Tema 1: Bioelementos

Para caracterizar a un ser vivo podemos hablar de diferentes niveles de organización por ejemplo, un nivel de organización sencilla sería el nivel atómico constituído por partículas subatómicas y los átomos.

En este nivel existen una serie de propiedades físico-químicas características de cada elemento químico. Cuando pasamos a un nivel superior por ejemplo al nivel molecular la organización y la complejidad aumenta y aparecen nuevas propiedades. Sin embargo, todos se rigen por las mismas leyes físico-químicas. Posteriormente, podemos hablar de macromoléculas como las proteínas, complejos macromoleculares (ribosomas) y finalmente orgánulos más complejos como retículo, aparato de Golgi... hasta que llegamos a la célula y aparecen las propiedades de la vida como la homeostasis, en todos los casos aumenta la complejidad y la organización.

Los elementos químicos que forman parte de los seres vivos no son los más abundantes en la corteza terrestre, por ejemplo en la corteza es muy abundante el O, Si, Al y Fe; en los seres vivos sin embargo los elementos más abundantes son C, H, O, N.

El que estos elementos formen parte de la materia viva debe ser debido a sus propiedades físico-químicas:

Son átomos de pequeño tamaño o radio atómico.

Son muy ligeros, lo ue es importante a nivel del campo gravitatorio terrestre.

Pueden entablar enlaces químicos covalentes consigo mismos y entre sí y con otros elementos químicos, por ejemplo el carbono puede formar moléculas ramificadas y cíclicas.

Otra propiedad del carbono: puede formar también dobles enlaces e incluso triples enlaces por que puede compartir uno o más electrones, lo mismo ocurre con el Ni.

El C es la molécula indispensable para la vida por que tiene otra característica física y química, que lo diferencia del Si que también tiene valencia 4, esa característica es la de poseer un radio atómico o un tamaño pequeño, el tamaño del radio atómico es universalmente proporcional a la dureza o fuerza del enlace covalente.

*¿El Si tiene mayor radio atómico que el C? ¿Quién de los elementos formaría enlaces covalentes más fuertes? El C, por ese motivo se eligió el carbono como elemento químico estructural para constituir las moléculas de la vida

Estos elementos químicos (C, H, O, N...) también se pueden unir mediante enlaces covalentes entre ellos formando lo que se conoce como grupos funcionales que veremos más adelante pueden ser hidrofílivos o hidrofóbicos.

Los bioelementos los podemos clasificar atendiendo a un criterio que es la abundancio que no es lo mismo que importancia. Así tenemos:

• Bioelementos primarios que aproximadamente están en un 95% (C, H, O y N)*.

• Bioelementos secundarios: P, S, Mg, Ca, Na, K, Cl,... (iónicos) 4'5%.

• Oligoelementos: (0'5% y 0'1%) Fe, Mn, F, I, Co, Li, Zn, Cu, Cr.

* En algunas tablas que atienden a este criterio de abundante aparecen el P y S como bioelementos primarios.

Características:

Carbono: Tiene una función estructural y aparece en todas las moléculas orgánicas.

Hidrógeno: Forman grupos funcionales con otros elementos químicos.

Oxígeno: Forma parte de las biomoléculas y es un elemento importante a nivel de la respiración celular.

Nitrógeno: Igual que los anteriores forma parte de las biomoléculas pero destaca su presencia en proteínas y lípidos y ácidos nucleicos (bases nitrogenadas)

Fosforo: Presente en los ácidos nucleicos y también a nivel de los huesos.

Azufre: Presente en aminoácidos (cisterina y metionina) (con SH)

Magnesio: Puede actuar como coafactor de muchas enzimas. También está presente en la molécula de clorofila.

Calcio: Es importante para los huesos y también actúa como cofactor y para la coagulación de la sangre y la contrqacción muscular.

Potasio: Es importante por que interviene en la contracción muscular y en los procesos relacionados con la ósmosis (bomba de potasio) y en la transmisión del impulso nervioso.

Cloro y Sodio: Intervienen en la ósmosis y la transmisión del impulso nervioso.

Hierro: Es un oligoelemento que forma parte de la hemoglobina, es un cofactor y forma parte de algunoas proteínas de la cadena transportadora de electrones (citocromos). El hierro es importante a nivel vegetal en relación con la fotosíntesis. Su carencia produce anemia.

Cobalto: Forma parte de la vitamina B12 y tiene utilidad como anticancerígeno. Su carencia produce anemia y trastornos en el crecimiento.

Manganeso: Es importante a nivel de la fotosíntesis sobre todo relacionado con la fotolísis del agua.

Yodo: Es un elemento químico que forma parte de una hormona, la tiroxina. Su carencia influye en el metabolismo celular.

Cinc: Es un cofactor de muchas enzimas.

Cromo: Junto con la insulina interviene en el paso de la glucosa hacia el interior de las células.

Cobre: cofactor.

Silicio: Presente en algunos tejidos conjuntivos y en las paredes celulares de las gramíneas (plantas con espigas como la cebada).

Litio: Antidepresivo.

Flúor: Relacionado con el esmalte de los dientes y la formación de los huesos.

Aparte de la abundancia como criterio de clasificación a los bioelementos los podemos clasificar por su función:

FUNCIONES ELEMENTOS

Estructural C, H, O, N

Energética C, H, O, N

Esquelética Ca, Si, F, P

Osmótica K, Na, Cl

Catalítica Mg, Mn, Ca, Cu, Zn

T-2: Biomoléculas inorgánicas

El agua

El agua es una molécula fundamental para la vida pues surgió en ella hace 3.500 m.a. Los seres vivos tienen una proporción entre el 65 - 75 % de agua. Los seres vivos acuáticos tienen mayor cantidad y dentro de una especie o un ser vivo, los individuos más jóvenes tienen mayor cantidad de agua. A su vez, órganos como el cerebro o el riñón tienen más cantidad de agua que los huesos, es decir, que cuanto mayor sea la actividad de un órgano o tejido mayor es la dependencia que éste tiene del agua.

El agua tiene muchas funciones en los seres vivos. Tiene una función bioquímica (p.ej. la fotolisis o la hidrólisis). El agua tiene la función de disolvente (es uno de los disolventes universales), lubricante, amortiguadora, reguladora de la temperatura corporal, reguladora de los climas de los ecosistemas, permite que la savia suba por capilaridad, que la vida se desarrolle bajo las capas de hielo, etc.

Además, el agua está en estado líquido entre los 0 y los 100º C, con lo cual puede utilizarse como medio de transporte de nutrientes y sustancias tóxicas, mientras que moléculas muy similares, como el CO2 y el amoníaco, están en estado gaseoso.

Todas estas funciones importantes para la vida y para el ecosistema se deben a su composición química y a su estructura molecular. La molécula de agua compuesta por 2 átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos por un enlace covalente teóricamente tendría que ser eléctricamente neutra, sin embargo, el oxígeno es más electronegativo que los átomos de hidrógeno, por tanto, atrae hacia su núcleo la nube de electrones que intervienen en el enlace, con lo que aparece una zona con carga negativa cercana al oxígeno y una zona con carga positiva cercana a los átomos de hidrógeno. Por tanto, decimos que la molécula de agua se comporta como un dipolo. Esta es la base de todas sus propiedades y sus funciones.

Por ejemplo, el agua tiene la función de regular la temperatura corporal tanto externa como interna y también la de regular los climas (hacerlos más suaves). Esto lo logra gracias a la propiedad de un alto calor específico y un alto calor de vaporización.

La siguiente propiedad es que el agua es un disolvente casi universal por que en ella se disuelven las sales minerales y las sustancias polares. También las sustancias anfipáticas pueden formar micelas en contacto con el agua.

Lo anterior lo podemos explicar en base a la estructura molecular del agua ya que es un dipolo y como tal tiene una constante dieléctrica elevada, que quiere decir que mientras en estado sólido las sales permanecen unidas por enlaces iónicos, en presencia del agua ésta hace de pantalla rodeando a los iones e impidiendo que se unan. Otras moléculas como los azúcares (glucosa p.e.), los ácidos nucleicos, algunas proteínas, al presentar carga también se disuelven en agua. Las sustancias anfipáticas, es decir, aquellas que presentan una parte apolar y otra parte polar como p.e. los ácidos grasos, en presencia de agua, tienden a formar micelas, es decir, una especie de vacuolas (esféricas) donde las partes negativas o polares estarían en contacto con el agua y las positivas hacia el interior. Más adelante veremos que ésta es la base de las membranas biológicas. Las sustancias que tengan apetencia por el agua se denominan hidrofílicas (las polares) y las que se alejan, hidrofóbicas (las apolares).

Como consecuencia de poseer una constante dieléctrica elevada aparte de ser un disolvente universal, el agua, es el medio de transporte de la mayoría de los nutrientes (que se disuelven en ella) y también de los productos tóxicos.

Aparte de eso, al tener disueltas gran cantidad de sustancias le podemos considerar como función el ser lubricante y amortiguador. P.e. el humor acuoso y el humor vítreo del ojo, las bolsas sinoviales de la rodilla o el líquido cefaloraquídeo tienen dicha función lubricante y amortiguadora.

La estructura molecular del agua también le otorga las propiedades de elevada fuerza de adhesión, y esto permite que determinados fluidos como la savia bruta y la savia elaborada asciendan por capilaridad, es decir, que en vasos muy finos y con carga, el agua, tiende a unirse a sus paredes.

Muy relacionada con la anterior aparece la propiedad de elevada fuerza de cohesión lo que hace que el agua sea prácticamente incompresible. Esto es importante porque puede servir como esqueleto hidráulico o hidrostático de muchos gusanos. En la mayoría de las células sin pared su forma se la da el contenido de agua.

El agua en grandes depósitos como charcas en su superficie tiene una elevada tensión superficial, es decir, sus moléculas permanecen unidas. Esto permite que determinados insectos puedan caminar sobre ella y que las aves, por el contrario, sufran fuertes impactos para vencer la tensión superficial de su superficie.

El agua, en estado sólido, tiende a tener ocupados todos los puentes de hidrógeno de forma permanente. Esto ocurre cuando hay un descenso de la temperatura, por la disposición de los átomos de la molécula de agua y la disposición de estos puentes de hidrógeno fijos, implican un incremento de volumen lo que hace que baje la densidad. Esta propiedad hace que en los inviernos, la vida transcurra bajo las superficies de hielo de los grandes lagos ya que el hielo al ser menos denso, flota y aunque parezca contradictorio actúa como aislante térmico de tal manera que el agua más profunda está a mayor temperatura que el medio externo.

El agua también tiene una función bioquímica p.e. determinadas enzimas que se conocen con el nombre de hidrolasas llevan a cabo sus reacciones químicas siempre en presencia de agua. Otro ejemplo, es la fotosíntesis de la mayoría de las plantas verdes, que utilizan el agua como fuente de electrones, mediante un proceso que se llama fotolisis, es decir, la rotura del agua mediante la energía de la luz. Esto es debido a que una pequeña porción de moléculas de agua, se disocian en protones (H+) e iones hidroxilo (OH-) que utilizan las enzimas para añadir a las moléculas que rompen.

Las sales minerales

Las sales minerales desde el punto de vista químico resultan de la combinación nentre un ácido y una base. Sin embargo, en los seres vivos las podemos encontrar de dos maneras:

Primero, precipitadas o en estado sólido y que generalmente forman estructuras esqueléticas por ejemplo, las conchas de los moluscos, los caparazones de crustáceos y de tortugas está, formadas fundamentalmente por carbonato cálcico. Los esqueletos internos de vertebrados están formados por fosfato cálcico. En otros organismos como algas diátomeas en lugar de tener carbonato cálcico tienen sílice. Las gramíneas y algunos helechos también presentan sílice como componente estructural.

También encontramos las sales en disolución o en fluidos del organismo están en forma iónica y pasan a tener diversas funciones, por ejemplo regulador del PH. Exceptuando algún órgano como el estómago que tiene un PH ácido la mayoría de los fluidos del organismo deben mantenerse en un PH de 7'4, para que esto ocurra y exista una regulación homeostática el organismo dispone de una serie de sustancias amortiguadoras o de efecto tampón del PH. Entre éstas están las sales minerales, los aminoácidos, las proteínas... Dentro de las sales minerales distinguimos el tampón bicarbonato que tiene su acción fundamentalmente en el medio extracelular y el tampón fosfato que tiene su acción en el medio iontracelular.

El ión bicarbonato tiene un efecto regulador del PH. Este ión puede proceder de la bilis o del páncreas o al tomarlo en forma de bicarbonato sódico. Si el medio es ácido, es decir inferior a 7'4 quiere decir que en ese medio existe gran cantidad de protones. Éste se combian con estos iones (protones) transformándose en ácido carbónico y luego mediante una enzima se transforma en dióxido de carbono y agua que son fácilmente eliminables. En caso de que el medio se haga básico la reacción transcurre de derecha a izquierda.

Na HCO3 Na + + HCO -

HCO3 - + H+ H2CO3 CO2 + H2 O

En el medio intracelular existe un tampón fosfato que juega entre los iones dibásico y monobásico.

H+ + HPO4 H2PO4

Las células animales gastan mucha energía a nivel de las bandas de sodio y potasio que tienen como finalidad mantener una determinada concentración de iones lo que influye también en la presión osmótica ya que si no las células estallarían. En los vegetales no existe este problema por que poseen pared celular. Iones como el Cl, Na y el K también mantienen el impulso nervioso creando una diferencia de cargas entre el interior y el exterior de la membranan celular.

Las sales minerales también tienen función catalítica. Las funciones de los oligoelementos también las podemos considerar funciones de las sales minerales ya que éstos están en forma iónica, el Cu que tiene una función parecida a la insuñina, el Fe, el Mg, el Ca y el Co.

Los fluidos de los seres vivos incluido el hombre son dispersiones y representan una disolución de diversas moléculas en el agua. Dependiendo de su tamaño las dispersiones pueden ser moleculares o dispersiones verdaderas y coloidales. En las primeras las disoluciones son moleculares cuando las moléculas tienen un tamaño inferior a 10 elevado a -7 cm y las dispersiones coloidales serían aquellas donde las moléculas o las fases dispersas tienen un tamaño superior a esta medida. Todas estas disoluciones tienen una serie de propiedades que son la difusión, la diálisis y la ósmosis.

Difusión

Cuando nosotros tenemos dos disoluciones separadas por una membrana permeable pero con diferente concentración, habrá un paso de soluto de una disolución a otra, de la más concentradad a la otra hasta igualar concentraciones. Esto ocurre en el organismo en los alveolos pulmonares y en los capilares.

Diálisis

Es un caso particular de difusión de sustancias que ocurre por ejemplo a nivel de las membranas del riñón y consiste en que la membrana deja pasar únicamente las moléculas de pequeño tamaño. Así por ejemplo, al filtrar la sangre en ésta quedan retenidas la célula y las proteínas de alto peso molecular, el resto, los iones, los productos tóxicos como la urea y el ácido úrico van a parar a las nefronas junto con el agua.

Ósmosis

Dentro de las propiedades de los fluidos veíamos que en una disolución hay un fenómeno que se llama difusión. En la difusión tenemos una membrena que es permeable, si en ambos lados hay diferencia de concentración tanto el soluto como eldisolvente pasan de un lado a otro de la membrana para igualar las concentraciones. En la ósmosis el fenómeno es parecido con la diferencia de que la membrana es semipermeable, dejando pasar solamente el disolvente y nada o casi nada de soluto hasta igualar concentraciones. Cuando tenemos en el caso de la ósmosis dos disoluciones separadas por una membrana semipermeable y con diferente concentración, a la más diluída se le denomina hipotónica y a la más concentrada se le llamará hipertónica, de tal manera que se tiende a igualar las concentraciones pasando agua o disolvnete desde la más diluida o hipotónica hasta la más concentrada o hipertónica, hasta obtener dos disoluciones de igual concentración o isotónicas. El paso de dislovente de una a otra genera una presión osmótica.

Este fenómeno ocurre también en las células, por ejemplo, cuando el medio extracelular es hipotónico entraría agua en el interior de las células produciendo un hinchamiento que se conoce con el nombre de turgescencia. Si la presión osmótica es muy alta y no existe pared celular las células se rompen que en el caso de los glóbulos rojos el fenómeno se conoce como hemolisis.

En el caso contrario cuando la céluala está situada en un medio hipertónico estando el medio intracelular hipotónico tiende a salir agua de la célula produciéndose un arrugamiento que se conoce como plasmolisis.

Las disoluciones que definiamos como coloidales tenían partículas de gran tamaño, si éstas dispersiones tienen gran cantidad de agua decimos que están en estado sol y si pierden agua decimos que pasa a estado gel.

Tema 3: Biomoléculas orgánicas

Glúcidos

En los temas anteriores hemos estudiado las biomoléculas inorgánicas que se encuentran tanto en los seres vivos como en la naturaleza. Con los glúcidos comenzamos a estudiar las biomoléculas orgánicas que representan a las biomoléculas ya que la mayorái de ellas forman parte de los seres vivos o son restos de los mismos, muy pocas moléculas orgánicas no pertenecen a los seres vivos y han sido creadas por el hombre de forma artificial.

La gran diversidad de moléculas orgánicas viene dada por los grupos funcionales, así tenemos el radical -CH3 metilo y todos sus derivados (etano, propano, butano) que tienen la característica de ser moléculas apolares. Vemos que como todas las biomoléculas orgánicas tienen como base estructural el carbono y son cadenas hidrocarbonadas. Como las biomoléculas de los seres vivos son moléculas altamente reducidas, pues tienen gran cantidad de hidrógenos, es decir, almacenan gran cantidad de energía. En los procesos de oxidación el organismo utilizaría esa energía.

A partir de los radicales metilo y por combinación mediante enlaces covalentes de los elementos primarios obtenemos el resto de los grupos funcionales, por ejemplo el grupo funcional aldehído (-COH), el grupo cetona (-CO-), las aminas y el grupo alcohol (-COOH), son polares y presentan carga y por tanto son solubles en agua.

Los glúcidos son las biomoléculas orgánicas más abundantes en la naturaleza, tienen una serie de características que les han permitido recibir varios nombres: por ejemplo el de azúcares debido a que la mayoría de ellos tienen sabor dulce pero no es válido para todos. También se les ha llamado hidratos de carbono por que en su fórmula aparecen el hidrógeno y el oxígeno en la misma proporción que en la molécula de agua pero no son moléculas hidratadas (Cn (H2O)n). Incluso su fórmula no es exclusiva de ellos, por ejemplo el ácido láctico (C3H6O3) (Cn (H2O)n).

Los glúcidos químicamente los podemos definir como derivados de un polialcohol que es la glicerina o propantriol. Cuando lleve un grupo aldehído se llamarán aldosas y cuando lleven un grupo cetona se llamarán cetosas. Resumiendo, químicamente los glúcidos se les define como polihidroxialdehídos debido al grupo aldehído o polihidroxicetonas. Derivados de polialcoholes.

CH2OH

H C OH

CH2OH

O

C CH2OH

H

C O

H C OH

CH2OH

CH2OH

Monosacáridos

Son biomoléculas orgánicas formadas por C, H, O, fundamentalmente pero que también pueden llevar nitrógeno debido a que existen monosacáridos derivados y que se han formado por oxidación, reducción o combinación con otros elementos químicos.

Químicamente los podemos definir como aldehídos o cetonas derivados o de alcoholes polivalentes, es decir, polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas.

Propiedades físico-químicas.

Sabor dulce, sólidos, cristalizables, solubles en agua, presentan isomería, presentan actividad óptica, formas enantiomorfas, presentan mutarotación, son reductores y presenten anomería.

Los monosacáridos más sencillos son los siguientes:

O

C CH2OH

H

C O

H C OH

CH2OH

CH2OH

Gliceraldehído dihidroxicetona

El gliceraldehído y la dihidroxicetona son los monosacáridos más simples, tienen importancia biológica por que son intermediarios de metabolismo, por ejemplo en la glucolisis la glucosa se degrada hasta gliceraldehído y dihidroxicetona para finalmente llegar hasta ácido pirúvico.

Los monosacáridos presentan todos carbonos asimétricos ( es aquel que tiene las cuatro valencias saturadas con radicales distintos) excepto la dihidroxicetona.

Los monosacáridos que presenten carbono asimétrico presentan isomería, presentan formas enantiomorfas y presentan mutarotación, además de actividad óptica.

Los glúcidos presentan color blanco.

Cuando en los glúcidos están presentes los carbonos asimétricos aparece una propiedad física que es la esteroisomería o isomería geométrica, es decir, son compuestos que tienen la misma fórmula empírica pero distinta fórmula desarrollada, es decir, cambia la colocación de los átomos.

Dentro de los esteroisómeros o isómeros espaciales o geométricos existen compuestos que son uno la imagen especular del otro a esos se les llama formas enantiomorfas. Estos compuestos tienen las mismas propiedades físico.químicas excepto la actividad óptica.

Todos los glúcidos que presentan en su estructura carbonos asimétricos tienen la propiedad de que cuando incide sobre ellos un rayo de luz polarizada lo desvían siendo el ángulo característico de cada molécula.

La luz polarizada es aquella cuyas partículas vibran en un plano a diferencia de la luz normal que vibra en las tres direcciones del espacio.

Los compuestos que desvíen el plano de la luz polarizada a la izquierda se les llamará levogiros o menos y los que la desvíen a la derecha dextrogiros o más.

Las formas enantiomorfas son aquellos compuestos que tienen las mismas propiedades físicas y química por que uno es la imagen especular del otro, sin embargo, para la actividad óptica si un compuesto es menos la imagen especular es más. Los monosacáridos y haciendo referencia a las formas enantiomorfas tambie´n se nombran atendiendo a la posición del OH del último carbono asimétrico. Aquellos compuestos que tengan el OH a la derecha se les llamará CD y aquellos compuestos con el OH a la izquierda se les denominará L. Esta última denominación no tiene nada que ver, es decir, que el compuesto sea L no quiere decir que la luz se desvíe hacia la izquierda ni que el compuesto D la desvíe hacia la derecha, es decir, los términos dextrógiros o levógiros no son equivalentes a las formas D y L. De hecho la D-fructosa es levógira.

Conociendo el número de carbonos asimétricos de un determinado compuesto y aplicando la fórmula 2n donde n es el número de carbonos asimétricos podemos saber el número de isómeros geométricos o esteroisómeros que presenta.

Propiedades químicas de los monosacáridos

Como propiedad química de los monosacáridos podemos decir que en disolución las pentosas y las aldosas pasan de la forma líneal o de Ficher a una forma cíclica donde se cierra el anillo a través de un puente de oxígeno. Cuando eso ocurre aparece en los monosacáridos un nuevo carbono asimétrico que se conoce con el nombre de carbono anomérico también hemiacetálico o hemicetálico.

Cuando aparece un carbono asimétrico en los monosacáridos también aparecen dos isómeros o esteroisómeros que en este caso se conocen como la forma  o las formas . Las formas cíclicas de los monosacáridos también se les conoce con el nombre de proyección de Haworth.

Como ejemplo de forma cíclica o de ciclación vamos a estudiar la glucosa:

Para ciclar colocamos horizontalmente el compuesto:

Los carbonos o los enlaces carbono-carbono presentan como propiedada ola de poder girar hasta que el grupo aldehído (-COH) puede enfrentarse con el OH del último carbono asimétrico produciéndo una reacción entre ellos que cierra la cadena mediante un puente de oxígeno.

En el carbono nº 5 se produce una rotación de tal manera que el Oh del último carbono asimétrico se enfrenta con el grupo CO para cerrar el anillo mediante un puente de oxígeno y formar un hemicetal intramolecular:

La glucosa es un monosacárido ,uy importante; se forma durante la fotosíntesis alamcenando la energía lumínica que se ha transformado en energía química. La función de la glucosa es energética pero tenemos que decir que es un “combustible metabólico”, es decir, de aporte energético inmediato. La glucosa en sangre está en 1 g/l y según se consume la de la sangre por parte de la célula se va sacando del hígado y del músculo. Aparece em frutas como la uva, en la miel junto a la fructosa y en el resto de las frutas aparece unida a la fructosa para formar el disacárido sacarosa.

En química orgánica el anillo de seis carbonos se le conoce con el nombre o como la forma pirano, el de cinco carbonos recibe el nombre de furano.

Un compuesto será  cuando tenga en el primer carbono asimétrico el grupo -oh hacia arriba y será  cuando tenga el -OH hacia abajo.

La galactosa es un epímero de la glucosa que se diferencia de ella en el carbono 4. En el hígado se transforma en glucosa y su función es de aporte energético muy rara vez aparece libre en algunas enfermedades o metabolopatías, aparece en la orina peor lo normal es que esté combinada con la glucosa para formar la alctosa que está presente en la leche de los mamíferos.

En disolución la -D-glucosa se tiende a ciclar apareciendo un nuevo carbono asimétrico en la posición 1 lo que da dos posibilidades de estereroisómeros que en este caso se llaman anómeros. Cuando se disuelve la glucosa comienzan a aparecer isómeros  y  hasta que la disolución llega a un equilibrio donde existe 1/3 de las formas  y 2/3 de las formas .

Cuando comienzan a formarse las formas  y las formas  también irá variando el ángulo de la luz polarizada hasta que se llega a un equilibrio de 52'7º a este fenómeno se le llama mutarotación.

En disolución siempre queda una pequeña prpoporción de las formas lineales esto hace posible que en disolución los monosacáridos mantengan el carácter reductor. Por que está libre el grupo aldehído o cetona que se puede oxidar hasta grupo ácido.

En el laboratorio se observa como utilizando sales de cobre los monosacáridos son capaces de reducir el ión cíprico hasta ión cuproso y ellos transformándose en ácidos apareciendo un cambio de color en la disolución.

La ribosa es la molécula que constituye el ARN junto a las bases nitrogenadas y el ácido fosfórico en ellos tiene una función es tructural, también forma parte estructural de nucleótidos que se utilizan como moneda de cambio energético.

La desoxirribosa tiene una función estructural por que forma parte de las moléculas de ADN que almacenan la información energética.

La fructosa es un monosacárido importante por que se encuentra en frutas como los plátanos, los higos, la miel, también en néctares de flores y su función es energética. En el hígado también se puede transformar en glucosa aunque está mayoritariamente en el reino vegetal en el hombre se encuentra formando parte del líquido seminal. Tiene la característica de que siendo de la serie D desvía la luz hacia la izquierda (levógira) es decir, en disolución se comporta de forma levógira. Al tener el grupo carbonilo o cetona en el interior de la cadena cicla en la forma furano.

Disacáridos

Cuando se unen dos monosacáridos o más lo realizan a través del enlace covalente O-glicosídico. El enlace se produce entre los grupos -OH de los diferentews carbonos con pérdida de una molécula de agua. Dentro del enlace O-glicosídico distinguimos dos tipos:

Enlace monocarbonílico que se produce entre el -OH de un carbono anomérico y el -OH del siguiente monosacárido de cualquier carbono excepto del anomérico.

Enlace O-glicosídico dicarbonílico siempre ocurre con la reacción de los -OH de los carbonos anoméricos.

En ambos casos con pérdida de una molécula de agua. El enlace glicosídico se nombra de la siguiente manera:

Enlace O-glucosídico  (1-4) Maltosa

La maltosa como la mayoría de los disacáridos tiene una función de reserva energética, no se encuentra en estado libre exceptuando en los granos de cebada germinada para obtener malta y fabrizar cerveza. En el resto de los casos, la maltosa se obtiene por hidrólisis del almidón y del glucógeno. Mantiene todas las propiedades física por que tiene un enlace monocarbonílico. Está formada por dos -D glucosa.

Enlace O-glucosídico  (1-2) Sacarosa

La sacarosa es un disacárido de los que están en estado libre, es decir, no forma parte de polisacáridos se encuentra en todas las frutas, higos, plátanos, castañas, néctar de las flores pero nunca la encontraremos en la miel. Es un disacárido de reserva energética. También hay que decir que en otras plantas como la caña de azúcar o la remolacha también se encuentra presente y de ella se obtiene el azúcar que tomamos diariamente. Está formada por una -D-glucosa y una -D-fructopiranosa.

Todos los disacáridos que tengan enlace monocarbonílico como la maltosa, la celobiosa, la isomaltosa, e.t.c. mantienen sus propiedades (a,c) por que tienen un carbono asimétrico que puede oxidarse hasta grupo ácido . Sin embargo, los disacáridos como la sacarosa que tienen enlace dicarbonílico mantienen sus propiedades excepto el poder reductor (b) porque los carbonos asimétricos están ocupados en el enlace y no pueden oxidarse.

La lactosa es un disacárido que está presente en la leche de mamíferos y que también se encuentra en estado libre y en los seres vivos desempeña una función de reserva energética, a diferencia de la sacarosa ésta mantiene el poder reductor. Solamente cambia el tipo de enlace. Está formada por una -D-galactosa y una -D-glucosa mediante un enlace  (1-4)

La celobiosa es un disacárido que no se encuentra en estado libre si no que procede de la digestión de la celulosa. Lo importante de este disacárido es el tipo de enlace que siendo monocarbonílico es  (1-4). Este enlace en sifícilmente atacable o hidrolizable por las enzimas solamente algunas bacterias que viven simbiontes de algunos insectos o rumiantes pueden hidrolizar. Esto hace que sea un enlace importante a nivel estructural. La celobiosa está formada por dos - D- Glucosas.

La isomaltosa es un disacárido que responde a un enlace -(1,6) y la única finalidad que tiene es ramificar las moléculas de almidón y de glucógeno (polisacáridos), es decir, no se encontrará en estado libre sino formando parte de polisacáridos. Formado por dos -D-glucosas.

Aparte de los disacáridos que ya hemos visto con una función de reserva energética y estructural existen otros oligosacáridos que tienen otras funciones. Por ejemplo la streptomicina es un antibiótico y la puromicina tiene actividad anticancerígena (inhibe la producción de proteínas)

Polisacáridos

Los polisacáridos son un grupo de glúcidos que difieren mucho de los disacáridos y de los monosacáridos:

• Son moléculas de alto peso molecular que generalmente están formadas por la unión mediante enlaces O-glucosídico de cientos o miles de monosacáridos. Se pierde una molécula de agua. Luego los podemos definir como polímeros de monosacáridos. Si el polisacárido está formado por el mismo monosacárido recibe el nombre de homopolisacárido, por ejemplo el almidón, el glucógeno, la celulosa y la quitina. Los polisacáridos que estén formados por diferentes monosacáridos reciben el nombre de heteropolisacáridos.

• Aunque el enlace de los polisacáridos suele ser monocarbonílico éstos no tienen poder reductor.

• No suelen tener sabor dulce ni color blanco.

• Aunque son sólidos no suelen cristalizar.

• Debido a su enorme tamaño no son solubles en agua solamente forman dispersiones coloidales.

• Sí se hidratan con moléculas de agua lo que en la evolución no les ha permitido ser moléculas de reserva a largo plazo, papel que han ocupado las grasas que son totalmente insolubles en agua o hidrófobas.

Características de los principales polisacáridos

Almidón: es una molécula de alto peso molecular, es un homopolisacárido y está presente como molécula de reserva energética en los vegetales. Suele estar situado en unos orgánulos llamados amiloplastos. Se forma como resultado de la fotosíntesis. Químicamente lo podemos considerar formado por dos polisacáridos: la amilosa (30%) y la amilopectina (70%)

Amilosa: Es un polisacárido que forma parte del almidón aunque es lineal en disolución adquiere una forma helicoidal buscando el estado de máxima estabilidad. Esta forma la adquiere por que los monosacáridos en su foram cíclica y que nosotros representamos en un plano realmente su forma espavial atiende a una estructura que recibe el nombre de silla de montar o de nave, según los autores, de tal manera que en el enlace O-glucosídico una de las glucosas se va girando con la respecto a la anterior hasta que da una vuelta de hélice. La amilosa es el polisacárido más interioe en la molécula de almidón.

Amilopectina: la amilopectina es el polisacárido más abundante aunque también tiene un aspecto helicoidal como la amilosa en este caso está ramificaso ya que aparte de los enlaces -(1,4) entre dos glucosas, cada 25 o 30 glucosas existe un enlace -(1, 6) que permite una ramificación. El sifnificado es el siguiente: mientras en una molécula lineal solamente actuaría un enzima para romper el enlace O-glucosídico mediante hidrólisis y aportar glucosa, en el caso de una molécula ramificada estarían actuando varias enzimas al mismo tiempo.

El almidón es una molécula de alto peso molecular y prácticamente por su tamaño insoluble en agua aunque sus grupos -OH entablan puentes de hidrógeno con la moléculas de agua por eso no es una buena molécila para reservar energía a largo plazo.

Para identificarlo se suelen marcar con sustancia que tengan yodo que se mete en las vueltas de hélice.

Glucógeno: Es el polisacárido que utilizan los animales como reserva energética a medio o corto plazo, tiene una estructura muy similar a la amilopectina con la diferencia de que las ramificacionees aparecen cada ocho unidades de glucosa tomando la molécula un aspecto arcorescente que tiene como finalidad el poder ser hidrolizado por varias enzimas al mismo tiempo aportando glucosa a la sangre desde el hígado o desde el músculo.

Polisacáridos con función estructural

Celulosa: Es el polisacárido más abundante en la naturaleza aunque está formada por glucosa como los anteriores pasa a tener una función estructural debido a que el tipo de enlace O-glucosídico entre las moléculas de glucosa es de - (1, 4). Este enlace solamente es atacado por los hongos que descomponen la madera, por bacterias simbióticas de los herbívoros e insectos xilofagos (termitas). La estructura química de la celulosa está condicionada por el tipo de enlace, si atendemos también a que las glucosas adquieren forma de silla de montar y el enlace es -(1, 4) se forman cadenas lineales de glucosa de tal manera que una con respecto a la otra a sufrido un giro de 180º pero que se mantienen lineales, esto permite que una cadena forme puentes de hidrógeno con otras cadenas formando un haz a su vez los haces de glucosas se unen para formar una microfibrilla y éstas se unen para formar una fibra de celulosa que incluso se puede observar a simple vista como en el algodón. La celulosa forma parte de la pared celular de los vegetales u que representaría las columnas o pilares de una casa a la cual después se le añaden otras moléculas.

En el hombre la celulosa no tiene ningún papel nuticional por que no se puede digerir, sin embargo, se recomienda más cada día utilizarla en la nutrición por que evita las enfermedades intestinales ya que le da volumen a las heces y facilita la evacuación de éstas. Por sus características es totalmente insoluble en agua.

Quitina: Es un polisacárido casi tan numeroso como la celulosa que tiene también función estructural con el mismo tipo de enlace pro forma parte de la pared de hongos y del exoesqueleto de artrópodos. La única diferencia que tiene con la celulosa es que está formada por uniones  (1, 4) de un derivado de la glucosa (-D-glucosa) que recibe el nombre de la - D-N-acetilglucosamina.

Otras funciones de los polisacáridos

Cuando un glúcido se une con una sustancia no glucosídica estamos hablando de heterósidos (azúcar + aglicón) Muchos heterósidos se denominan glucoproteínas. Las glucoproteínas que se forman en el aparato de Golgi se suelen situar en la parte externa de la membrana, representan las tarjetas de identidad de la célula como pasa por ejemplo con el sistema de los grupos sanguíneos (ABO). También estas glucoproteínas son receptores de virus, de sustancias tóxicas, de procesos de fecundación y también de reconocimiento entre células.

También existen heterósidos a nivel de los ácidos nucleicos pues la ribosa o la desoxirribosa se unen a la base nitrogenada para formar un nucleósido. Aparte de esto los glúcidos también pueden tenter otras funciones como anticoagulantes o vaso dilatadores como ocurre con la heparina que es una sustancia presente en los murciélagos y sanguijuelas. El líquido sinovial de la rodilla y el humor vítreo de los ojos tienen presente el ácido hialurónico del tejido cartialginoso que tiene la función de unir células.

De las algas se extrae un polisacárido, de la galactosa como es el agar-agar que se utiliza para cultivos de bacteria.

Los monosacáridos pueden sufrir procesos de oxidación transformándose en ácidos, uno de los ácidos más importantes es el glucourónico y el ácido galactourónico. También los glúcidos se pueden transformar en alcoholes como el sorbitol que deriva de la glucosa, el manitol de la manosa y la glicerina del -D-gliceraldehído.

BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS II

LOS LÍPIDOS

LÍPIDOS

Propiedades Funciones

& Insolubles en agua & Energética

& Baja densidad (*  H2O) & Estructural

& Solubles en compuestos apolares & Vitamínica

(benceno, éter, cloroformo) & Hormonal

Clasificación de lípidos (química)

Saponificables Insaponificables

Simples Complejos Terpenos o Esteroides

isoprenoides

Ácidos grasos Glicerofosfolípidos

Ceras (fosfolípidos)

Acilglicéridos

Mono-

Di-

Triacilglicéridos (grasas neutras)

Ácidos Grasos.-

Los ácidos grasos lípidos simple que generalmente se encuentran formando parte de otros lípidos. Pueden estar también en estado libre cuando se utilizan como combustible metabólico en las mitocondrias. Podemos considerarlos como derivados de hidrocarburos de cadena larga que llevan un grupo ácido (-COOH), por tanto, son ácidos orgánicos altamente reducidos.

El número de átomos de carbono puede variar desde 4 a 24 átomos. Lo normal es encontrar de 12 a 24 átomos. Podemos decir que un ácido graso se diferencia de otro por el tamaño de la cadena. Asimismo, podemos hablar de cadenas cortas, medias y largas.

Corta: 4 - 8 carbonos.

Tamaño de la cadena Media: 8 - 12 carbonos.

Larga: 12 -24 carbonos

Los ácidos grasos también se pueden diferenciar por la presencia - ausencia de dobles enlaces. Existen 3 tipos:

• Ácidos grasos saturados sin dobles enlaces; sólo con enlaces simples.

• Ácidos grasos insaturados con dobles enlaces. Pueden ser:

• Monoinsaturados: 1 solo doble enlace

• Poliinsaturados: con más de 1 doble enlace

El tamaño de la cadena y la presencia - ausencia de instauraciones van a ser aspectos importantes a la hora de considerar el estado sólido o líquido no sólo de los ácidos grasos sino del resto de los lípidos saponificables.

Ejemplos de ácidos grasos (1) cadena corta-saturado (2) cadena larga - saturado (3) cadena larga - insaturado

Propiedades de los ácidos grasos.-

En presencia de agua los ácidos grasos se comportan como todos los ácidos, es decir, adquieren una carga negativa, lo que permite que se comporten como sustancias anfipáticas.

Los ácidos grasos, así como otros lípidos anfipáticos en presencia de agua forman monocapas, bicapas y micelas, ya que la zona polar (carga negativa) va a tomar contacto con el agua y los colas apolares (cadenas) se van a alejar del agua. A la parte apolar de la cadena se le considera hidrofóbica con respecto al agua, es decir, que tiende a alejarse de ella, y a la parte polar, se le considera hidrofílica.

Esta característica de anfipatía hace que determinados lípidos como los fosfolípidos tengan una función estructural siendo la base de las membranas biológicas.

Otra propiedad de los ácidos grasos es que se pueden esterificar, es decir, reaccionan con alcoholes para formar ésteres, y a la reacción se le llama esterificación.

Ejemplos de esterificación

Al igual que se pueden esterificar todos los lípidos que presenten en su estructura ácidos grasos pueden llevar a cabo la reacción de saponificación, consistente en calentar con hidróxido sódico o potásico a los ésteres de ácidos grasos para recuperar el alcohol y obtener una sal de ácidos grasos que se llama jabón. Esta reacción es de hidrólisis que en el organismo se puede realizar por enzimas denominadas lipasas.

Ejemplo de saponificación

Los jabones son importantes para eliminar la grasa porque la parte polar de éstos, se une a las moléculas de agua y la parte apolar a la grasa. Al fluir las moléculas de agua, arrastran las grasas. Luego, tenemos que decir, que las moléculas de jabón son anfipáticas y que en presencia de agua forman una monocapa.

Los ácidos grasos en presencia de oxígeno o en contacto con el aire, sobre todo los insaturados sufren procesos de oxidación a nivel del doble enlace dividiéndose en dos moléculas de aldehído.

El punto de fusión de los ácidos grasos y del resto de los lípidos que los contengan depende del tamaño de la cadena y del número de instauraciones. Los ácidos grasos con cadena corta o que presenten instauraciones a la temperatura ambiente suelen ser líquidos y los lípidos con ácidos grasos de cadena larga están en estado sólido.

Acilglicéridos o grasas. Triacilglicéridos o grasas neutras.-

Los acilglicéridos o grasas son moléculas formadas por la esterificación de uno, dos o tres ácidos grasos con un alcohol que es la glicerina o propanotriol.

Los que contengan un ácido graso, serán monoacilglicéridos, los que tengan 2, diacilglicéridos y con 3, triacilglicéridos o grasas neutras. Éstas últimas se denominan neutras porque son totalmente apolares, mientras que los mono- y diacilglicéridos son sustancias anfipáticas.

Triacilglicéridos o grasas neutras.-

A las grasas neutras se las denomina como ésteres de ácidos grasos con una alcohol que es la glicerina.

Ejemplos de mono-, di- y triacilglicéridos

Todas las grasas neutras son apolares; cuando tengan en su estructura el mismo ácido graso, se denominan simples. Si por alguna causa tuviesen un ácido graso distinto se denominan mixtas.

La importancia de las grasas neutras está en presentar largas cadenas hidrocarbonadas, es decir, moléculas altamente reducidas, lo que implica que almacenan en sus enlaces energía, pero además y a diferencia con el glucógeno, son sustancias apolares, con lo cual no van a tener ningún contacto con el agua. Esto hace que 1 g. de grasa aporte más del doble de energía ( 9 cal/g) que 1g. de azúcar (4 cal/g).

Las grasas neutras o triacilglicéridos aparte de ser una reserva energética de la mayoría de los seres vivos y casi exclusivamente de los animales, se almacena en el tejido adiposo y esto hace que tenga otras funciones p.e. al estar situado debajo de la dermis es un buen aislante térmico. En algunos caos como el del riñón se acumula en este órgano una cierta cantidad de grasa que tiene una función amortiguadora de golpes (mecánica). En algunos casos, en los animales que hibernan existe un tejido graso que recibe el nombre de “grasa parda” y que cuando es “quemado”, el aporte de energía es en forma de calor. Algunas veces las grasas acompañan a las ceras y aparte de tener una función protectora, tienen una función de impermeabilizante.

Las grasas se pueden encontrar en los seres vivos en diferentes estados, p.e. líquidos como la trioleína, formadas por el ácido oleico; semisólidas o semilíquidas como las mantecas; y totalmente sólidas como la mayoría de los sebos.

Cuando los triacilglicéridos se presentan en estado líquido se llaman aceites y al resto, se les llama grasas. La mayoría de los aceites están presentes en el reino vegetal (aceite de oliva, de soja, de maíz, de girasol, etc.)

El hecho de presentarse las grasas en estado líquido o semisólido depende del tipo de ácido graso que lleve, es decir, si los ácidos grasos son insaturados aunque sean de cadena larga, la grasa se comporta como una aceite. También la cadena corta puede hacer que sean más fluidas a temperatura ambiente. La explicación a este fenómenos está en el número de enlaces químicos. En el caso del agua, la podemos encontrar en los tres estados dependiendo del número de puentes de hidrógeno. En el caso de las grasas el fenómeno es parecido ya que la presencia de instauraciones o dobles enlaces hace que disminuya el número de enlaces químicos. Si la cadena es corta, el número de enlaces diminuye, y esto favorece el estado fluido o líquido.

Entre las grasas o ácidos grasos, en su parte polar se pueden producir puentes de hidrógeno. Otro tipo de enlace que se da entre los ácidos grasos son las atracciones hidrofóbicas o enlaces de Van der Waals. Cuanto mayor es la cadena mayor es el número de enlaces de Van der Waals y las moléculas estarán en estado sólido.

Las ceras.-

Las ceras son lípidos simples saponificables que se pueden esterificar y están presentes en los seres vivos en estado sólido. Tienen una función protectora aunque también puede ser estructural. P.e. la cera del conducto auditivo tiene función protectora, la cera del la lana o del cabello, la que recubre las hojas tiernas y frutos, la que cubre las plumas,... En todos estos casos la cera aparte de protectora de bacterias, virus y picaduras de insectos tiene función impermeabilizante. P.e. en las pardelas. Tiene función protectora e impermeabilizante porque son moléculas totalmente apolares y en estado sólido. Las abejas construyen su panal a base de ceras (función estructural).

La estructura química de las ceras viene dada por la esterificación de un ácido graso de cadena larga, para estar en estado sólido, con un alcohol también de cadena larga pero monovalente (con un solo -OH) con lo que consigue una molécula totalmente apolar.

Ejemplo de cera. Palmitato de miricilo

Glicerolípidos.-

Son un conjunto de lípidos que junto a los esfingolípidos se les conoce como lípidos de membrana y todos ellos atienden a una estructura química de naturaleza anfipática, es decir, que tiene una parte polar o iónica y otra parte apolar.

En medios acuosos pueden formar monocapas, bicapas y también micelas, por tanto, son la base de la estructura de las membranas biológicas o celulares. Su principal función es estructural. Dentro de ellos hay dos tipos:

Gliceroglucolípidos: son lípidos presentes en las bacterias y en su membrana. Son lípidos saponificables.

Ejemplo de gliceroglucolípido

Glicerofosfolípidos (fosfolípidos): Están presentes en todas las membranas biológicas. Como los anteriores son de naturaleza anfipática, y su estructura química cambia con respecto al grupo anterior ya que aparece el ácido fosfórico.

Esquema general de un fosfolípido

Aparte del ácido fosfórico los fosfolípidos suelen llevar otras sustancias que se esterifican con el ácido fosfórico, es decir, todos tendrán 2 ácidos grasos esterificados con la glicerina, y ésta, a su vez, esterificada con el ácido fosfórico. A esta molécula se denomina ácido fosfatídico, ya que puede estar en las membranas, pero lo normal es que el ácido fosfatídico esté esterificado con alcoholes o con aminoácidos. Tanto el ácido fosfatídico como las sustancias que se esterifican con él van a tener una zona apolar que son los ácidos grasos y una zona polar que viene dada por el ácido fosfórico y la otra molécula.

Los fosfolípidos más comunes e importantes en las membranas biológicas son la fosfatidil-etanol-amina (cefalinas en la membrana del cerebro), la fosfatidil-colina y la fosfatidil-serina.

Nota: El término fosfatidil hace referencia al ácido fosfatídico, es decir, a 2 ácidos grasos, la glicerina y el ácido fosfórico y el término etanol-amina a un alcohol aminado.

Ver hoja con los fosfolípidos citados

Los fosfolípidos al igual que el grupo de esfingolípidos tienen una naturaleza anfipática, que quiere decir que tienen una parte apolar que serían las dos colar de ácidos grasos y la glicerina y una parte polar o iónica que sería el ácido fosfórico y la molécula que se esterifica con él, ya sea un alcohol (-OH) o un aminoácido. Estas estructuras anfipáticas, en disolución tienden a formar bicapas, pero que a su vez para evitar tensiones con el agua, tienden a buscar la máxima estabilidad uniéndose por los extremos; se cierran formándose una esfera o micela que presentaría una barrera entre el interior y el exterior de la micela, estando en contacto con el agua, las zonas polares (zonas hidrofílicas) y las colas o zonas hidrofóbicas o apolares enfrentadas entre sí.

Esto permite marcar las propiedades de las membranas biológicas que son el autoensamblaje y el autosellado.

Los glicerofosfolípidos (fosfolípidos o fosfoglicéridos) son los más numerosos en las membranas celulares, pero también en ellas sobre todos en las neuronas, células del sistema nervioso, existen lípidos, que tienen una función estructural y que se conocen como esfingolípidos y que pueden ser de tres tipos:

• Esfingofosfolípidos (esfingomielina)

• Cerebrósidos

• Gangliósidos

Esquema de los esfingolípidos

La base de los esfingolípidos es una ceramida, es decir, una ácido graso unido a un alcohol aminado que es la esfingosina. Los diferentes tipos se obtienen por:

• Esfingolípidos: se le añade el ácido fosfórico y un alcohol que es la colina. Este lípido forma parte de las vainas de mielina de los axones.

• Cerebrósidos: sólo se les unen un monosacárido que puede ser una glucosa o una galactosa.

• Gangliósidos: en vez de llevar un monosacárido llevan un oligosacárido (de 2 a 10 monosacáridos).

Los cerebrósidos y gangliósidos están en la membrana de las células nerviosas.

Ver hoja de esfingolípidos (esfingomielina y otros)

Lípidos complejos o Insaponificables.-

Este grupo de lípidos son sustancias que han incluido en los lípidos porque son insolubles en agua, ya que estructuralmente no son parecidos.

No se pueden saponificar porque en su estructura no están presentes los ácidos grasos. Existen dos grupos:

Terpenos o isoprenoides: Son moléculas que derivan del 2-metil-1,3-butadieno. Esta molécula se conoce también como isopreno. Esta molécula por polimerización da lugar a los diferentes grupos de terpenos. Así tenemos:

Monoterpenos: moléculas o sustancias constituidas por 2 moléculas de isopreno. Son la mayoría de sustancias que representan las esencias naturales, como p.e. el mentol (menta), el timol (tomillo), el limoneno (limón), el pineno (pino), el geraniol (geranios),...

Diterpenos: moléculas formadas por 4 moléculas de isopreno y destamos en este grupo al fitol, que forma parte de la molécula de clorofila y que es un precursor de la vitamina A. También están en las vitaminas E y K.

Triterpenos: moléculas formadas por 6 moléculas de isopreno. Destacamos al escualeno (precursor del colesterol).

Tetraterpenos: moléculas formadas por 8 moléculas de isopreno. Destacamos a las xantofilas y los carotenoides (o carotenos). Estos pigmentos que hemos nombrado tienen en las plantas un papel importante porque captan también energía lumínica pero distinta a la que capta la clorofila. Tanto ellas como la clorogila llevan en su estructura molecular la presencia de dobles enlaces y ambas son fácilmente reducibles u oxidables (son moléculas excitables) y por eso juegan un papel importante para transformar la energía lumínica en energía química. El -caroteno presente en la zanahoria se puede transformar en vitamina A. Finalmente decir que en las industrias químicas se utilizan como bronceadores, las xantofilas y carotenos, ya que su depósito está en los adipositos que están debajo de la piel.

Politerpenos: Los cauchos naturales se obtienen de varias plantas y consiste en la polimerización del isopreno.

Esteroides.-

Los esteroides son lípidos Insaponificables que derivan de una molécula que presenta 4 anillos (cíclicos), el ciclopentano perhidrofrenantreno. A partir de esa molécula, se obtiene el colesterol. Antes dijimos que el colesterol derivaba del escualeno, que son 6 moléculas de isopreno que son lineales. Para transformarse en colesterol se cicla formando cuatro anillos.

Dentro de los esteroides hay que distinguir dos grandes grupos, los esteroles y las hormonas esteroideas. Todos los esteroides tienen la misma estructura molecular pero se van a diferenciar unos de otros, primero, por la infinidad de dobles enlaces que tienen. Quizás la diferencia más clara esté en el carbono número 3.

Esteroles: Los esteroles son moléculas que se les puede considerar apolares porque sólo tienen en el carbono número 3 un grupo -OH, que es polar. Se van a diferenciar por sus dobles enlaces y por la cadena que va en el carbono número 17.

El esterol más importante es el colesterol, una molécula que está presente en todas las membranas celulares excepto en las bacterias y los vegetales superiores.

En las células animales juega un papel estructural estando situado entre los fosfolípidos de la membrana y dependiendo del fenómeno físico o motivo, puede dar rigidez o fluidez a la membrana.

Otra de las funciones del colesterol es la de ser precursor de otras moléculas, p.e. el colesterol tiende a depositarse bajo la piel y con la influencia de las radiaciones ultravioleta, se transforma en vitamina D (antirraquítica), molécula que activa el metabolismo y la absorción de fósforo y calcio, componentes estructurales esqueléticos de los huesos (por este motivo la vitamina D se comienza a considerar como una hormona ya que el propio organismo la fabrica).

También el colesterol puede dar lugar a los ácidos biliares que tienen una función de transportadora o emulsionadora de las grasas. También el colesterol en determinados órganos se puede transformar en hormonas que p.e. en el riñón o en las cápsulas suprarrenales tenemos la aldosterona y el cortisol o cortisona que influye en el metabolismo de los glúcidos. Y por otra parte, tenemos a las hormonas sexuales masculinas como la testosterona y a las femeninas como la progesterona y el estradiol. Muchas de las hormonas nombradas llevan un grupo cetona en su estructural molecular, excepto el estradiol.

Hay un grupo de lípidos que se llaman prostaglandinas, con función hormonal ya que actúan en diferentes órganos p.e. a nivel del estómago inducen al desarrollo de la mucosidad. También están relacionadas con fenómenos de vasodilatación. La aspirina inhibe la acción de las prostaglandinas.

NOTA: En descubrimientos recientes a nivel genético se ha introducido un gen en el genoma del arroz que le da un color amarillo o naranja, es decir, que ese gen tiene información para fabricar terpenos concretamente los -carotenos que ya sabemos que son precursores de la vitamina A. Esto es un logro importante ya que en el arroz aparece una nueva vitamina.

BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS III

Las Proteínas

Las proteínas son las biomoléculas que tienen una importancia elevada a nivel de los seres vivos, ya que tienen diversas funciones. Están compuestas básicamente por C, H, O pero es frecuente la presencia de N y S.

Los monómeros que constituyen las proteínas son los aminoácidos a diferencia de los glúcidos y lípidos que estaban constituidos generalmente por el mismo monómero o como mucho por 2 diferentes, las proteínas están formadas por 20 aminoácidos diferentes.

La unión de éstos aminoácidos se realiza mediante un enlace covalente que se conoce con el nombre de enlace peptídico. Cuando se unen:

Dos aminoácidos aa1 + aa2 se forma un dipéptido

Tres aminoácidos aa1 + aa2 + aa3 se forma un tripéptido

Más de 3 aminoácidos se habla de péptido u oligopéptido

100 o más aminoácidos se habla de proteína

Las proteínas se van a diferenciar unas de otras, en primer lugar en la secuencia de aminoácidos p.e. sustituir un aminoácido por otro implicaría una pérdida de funcionalidad. La anemia falciforme es debida a que en la hemoglobina se ha sustituido el glutámico por valina debido a una mutación. También se diferencian unas de otras en el tamaño de las cadenas y en la naturaleza de los aminoácidos. La secuencia de aminoácidos viene dada genéticamente y esa secuencia marca la función de la proteína.

La secuencia de aminoácidos representa la estructura básica de las proteínas que se conoce como estructura primaria y, las otras estructuras van a depender de ésta, es decir, que cualquier cambio en la secuencia de los aminoácidos se reflejará en la estructura y funcionalidad de la proteína.

I- Aminoácidos.-

Los aminoácidos son sustancias orgánicas que representan a los monómeros de las proteínas. Desde el punto de vista químico el término aminoácido hace referencia a que llevan en su estructura un grupo amino (NH2) y un grupo ácido (COOH) lo que implica que a nivel de disolución puedan estar doblemente ionizadas.

A estas sustancias que tienen un grupo ácido y otro amina, que pueden estar doblemente ionizadas se les conoce con el nombre de anfóteras.

La estructura básica de un aminoácido es la siguiente:

H

O

H2N C C

OH

R

Los veinte aminoácidos presentes en los seres vivos son  - aminoácidos, es decir, presentan un carbono que está saturado en todas sus valencias. En los seres vivos, los aminoácidos excepto la glicocola el C es asimétrico. Esto es debido a que un aminoácido se diferencia de otro por el radical R, es decir, R para los 20 aminoácidos no se repite; el resto de las valencias son exactamente iguales.

Sin embargo, podemos clasificar a los aminoácidos por la naturaleza del radical. Así tenemos:

Aminoácidos apolares aquellos que lleven como R una cadena hidrocarbonada

lineal o cíclica (también con aromáticos)

Aminoácidos básicos aquellos que llevan un radical con un grupo amina o

básico que le da carga positiva

Aminoácidos ácidos aquellos que lleven en el radical un grupo ácido que le de

carga negativa

Neutro - polares aquellos aminoácidos que lleven en su molécula radicales

que se comporten como el agua, como es el caso de muchos alcoholes

De los cuatro grupos, uno se comporta como hidrofóbico y el resto como polar. Esto es muy importante para la solubilidad de las proteínas, es decir, aquellas que tengan muchos aminoácidos apolares serán hidrofóbicas o insolubles en agua.

A parte de la naturaleza de las cargas los aminoácidos excepto la glicocola que lleva como radical un hidrógeno, los demás aminoácidos tienen el C saturado con radicales distintos, eso quiere decir que es un carbono asimétrico y eso significa que los aminoácidos tienen dos estereoisómeros que serán las formas L y las formas D. En la naturaleza el isómero (o la forma enantiomorfa) que abunda en las proteínas es la de los L-aminoácidos. Los L-aminoácidos son aquellos que tienen el grupo amina hacia la izquierda.

Al igual que en los glúcidos la presencia de carbonos asimétricos hace que estos compuestos desvíen el plano de luz polarizada hacia la derecha, llamándose entonces (+) o dextrógiros, o a la izquierda llamándose (-) o levógiros, no teniendo nada que ver con que sean de la serie D o L.

Otras propiedades físicas de los aminoácidos son el presentar la mayoría sabor dulce aunque también pueden ser insípidos o amargos.

Pueden ser solubles en agua excepto si llevan un radical hidrofóbico muy grande. Sin embargo a los aminoácidos se les considera formas anfóteras porque están doblemente ionizados (carga + y -). Forma de Zwitterion.

La propiedad de estar doblemente ionizados les permite adquirir otra propiedad que es la de regular el pH (soluciones tampón). Cuando el pH es ácido los grupos carboxilo (ácido) captan los protones. Si el medio es básico los grupos amina captan los hidroxilos del medio. Los aminoácido que tienen un pH llamado pH isoeléctrico en el cual la carga neta del aminoácido es 0.

Medio ácido Medio básico

ii.- Enlace Peptídico.-

Las proteínas generalmente suelen tener más de 100 aminoácidos; sin embargo, hay sustancias que no contienen ese número de aminoácidos pero que tienen importancia biológica: son lo que conocemos como oligopéptidos p.e. las vitaminas del grupo B hidrosolubles (el ácido pantoténico). Otras pueden ser hormonas como la insulina e incluso antibióticos que están formados por aminoácidos raros fabricados por bacterias.

En todos los casos suelen haber pocos aminoácidos. Sin embargo los aminoácidos están unidos todos ellos mediante el enlace peptídico que se produce entre el grupo amina y el grupo ácido de los L-aminoácidos con pérdida de una molécula de agua.

Este enlace es de tipo covalente carbono - nitrógeno y es un enlace simple pero que tiene características de doble enlace ya que la distancia entre los átomos de carbono y nitrógeno es más corta que la que existe en el enlace simple normal. Esto implica que al tener características de doble enlace la unión carbono - nitrógeno sea rígida por eso, el enlace peptídico se representa en un plano, es decir, los átomos no tendrán capacidad de giro o rotación al tener características de doble enlace.

Ejemplo de un dipéptido (unión de dos aminoácidos por un enlace peptídico)

En los seres vivos existen los llamados aminoácidos esenciales, nueve en los niños y ocho en los adultos y que reciben ese nombre porque no los podemos fabricar y los sacamos de las proteínas de la leche, los cereales, las carnes,...

Estructura de las proteínas.-

La secuencia de aminoácidos de una proteína viene dada genéticamente de tal manera que el orden de los aminoácidos va a marcar la funcionalidad de la proteína.

La estructura primaria de una proteína es la estructura básica a partir de la cual se desarrollan las demás, y viene dad por la unión de más de 100 aminoácidos mediante enlaces peptídicos. En esa unión lineal de aminoácidos la capacidad de giro o rotación está únicamente en el C. Los radicales de los diferentes aminoácidos en la cadena se sitúan alternativamente hacia arriba y hacia abajo con la finalidad de no interferir entre ellos.

El único enlace que interviene en la estructura primaria es el enlace peptídico.

En los seres vivos las proteínas no están en la estructura primaria, estarían con ella cuando estuvieran desnaturalizadas. Lo normal, es que las proteínas una vez formadas en los ribosomas busquen la máxima estabilidad y el mínimo gasto de energía; de esta manera adquieren la estructura secundaria, terciaria e incluso cuaternaria.

En la estructura secundaria podemos distinguir dos tipos:

La  - hélice (fue la primera en descubrirse)

La  - laminar (segunda en descubrirse)

Estructura  - hélice: en ella la cadena lineal de aminoácidos adquiere una forma de sacacorchos con arrollamiento hacia la derecha. En cada vuelta de hélice hay 3,6 aminoácidos (casi 4). La estructura de la  - hélice se tiene que mantener y lo hace gracias a los grupos CO y NH del enlace peptídico para entablar puentes de hidrógenos de tal manera que se establece un puente de hidrógeno entre un aminoácido y el cuarto que tiene inmediatamente encima.

El enlace de la estructura secundaria en  - hélice es el puente de hidrógeno que un enlace más débil que el peptídico.

Los radicales quedan hacia fuera de la  - hélice. La  - hélice puede verse alterada cuando los radicales son de gran tamaño o cuando sus cargas son del mismo grupo.

Existe también una estructura secundaria distinta que es la hélice de colágeno. Esta hélice es una más abierta que en cada vuelta en vez de 3,6 ó 4 aminoácidos tiene 3. La estabilidad sería difícil por puentes de hidrógeno. La mantiene gracias a que se asocian 3 hélices de colágeno.

Estructura  - laminar: es una estructura que ya prácticamente no tiene forma de hélice pues tiene dos aminoácidos por vuelta y realmente lo que suceda es que la cadena lineal o primaria se pliega en zigzag. A su vez la cadena se pliega sobre sí misma de tal manera que da la impresión de ser como un folio u hoja plegada.

La estructura se mantiene estable por puentes de hidrógeno entre los grupos NH y CO que están enfrentado o de las cadenas que son antiparalelas. Los radicales en esta estructura quedan hacia arriba y hacia abajo.

Glúcidos

Osas o

monosacáridos

Osidos

(varios monosacáridos)

aldosas

cetosas

3 C triosas

4 C tetrosas

5 C pentosas

6 C hexosas

7 C heptosas

heterosidos

holósidos

Glúcidos

+

aglicon

oligosacáridos

(2 - 10

monosacáridos)

disacáridos

Polisacáridos

+ 10

monosacáridos

heteropolisacáridos

homopolisacáridos

Formados por el mismo monosacárido

Formado por varios monosacáridos distintos