculas identicos. Los epímeros son isómeros entre sí.

• OSIDOS

ENLACE O - GLUCOSIDICO

Es el que une glucidos entre sí para dar osidos. Características:

• Se establece entre dos grupos (OH) uno de cada monosacárido, el primer monosacarido que interviene en el enlace aporta siempre el OH del carbono que en la forma lineal llevaba el grupo carbonilo (aldehido o cetona) el segundo monosacarido puede aportar el OH de cualquiera de sus carbonos.

• En cada enlace o-glucosidico se desprende una molecula de agua quedando los monosacaridos unidos por un puente de oxígeno.

• El enlace es rebersible por hidrólisis. En los seres vivos esa hidrólisis la realizan enzimas específicas.

Según el número de monosacaridos que se unan entre sí mediante este enlace, tendremos disacaridos (2), trisacaridos (3),.... oligosacaridos (pocos), polisacaridos (+10)

Entre los oligosacaridos nosotros solo estudiamos vrebemente los disacaridos.

PROPIEDADES DE LOS POLISACARIDOS

En general conservan las mismas propiedades que los monosacaridos, aunque algunas de ellos pierden su podeerr reductor.

DISCARIDOS DE ESPECIAL INTERES BIOLÓGICO

SACAROSA: constituida por glucosa y fructosa; se localiza en los frutos en general y sobre todo en la caña de azúcar y remolacha. Es el azúcar comercial.

LACTOSA: constituido por galactosa y glucosa; se localiza en la leche y derivados y es importante porque son productos de primera necesidad.

MALTOSA: constituido por dos moléculas de glucosa; se localiza en un cereal llamado malta. Es importante porque se puede considerarr la unidad repetitiva de grandes polisacaridos como el almidón y el glucogeno.

POLISACARIDOS

Se trata de glúcidos complejjos constituidos por muchos monosacáridos unifos entre si mediante enlace o-glucosaidico. Estudiamos solo algunos homopolisacaridos.

Algunas propiedades de los monosacaridos como por ejemplo el sabor dulce o en algunos casos la solubilidad desaparecen en los polisacaridos.

POLISACARIDOS DE ESPECIAL INTERES BIOLÓGICO

ALMIDÓN: es un polisacárido constituido por glucosa (hasta 15.000 unidades) aunque también se puede decirque su unidad repetitiva es la Maltosa. Se encuentra en vegetales especialmente en semillas y tuberculos; los vegetales utilizan al almidón para almacenar glucosa. Resulta la primcipal fuente de glucosa para el hombre. Su estructura muestra dos partes:

• Amilasa: es una fracción lineal (sin ramificar).

• Amilopectina: es una fraccion ramificada.

En el laboratorio es fácil identificar, mediante un cimpuesto de yodo llamado lugol que lo tiñe de un color azul violeta característico.

GLUCOGENO: es un polisacarido formado por glucogeno (hasta 30.000 unidades) aunque también se puede decir que su unidad repetitiva es la Maltosa. Se encuentra en animales sobre todo en hígado y músculos. Los animales utilizan el glucogeno para almacenar glucosa, es decir, sustancias energética. Es denominado por algunos como almidón animal. En cuanto a su estructura el glucógeno es muy semejante a la amilopectina del almidón dolo que más ramificada.

CELULOSA: polisacáridos constituidos por glucosa. Es la sustancia orgánica más abundante en los seres vivos, concretamente forma la mayor parte de la pared celular que rodea a las celulas vegetales, constituyendo por tanto, parte fundamental del cuerpo de estos. Se dispone de forma coloidal y lineal (sin ramificaciones) y normalmente las moléculas de celulosa se asocian unas a otras formando fibras de gran resistencia y muy dificiles de digerir, este hecho facilita su función claramente estructural.

QUITINA: es otro polisacarido de función estructural. Esta constituido por un derivado de la glucosa que es la glucosamina, concretamente esta formado por N-acetil glucosamina. Forma el exoesqueleto de la maypría de loas artropodos, grupo animal de enorme importancia que incluye a insectos, aracnidos, crustaceos y miriapodos.

LÍPIDOS

Bajo esta denominación se agrupan un gran nuemero de sustancias que comparten una propiedad física común: son insolubles o muy pocosolubles en agua, y se disuelven perfectamente en disolvente orgánicos o apolares (benceno, acetona, cloroformo, eter, gasolina,...)

Son compuestos formados por C, H y O y con frecuencia aparecen también N, P ó S.

ÁCIDOS GRASOS

Se trata de sustancias constituidas por una cadena hidrocarbonada en uno de cuyos extremos se dispone un radical carboxilo o ácido. Normalmente presentan cadena larga y numero par de átomos de carbono.

Se representan como R-COOH, donde R es la cadena hidrocarburada también conocida como alifatica. Pueden ser:

• Saturadas: cuando todos los enlaces que unen sus carbonos entre sí son simples.

• Insaturadas: cuando aparecen enlances dobles.

Muchas de las propiedades de los ácidos grasos dependen de esto último, cada día cobran más importancia los ácidos grasos insaturados ya que muchos de ellos juegan un papel beneficioso para la salud. Algunos de ellos tiene que ser obtenidos a través de la dieta, ya que el ser humano no los sintetiza.

Entre los ácidos grasos saturados encontramos, por ejemplo, el palmitico y esteárico. Entre los insaturados tenemos el Oleico, linoleico, linolenico, el Omega 3,....

En la estructura de un ácido graso encontramos siempre un extremo hidrófilo (donde este el oxígeno) mientras que el resto de la cadena es hidrófoba (que repele el agua).

LIPIDOS SAPONIFICABLES

En su conposición aparecen siempre ácidos grasos. Pueden ser:

• Simples:

• Triacilgliceridos, triacilgliceroles o grasos: se forman a partir de la unión, por medio de enlace ester, de una molécula de glicerina (glicerol o propanotriol) y tres ácidos grasos:

El proceso se conoce como esterificación y como puede verse cada enlace se establece entre un radical OH de la glicerina y el radical carboxilo de un ácido graso; en cada enlace se desprende una molécula de agua. El proceso es rebersible por hidrólisis. En los seres vivos esta hidrólisis la realizan encimas específicas.

Las grasas pueden incluir ácidos grasos de un único tipo (grasas simples) o de más de un tipo diferente (grasas mixtas). También pueden incluir ácidos grasos saturados o insaturados; los que incluyen ácidos insaturados presentan un punto de fusión más bajo, por lo que se presentan líquidos a temperatura ambiente, reciben el nombre dee aceites y abundan especialmente en vegetales y en algunos animales como el bonito , el atún (pescado azul). Los que presentan ácidos grasos saturados suelen ser sólidos o semisolidos llamandose respectivamente sebos y mantecaas, y abundan sobre todo enn animales.

FUNCIONES DE LAS GRASAS

Su función más importante es actuar como sustancia de reserva energética a largo plazo. La energía que nuesto organismo ingiere de más es almacenada en moléculas de grasa. Esta energía sólo es utilizada cuando el organismo no tiene un aporte de energía suficiente desde el esterior.

Las grasas también actúan como aislante termico y protegiendo organos.

• Ceras: también son esteres, en este caso de un monoalcohol de cadena larga y un ácido graso. Se trata de sustancias sumamente extendidas en la naturaleza y en lo que se refieree a su función son impermeabilizantes por naturaleza. Sus moléculas se disponen en monocapas impermeabilizando la superficie del cuerpo en que se encuentra.

• Complejos: Incluyen un amplio numero dde sustancias que se clasifican de la siguiente forma:

De estos grupos, no centramos en aquellos lipidos complejos que en general reciben el nombre de fosfolipidos, y que coinciden basicamente con los llamados glicerofosfolipidos.

ESTRUCTURA

Los llamados fosfolipidos presentan la siguiente estructura:

Esta disposición determina que en un fosfolípido existan dos regiones de comportaminto opuesto con rrespueesto al agua:

• Desde la glicerina hasta el compuesto nitrogenado abundan los grupos polares por lo que esa zona sera hidrófila (con agua).

• La zona que ocupan las cadenas hidrocarburadas de los ácidos grasos, son completamente apolares, por lo que esa zona será hidrófoba (sin agua).

El hecho de presentar estas dos zonas opuestas conocido como naturaleza anfipática determina la función fundamental de los fosfolipidos: su disposición en bicapas que constituyen la base de las membranas celulares.

Los lípidos sapponificables especialmente los triacilgliceridos o grasas, se tratan en la industria con bases fuertes como el hidroxido sódico o potásico (NaOH, KOH) en un proceso que se conoce como saporificación que da lugar a unas sales de ácidos grasos con características detergentes que se conocen como jabones.

LÍPIDOS INSAPONIFICABLES

Estan formados por la unión de células de isopreno (2-metil-1,3-butadieno). Se incluyen dos grupos:

• Terpenos: derivados lineales del isopreno concretamente un monoterpeno (dos isoprenos). De entre los terpenos destacamos los carotenos (tetraterpenos) que son pigmentos que colaboran de manera importante con la clorofila en la fotosíntess. También se incluyen entre los terpenos los aceites aromáticos y la vitamina A.

• Esteroides: derivados cíclicos del isopreno. Todos los esteroides presentan el siguiente ciclo básico:

En el grupo de los esteroides se incluyen sustancias que desempeñan funciones biológicas importantes: la vitamina D, el colesterol, hormonas (todas las sexuales y las llamadas coticoides), los ácidos biliares,...

PROTEÍNAS

Son macromoleculass orgánicas que actúan como los componentes estructurales básicos de los seres vivos en general y de los animales en particular, en estos ultimos llegan a constituir hasta el 50% de su peso seco.

Quimicamente están constituidos por los bioelementos C,H,N,O que aparecen siempre y también S, P, Fe,... que forman parte de las proteínas ocasionalmente.

Desde el punto de vista químico también se puede decir que las proteínas están constituidas por unas unidades má simples llamadas aminoácidos.

Las proteínas son moléculas de una enorme importancia para los seres vivos debido a que desempeñan un gran numero de funciones, la mayoría de ellas de gran importancia. Señalamos en este momento algunos de esas funciones:

- Estructural: las proteínas constituyen el material plástico (de construcción) por escelencia en los seres vivos.

• Catalitica o enzimatica: todas las reacciones metabolicas que tienen lugar en la célula exigen la presencia de una enzima para poder realizarse.

Las proteínas desempeñan también otras funciones de gran importancia como por ejemplo:

• Función inmunologica: los anticuerpo, sustancias clave en la defensa organica, son proteínas.

• Función reguladora: muchas proteínas actuan como hormonas (insulina).

• Función de transporte: son muchas las sustancias que circulan por el organismo unidos a proteínas (oxigeno transportado por la hemoglobina)

AMINIÁCIDOS

Son las unidades fundamentales de las proteínas. Quimicamente responden a la siguiente estructura: