Tema 5. Las moléculas de los seres vivos.

Las moléculas de los seres vivos son la materia prima de la vida. Hace dos siglos, todavía se pensaba que el ser vivos no podía estudiarse igual que el resto de la materia (con las mismas leyes) porque se pensaba que poseíamos una fuerza vital, algo único. Esta idea llevo a estudiar a los seres vivos cada vez más profundamente. Cada vez se estudiaba más y más y sin embargo no se encontraba esa fuerza vital, sin embargo con estos estudios empezaron a conocerse más cosas. Hoy día sabemos que podemos estudiar los seres vivos en términos de composición química, pero esto nos dirá poco, ya que hay que intentar comprender el programa genético que nos explicará y dirigirá todas las reacciones químicas.

Componentes químicos de los seres vivos

Toda la materia, viva o no, esta compuesta por elementos químicos. Existen más de 100 elementos pero solo unos pocos forman a materia viva: H (hidrógeno), O (oxigeno), N (nitrógeno), C (carbono), P (fósforo) y S (azufre). Estos seis elementos constituyen el 99% de los organismos vivos, por tanto todas las moléculas por complejas que sean están constituidos por estos pocos elementos y la diversidad de moléculas que forman a los seres vivos, está formada por la combinación de dichos elementos.

Cada elemento se diferencia por la estructura de sus átomos. Un átomo es la unidad fundamental de un elemento químico. Está formado por un núcleo y una nube de electrones que está girando u orbitando a su alrededor. El núcleo contiene partículas subatómicas que son los protones (con carga positiva) y neutrones (con carga neutra o sin carga) La nube de electrones que rodea al núcleo en capas, órbitas u orbitales tiene carga eléctrica negativa. Los electrones están orbitando y se mantienen mediante fuerzas de atracción y repulsión que los mantienen en sus órbitas. Hay diferentes capas dentro de esos orbitales:

• La primera capa acepta como máximo dos electrones

• La segunda capa acepta como máximo ocho electrones

• La tercera capa acepta como máximo ocho electrones.

Los electrones se van situando en las capas según se vayan llenando éstas. Si se llena la primera pasan a la siguiente y así siempre, sucesivamente. Cuando la última capa están completa se dice que un átomo tiene la máxima estabilidad (gases nobles) Un átomo en estado neutro tiene el mismo número de electrones que de protones. El número de protones que contiene un átomo es fijo y define a cada elemento, ya que es su número atómico.

• Número atómico = número de protones

• H 1 (le falta uno para completar su última capa)

• C 6 (el carbono tiene dos electrones en la primera capa, y cuatro en la segunda por lo que tiene libres cuatro electrones de su última capa que necesitaría para conseguir la estabilidad)

• N 7 (El nitrógeno tiene dos electrones en la primera capa y 5 en la segunda, por lo que tiene libres tres electrones que necesitará para conseguir la estabilidad)

• 0 8 (El oxígeno tiene dos electrones en la primera capa y seis en la segunda, por lo que le faltan dos para completarla y necesitará esos dos electrones para conseguir su máxima estabilidad)

• Peso atómico = neutrones + protones

Estos elementos son muy sencillos si los comparamos con el oro que tiene 79 o con el uranio que tiene 92. Los elementos que componen la materia viva son bastante sencillos.

Cuando la última capa está completa, sea la primera, la segunda o la tercera, es cuando son mas estables y se les llama gases nobles. Se dice que son químicamente inertes por lo que no reaccionan con otros átomos (gases nobles). En todos los demás elementos, la capa exterior está incompleta por lo que no son tan estables, sin embargo, tenderán a serlo por lo que tendrán que buscar la forma de completar su última capa. Los átomos pueden ceder, captar o compartir electrones (estableciendo diferentes enlaces) para llegar a la estabilidad. Los átomos son capaces de interaccionar unos con otros, tienden a unirse y a formar enlaces para alcanzar la estabilidad y al unirse formar moléculas. Esta unión es la que se denomina enlace químico (en ello son fundamentales los electrones de la última capa) El más común de los enlaces en los seres vivos es el enlace covalente, es decir, la compartición de electrones. Este tipo de enlace es muy fuerte y para romperlo se necesita mucha energía.

Ejemplo: H₂O El oxígeno necesita tener 8 electrones en la última capa (le faltan dos) y el hidrógeno necesita tener dos electrones en la última capa (le falta uno a cada hidrógeno) Así, compartiendo electrones alcanzan la estabilidad.

Cada par de electrones compartidos, forma un enlace simple. Si son dos pares compartidos, es un enlace doble y si son tres pares es un enlace triple.

Ejemplo El oxígeno, que tiene seis electrones en su última capa, puede unirse consigo mismo mediante un doble enlace y conseguir la estabilidad (los ocho electrones en su última capa)

Así, el oxígeno (comparte 2) el nitrógeno (comparte 3) y el carbono (comparte 4) casi siempre comparten electrones.

El carbono es el elemento principal de lo que llamamos la química orgánica y es el que mayor variabilidad de enlaces establece, ya que permite cuatro enlaces simples (o uno doble y dos simples) (o uno triple y uno simple)

Las propiedades, vienen determinadas por el número de átomos, e tipo de átomos y la disposición de los átomos en la molécula. Dos moléculas pueden contar con el mismo número de átomos pero si estos están dispuestos de maneras distintas, van a tener diferentes propiedades químicas. Esta variación en os modelos de enlace de las moléculas es muy significativa en a química de la materia viva dada la versatilidad del carbono, ya que pude formar gran número de moléculas distintas. Así, toda la química de los seres vivos se ha hecho alrededor del cerebro (química orgánica) El carbono siempre está dispuesto a compartir cuatro electrones para obtener estabilidad.

La molécula más abundante en los seres vivos es el agua, es el componente fundamental y compondrá cerca del 70% de nosotros mismos, de los seres vivos. También esta presente en la Tierra, ya que las 2/3 partes están formadas por agua en los componentes de la Tierra. Es en el medio acuático donde tienen lugar todas las reacciones químicas de los seres vivos. Junto al agua están las sales disueltas, ambas constituyen lo que conocemos como los componentes inorgánicos (que no tienen carbono, no son orgánicos) de la materia viva y el resto lo constituyen moléculas orgánicas, basadas en el carbono, que son las que caracterizan a los seres vivos. Dentro de las moléculas orgánicas o compuestos del carbono podemos diferenciar dos grandes grupos: las pequeñas moléculas orgánicas o las grandes moléculas orgánicas (macromoléculas)

• 70% Agua

• 3% Sales disueltas

• 18% Pequeñas moléculas orgánicas

• 9% Grandes moléculas orgánicas (macromoléculas)

Las pequeñas moléculas orgánicas pueden ser los azucares sencillos o monosacáridos, los aminoácidos o los nucleótidos. Las macromoléculas son de gran tamaño y por tanto muy complejas, entre ellas están polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos. Todas las macromoléculas son polímeros (varias partes, es decir, grandes moléculas formadas por otras más pequeñas más o menos semejantes que se repiten muchas veces) Los azúcares sencillos o monosacáridos son las unidades de los polisacáridos que serían las macromoléculas. Los nucleótidos son las unidades de los ácidos nucleicos y los aminoácidos son las unidades de las proteínas. Las macromoléculas son la clave química de la vida.

El ordenamiento de estas pequeñas partes o unidades se denomina secuencia y puede variar dando lugar a diferentes polímeros. Entre todos, solo el 9% son macromoléculas (polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos) y constituyen la clave o base de la vida. Una característica importante de estas macromoléculas es su enorme variedad. En una célula tan pequeña como la bacteria Escherichia coli, hay 3000 tipos de proteínas diferentes en una sola célula y en hombres o mujeres (humanos) 50.000 tipos diferentes de proteínas en cada célula.

Cada organismo tiene sus propias proteínas y ácidos nucleicos (característicos de cada organismo) Esta variedad se debe a la secuencia que tienen (diversidad de macromoléculas) Las moléculas de las proteínas están constituidas solo por 20 tipos de aminoácidos diferentes y los propios ácidos nucleicos (ADN y ARN) que son enormes (larguísimas moléculas), están compuestos solo por cuatro núcleos o partes diferentes. Según están ordenados (combinándolos de diferentes maneras) hay 20 aminoácidos que forman diferentes proteínas y cuatro nucleótidos que forman ácidos nucleicos.

Las principales moléculas orgánicas que constituyen los seres vivos se clasifican de muchas formas pero una de ellas es por su estructura química (grupos químicos) y sus propiedades físicas:

• Glúcidos e hidratos de carbono (azúcares)

• Lípidos (grasas)

• Proteínas

• Ácidos nucleicos.

Glúcidos

Todo grupo de compuestos orgánicos cuyas moléculas están formadas solo por carbono, hidrógeno y oxígeno. Su estructura química es bastante homogénea: todos ellos tienen grupos alcohol, aldehído (aldosas) o cetona (cetosas):

Sin embargo, son muy heterogéneos en cuanto a su tamaño porque se incluyen desde compuestos que tienen solo tres átomos de carbono y los que tienen cientos.

• Azúcares simples (monosacáridos)

Los más sencillos son los azúcares simples o monosacáridos. El más común de todos ellos es la glucosa que tiene seis átomos de carbono (monosacárido, azúcar simple) y precisamente es la molécula de cuya degradación obtenemos los seres vivos energía para funcionar.

En general, la fórmula caracteriza a todos los que tienen 6 átomos de carbono (a todas las hexosas) Sin embargo, aunque tienen el mismo número y tipo de átomos, su formula reducida es la mima, pero se diferencian en como van unidos, es decir, es su secuencia y estructura tridimensional.

Es la familia que posee cinco carbonos. Oiremos hablar mucho de ella, ya que tanto el ácido ribonucléico como el ácido desoxirribonucléico llevan ribosa)

Es la familia que posee tres carbonos, es un compuesto importante para el metabolismo energético de las células.

Como ya pudimos observar, el sufijo -osa identifica a los azúcares. No quiere decir que todos los azúcares terminen en -osa, sino que los que terminan en -osa son azúcares (el gliceraldehído es un ejemplo de azúcar que no termina en -osa) También existen azúcares de siete átomos de carbono (heptosas) o de cuatro (tetrosas) Pero no entraremos dentro de estos grupos.

Los monosacáridos pueden enlazarse y formar otras moléculas. Si se unen dos monosacáridos, obtenemos disacáridos, si se unen tres trisacáridos… en general polisacáridos que son macromoléculas.

• Disacáridos (dos monosacáridos)

• Sacarosa glucosa + fructosa (azúcar de caña, azúcar normal)

• Lactosa glucosa + galactosa (azúcar de leche)

• Maltosa glucosa + glucosa (azúcar de malta)

• Trisacáridos Con tres monosacáridos

• Polisacáridos

Son cientos o miles de monosacáridos, son polímeros cuyos monómeros o unidades son los monosacáridos. Son muy abundantes, y todos ellos están constituidos por glucosa cientos o miles de veces. Solo se diferencian en la estructura de las cadenas.

• Almidón Es característico de las células vegetales y son largas cadenas de glucosa. Es muy insoluble en agua, por lo que se puede almacenar glucosa en la célula y representa una reserva de glucosa que mediante reacciones químicas, se libera y aporta energía a la célula (combustible de la célula)

• Glucógeno Son polisacáridos que solo se encuentran en células animales. Son miles de moléculas de glucosa. Es muy parecido al almidón, por lo que muchas veces se llama almidón animal pero sus moléculas están mucho más ramificadas. Constituye también un almacén de reserva de glucosa (que libera energía) Representa la forma principal como se almacenan los hidratos de carbono en animales.

• Celulosa Es típico de células vegetales. Muchas unidades de glucosa pero unidas de forma que no se pueden romper sus moléculas. No se puede digerir por lo que no tiene valor alimenticio. Sin embargo, al ser los enlaces muy potentes o fuertes refuerzan las paredes vegetales (recubiertas por celulosa por lo que son más fuertes y sólidas)

En resumen, tienen una estructura química característica común (homogénea) pero tienen un tamaño muy diferente o heterogéneo. Su función es básicamente energética, es el combustible por el que funcionamos, pero también hace un papel estructural, aunque más pequeño. Proporciona energía a corto plazo.

Lípidos

Las grasas y sus derivados se conocen como lípidos que a diferencia de los glúcidos, engloban a un grupo de moléculas muy heterogéneo. Es heterogéneo en cuanto a grupos moleculares pero también están formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno (es difícil encontrar grupos químicos que las caractericen como en el caso anterior que eran las cetonas, aldehídos y alcoholes) La característica común más importante y general es la naturaleza hidrofóbica de sus moléculas. Son insolubles en agua, sin embargo son solubles en otros disolventes no polares (por ejemplo la cetona)

Esta característica hidrofóbica es muy importante para la célula porque forma regiones que excluyen el agua, pueden formar barreras de exclusión del agua que separan unas células de otras, que separan células del exterior, pueden forman compartimentos dentro de las células…Los lípidos son componentes esenciales de las membranas celulares (forman parte fundamental de su estructura, por ejemplo la bicapa lipídica) pero también se utilizan como fuente de energía. Se almacenan en las células con este propósito energético (reservas energéticas más a largo plazo que los glúcidos)

Nuestro organismo tiene una capacidad limitada para almacenar glúcidos, con lo que cuando esa capacidad termina, los glúcidos sobrantes se convierten y los almacenamos en forma de lípidos (cuando se gasta la energía del glucógeno se utiliza la de los lípidos) Por esto los glúcidos son la principal fuente energética inmediata pero los lípidos más a largo plazo o reserva. Se les ha clasificado de diferentes maneras pero podemos decir que hay lípidos complejos y sencillos.

• Lípidos complejos

Tienen en su estructura ácidos grasos y otra molécula (ácidos grasos + otra molécula). Los ácidos grasos serían los monómeros de los lípidos complejos. Los ácidos grasos están compuestos por una cadena hidrocarbonada (hidrógeno y carbono) con un grupo carboxilo terminal:

Pero a veces no hay solamente enlaces simples sino que forman dobles enlaces entre ellos. En este caso se conocen como ácidos grasos insaturados o no saturados (un carbono no satura todas sus electrones o valencias libres con hidrógeno, sino que también lo hace con C) Si todo son enlaces simples son ácidos saturados.

Los ácidos grasos insaturados son más abundantes en los vegetales. Son líquidos a temperatura ambiente (y se funden a temperaturas más bajas) Estos dobles enlaces son rígidos y alteran la estructura de las cadenas. Los ácidos grasos no saturados son típicos de los animales (grasas animales como la manteca) y se funden a temperaturas más altas, siendo sólidos a temperatura ambiente.

Ácido graso + Otra molécula

Existen cuatro tipos de lípidos complejos que se diferencian en la molécula que une al ácido graso:

• Acilglicéridos ácido graso + glicerina (tienen función energética y son los que almacenamos en el citoplasma de las células como reserva energética)

• Fosfoglicéridos ácido graso + fosfoglicerína (fosfolípidos) (función estructural)

• Esfingoglicéridos ácido graso + esfingosina

• Ceras ácido graso + un alcohol

Los acilglicéridos son los que se conocen vulgarmente como grasas y pueden tener una, dos o tres moléculas de ácido graso unidos a la glicerina. Normalmente los que tienen más importancia y valor son los triglicéridos o triacilglicéridos (con tres moléculas de ácidos grasos + glicerina) Son los más abundantes y forman una molécula de grasa, estos si que son los depósitos de energía de las células (tienen un rendimiento energético superior a los anteriores, un alto poder energético y muy concentrados en energía) Sobre todo acumulados en las células adiposas de los animales. Son sólidos a temperatura ambiente y la mayoría son saturados. Constituyen gran reserva de alimento en la mayoría de los organismos, cuando se necesita más energía. Tienen un papel fundamentalmente energético (importante reserva de alimento)

• Lípidos sencillos

No contienen ácidos grasos. Son menos abundantes en las células y son muy variados, pero algunos, como los esteroides, tienen mucha importancia. Están presentes en animales y vegetales y se los clasifica como lípidos por ser hidrófobos. Hay muchos tipos según los grupos funcionales:

• Esteroides

• Colesterol En las membranas de las células de la sangre, en los glóbulos rojos. No tiene valor energético. Son depósitos grasos en el revestimiento interior de los vasos sanguíneos que puede bloquearlos produciendo un aumento de presión sanguínea (reducción de la actividad de los vasos), puede producir ataques cardiacos… Alimentos que provocan el colesterol son por ejemplo los huevos, el queso… No tiene valor energético pero si estructura ya que su acumulación puede reducir la flexibilidad de los vasos sanguíneos.

• Hormonas sexuales Pertenecen a los esteroides (derivados del colesterol)

• Vitamínas

Proteínas

Son las moléculas orgánicas más abundantes en las células (después del agua) en los organismos vivos. Constituyen el 50% del peso seco de las células. Se encuentran en todas las partes de la célula y son importantes tanto estructural como funcionalmente, tanto es así que casi todas las funciones dependen prácticamente de las proteínas. Existen miles de proteínas diferentes, de las cuales están especializadas en una tarea y son específicas de cada individuo (dos individuos nunca poseen el mismo tipo de proteínas, aunque sean gemelos, aunque si es verdad que serán mayores las diferencias cuanto más nos alejemos en parentesco) A pesar de la variabilidad de las proteínas, tienen aspectos de su estructura química en común. Todas las proteínas son macromoléculas, polímeros, formadas por unidades más pequeñas y sencillas que son sus monómeros, los aminoácidos.

Para conocer la estructura de las proteínas, habrá que conocer la estructura de sus unidades. Los aminoácidos son compuestos orgánicos compuestos por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N) fundamentalmente, aunque también pueden llevar fósforo (P), azufre (S), hierro (Fe), cobre (Cu)… Tienen grupos amino y grupos ácido. Su estructura química es un carbono que está unido a un grupo ácido carboxilo o carboxílico, a un grupo amino, a un hidrógeno y a una cadena de carbonos que puede ser más o menos larga y que se representa como R.

R es específico y es lo que caracteriza a cada aminoácido. Existen 20 aminoácidos distintos que difieren unos de otros en el grupo R. Por poner dos ejemplos:

Con los 20 tipos diferentes de aminoácidos se constituyen los millones de proteínas diferentes que hay en todos los seres vivos, desde las bacterias hasta los humanos. Los aminoácidos reaccionan unos con otros para formar proteínas mediante un enlace. En esta reacción se desprende una molécula de agua (H₂O). Se unen de modo que el grupo carboxilo de uno se une al grupo amino del siguiente. A esta unión la denominamos enlace peptídico.

NH - CO es lo que representa el enlace o unión de péptidica. De esta forma, dos aminoácidos unidos mediante este enlace peptídico forman un dipéptido, si este dipéptido se une con otro péptido, ya son tres por lo que será un tripéptido y así sucesivamente formándose largas cadenas con centenares de aminoácidos. Reaccionando un aminoácido con el otro (realizando un enlace peptídico) se forman distintos tipos de cadenas. Este enlace es conocido como peptídico y por tanto las cadenas de aminoácidos que forma son conocidas como cadenas polipeptídicas. Hay que decir que la palabra polipéptido tan solo se utiliza para hablar de proteínas pequeñas o de partes de una proteína. A una cadena de menos de 10 aminoácidos se la llama oligopéptido, a las cadenas de más de 10 aminoácidos se las suele llamar polipéptidos y un polipéptido con más de 100 aminoácidos es una proteína.

Las cadenas a las que dan lugar, no son lineales sino que tienen forma helicoidal tridimensional y según estén situadas en esa hélice son distintas. El armazón de esta espiral es:

Una proteína puede diferenciarse de otra por el tipo, por el número y por el orden y secuencia de los aminoácidos que tenga. Por tanto, dependen también de su configuración, algo que es muy importante porque los cambios en la secuencia se llaman desnaturalización de la proteína que es un cambio en la estructura profunda que lleva a que se rompan los enlaces que hay entre aminoácidos, los enlaces de las cadenas polipeptídicas. Esto lleva a la inactivación funcional de la proteína. Hay muchos agentes que pueden provocar esta desnaturalización: un aumento de temperatura, un cambio de presión, el PH, algunos tipos de electricidad, cambios físicos o químicos…) Esta desnaturalización es en la mayoría de los casos reversible, ya que cuando desaparece el agente o causa que lo provoca, desaparece esa inactivación y la proteína recupera su función (sobre todo si fue durante poco tiempo, tiene sobre ella poca influencia o fue poco intenso) Sin embargo, si el cambio es muy brusco o fuerte puede hacerse irreversible lo que conllevaría graves problemas (destruye las propiedades biológicas de una proteína) El calor excesivo o los cambios drásticos en el ambiente llevan a la muerte celular.

Las proteínas tienen un mayor grado de variación y especificidad que en glúcidos y lípidos. Las proteínas de un organismo son completamente exclusivas de éste. Esta especificidad tiene consecuencias biológicas conocidas: la introducción de cuerpos extraños de un organismo a otro produce infecciones. Por ejemplo las proteínas del polen de las plantas pueden producir alergia en los humanos, cuando la sangre de un animal se mezcla con la de otro y es incompatible resulta mortal, las bacterias infecciosas pueden producir muchas y graves enfermedades…También pueden ocurrir cuando una parte de un animal se inserta (injertada) en otro y se produce un rechazo por la incompatibilidad de las proteínas.

Además, las proteínas sirven también como material energético (aunque en menor medida que los glúcidos y lípidos) Son un aparato energético en menor cantidad y mucho más específicas. Además llevan a cabo funciones muy diversas en los organismos vivos, por lo que se dice que son muy versátiles. Actualmente se clasifican por su función en tres grandes grupos (aunque puede haber otros criterios):

Proteínas estructurales Constituyen membranas celulares y su papel es mantener su forma, su elasticidad, flexibilidad o rigidez…tanto de células, como de tejidos… Por ejemplo el colágeno (tendones…) que es una típica proteína estructural o la queratina (cabello, uñas…)

Proteínas de reserva Reservan aminoácidos en espera de que sean necesarios para las células. En ese momento, mediante hidrólisis, se descomponen estas proteínas y liberan los aminoácidos que se utilizan para construir el tipo de proteína que es necesaria en ese momento.

Proteínas activas Es el grupo más numeroso y complejo. Tiene múltiples funciones y participan en todos los aspectos por lo que hay una subdivisión No obstante, todas tienen en común que para desempeñar su función deben interaccionar específicamente con otra sustancia que recibe el nombre de ligando. Entre las proteínas activas más importantes están:

• Proteínas contráctiles Como consecuencia de su unión con un ligando, producen un cambio de conformación y por tanto afecta a su movilidad. Por ejemplo las de los músculos (actina y miosina)

• Proteínas transportadoras Se unen a un ligando y lo transportan de un lugar a otro de la célula o del organismo. Por ejemplo la hemoglobina de la sangre transporta oxígeno desde los pulmones a todos los órganos del cuerpo.

• Proteínas inmunes o inmunoglobulinas Tienen una función de defensa. Reconocen, que unen e inactivan con moléculas que pueden ser dañinas para el organismo bloqueando sus acciones nocivas. Se unen irreversiblemente a la sustancia dañina bloqueando sus efectos.

• Proteínas reguladoras A consecuencia de su interacción con un ligando desencadenan o ponen en marcha determinados procesos metabólicos. Por ejemplo los receptores hormonales.

A pesar de todo, estas proteínas llevan a cabo dos funciones básicas y muy importantes:

• Representan la materia vital a través de la cual se forman los armazones de las células (son los pilares básicos, la materia vital de los armazones, el andamiaje molecular)

• Muchas proteínas sirven como enzimas y catabolizan la reacción química (son catalizadores) La vida depende de la aceleración enzimática de las reacciones químicas de cada célula en nuestro organismo. Estas enzimas catalizan o aceleran las reacciones químicas. Puesto que las proteínas son específicas, y las enzimas son proteínas, también son específicas. Al igual que éstas, si se desnaturalizan, pierden su capacidad enzimática específica. En un organismo vivo tienen lugar miles de reacciones químicas por segundo que no dejan de ser transformaciones de materia, de unos componentes en otros, que es lo que nosotros conocemos como metabolismo. Para que ocurra esta transformación tiene que haber una redistribución de la materia y para ello ciertas sustancias deben separarse y otras unirse. Se produce una rotura de enlaces mediante reacciones químicas. Cada reacción química está controlada o catalizada por una enzima específica por lo que su función es fundamental para entender todas las reacciones químicas y los procesos de la vida que dependen de la aceleración de éstas. Las enzimas por tanto, facilitan las reacciones en los organismos vivos, siendo esta una de las funciones más importantes de algunas proteínas Las proteínas que tienen esta función específica son las conocidas como enzimas y pueden acelerar la reacción 100 millones de veces. Las enzimas no inician las reacciones químicas, las activan y aceleran. La reacción química podría realizarse sin la intervención de las enzimas pero sería muy lenta.

Se necesita un aporte inicial de energía. La mayor parte de las reacciones químicas que transforman una sustancia a otra necesitan aportes de energía para que se realice la reacción, y esta energía es conocida como energía de activación, que suele ser bastante elevada (como para romper los enlaces químicos) Normalmente se suele realizar mediante calor (mucho más que la temperatura normal o de ambiente) pero nosotros no soportamos temperaturas tan altas, por lo que en la materia viva se realizan estas reacciones sin calor mediante catálisis o aceleración. Una sustancia A se transforma en una sustancia B pero para ello se necesita dicha energía de activación que normalmente se realiza mediante la temperatura. La temperatura sería la energía externa para producir velocidades de reacciones significativas (cada 10 grados, el calor aumenta la velocidad de las reacciones que ocurren en los seres vivos unas 2 o 3 veces):

• Los animales poiquilotermos, no tienen reguladores internos de energía corporal. Su temperatura coincide bastante con la ambiental por lo que los procedimientos van a depender de la temperatura del ambiente.

• En los animales homeotermos como las aves o los mamíferos, existen controles internos de la temperatura interna por lo que es constante aproximadamente a unos 36 o 36,5 grados. En estos tipos que se llaman de sangre caliente, las velocidades de las reacciones químicas no van a fluctuar directamente con los cambios de temperatura ambiental. En ellos la elevación de temperatura o calor no es posible porque no soportaríamos una temperatura tan elevada. La presencia de una enzima disminuye la cantidad de energía de activación que se necesita para que se produzcan las reacciones. Una molécula que tiene este efecto sobre una reacción es un catalizador. Las enzimas pueden ser definidas como biocatalizadores o catalizadores biológicos.

Sin las enzimas las reacciones químicas no serian lo suficientemente veloces como para mantener la vida a nuestra temperatura. La acción de las enzimas es disminuir la energía de activación para llevar a cabo las reacciones químicas obteniendo velocidades igualmente altas pero trabajando con temperaturas más bajas, así, gracias a ellas no es necesario administrar tanto calor.

Las enzimas, son proteínas y por lo tanto una de sus más importantes características es su especificidad ya que existen miles y cada una tiene una función para una estructura específica. Cada una de las miles de reacciones químicas es acelerada por una enzima determinada, específica respecto a la molécula sustrato (la moléculas sobre la que actuará la enzima) y respecto al tipo de reacción. El ligando es el sustrato que va a ser modificado o transformado, así la enzima se une a él para catalizar la reacción de ese sustrato para dar un producto diferente. Básicamente existe una enzima para cada tipo de reacción que tiene lugar en los organismos vivos.

Características de las enzimas en una reacción

Las enzimas intervienen en la reacción pero quedan intactas. No son modificadas, es decir, después de intervenir en la reacción a enzima queda como estaba en un principio y puede volver a usarse. La enzima como catalizador no es un reaccionante de la reacción, no interviene directamente en ella, solo disminuye la energía de activación y acelera la reacción. Así, su acción es acelerar pero una vez hecho su papel, es liberada intacta.

La enzima interacciona directamente con la sustancia o molécula sustrato, con la molécula de la reacción por lo que se necesita una complementariedad entre ambas moléculas (enzima-sustrato) Es tal la complementariedad que se le ha llamado modelo de la llave y la cerradura.

La reacción tiene lugar mientras el sustrato está unido a la enzima. Este complejo enzima-sustrato se separa, se libera el producto químico y la enzima queda intacta, tal cual estaba en un principio. Por tanto podemos esquematizar esta reacción enzimática:

Este complejo es intermedio y se forma antes de que se convierta en un producto. Esta reacción es reversible.

Por ejemplo la maltasa (que es una enzima) descompone la maltosa en dos moléculas de glucosa, pero a su vez es capaz de sintetizar maltosa a partir de dos moléculas de glucosa.

La región de la enzima en la que tiene lugar la interacción con el sustrato se llama centro activo. Precisamente el requerimiento de que encajen perfectamente señala la especificidad de las enzimas ya que solamente habrá una enzima que pueda actuar con el sustrato, cuya estructura sea complementaria a él. Hay una complementariedad entre el centro activo y el sustrato. Lo que hace que una enzima sea específica para el sustrato, para una reacción específica, es su estructura tridimensional, la conformación espacial.

Aunque debemos pensar en ellas en términos de llave y cerradura, sin embargo, esto no significa que las enzimas tengan que tener una estructura rígida. Hoy día se admite más un modelo o idea que propuso Koshland según el cual, en algunas enzimas el centro activo es complementario con el sustrato solo después de que se hayan unido. Este modelo sería de ajuste o encaje inducido. Según el cual, el centro activo posee una cierta complementariedad con el sustrato y se adapta a él con el primer contacto y parece ser que esto induce un cambio de conformación de la enzima fundamental para la reacción. La estructura de un sustrato determinado induce a la enzima a adaptarse o amoldarse.

La especificidad de las enzimas significa que una enzima no cataliza cualquier tipo de reacción sino una específica. La clasificación de las enzimas entonces depende del tipo de reacción. Nosotros veremos las enzimas hidrolíticas que reaccionan por hidrólisis (añadiendo agua)

Las enzimas hidrolíticas son las que mediante el proceso de hidrólisis descomponen un compuesto químico mediante la unión a una molécula de agua. Así, descomponen por hidrólisis los principios inmediatos, sales minerales, sales inorgánicas y también las moléculas. Estas enzimas se denominan:

• Carbohidrasas descomponen y aceleran las reacciones de los hidratos de carbono, es decir, descomponen polisacáridos en sus unidades o monosacáridos mediante hidrólisis.

• Lipasas Catalizan las reacciones químicas de las grasas dando lugar a glicerina y ácidos grasos.

• Proteasas Se propone el mismo proceso de catalización para las proteínas, descomponiéndolas en aminoácidos.

El sufijo -asa, identifica el nombre de una enzima. No quiere decir que todas las enzimas acaben en -asa, pero sí que todas las que acaban en -asa son enzimas.

Propiedades físico- químicas de las enzimas

Son solubles en agua y tienen un PH óptimo de actividad que oscila entre 6 y 7 y medio (como sabemos, 7 es el PH neutro, siendo por debajo de este valor ácido y por encima básico)

La temperatura también interviene o afecta a las reacciones de las enzimas. Así, las bajas temperaturas inactivan (bloquean la reacción) a las enzimas pero no las destruyen, si aumentamos la temperatura de nuevo, cuando vuelve a la temperatura normal u óptima recuperan su actividad. Sin embargo si aumentamos la temperatura, la enzima también se inactiva y bloquea la reacción, con la diferencia de que a partir de los 65º si que se destruyen (si se destruyen las enzimas, no hay reacciones químicas y esto puede ser letal sobre todo en homeotermos, mamíferos y aves) Las actividades optimas dependen de las condiciones ambientales.

Muchas sustancias que normalmente no se encuentran en los seres vivos, si se introducen en el interior pueden interaccionar con determinadas enzimas y entonces bloquear su acción, actuando como venenos (bloquean su actividad y tienen un efecto pernicioso, impiden que la sustancia normal pueda interaccionar con la enzima) Estos venenos actúan como inhibidores de la actividad enzimática y pueden bloquear por completo las reacciones, lo cual como ya dijimos puede ser letal, mortal ( por ejemplo el cianuro, el mercurio, la sal de plomo…) El efecto nocivo de estos venenos bloquean la actividad de las enzimas.

Además, hay algunas enzimas que para poder funcionar necesitan la presencia de alguna sustancia química como sales minerales, elementos metálicos (como hierro o zinc), sustancias orgánicas… sustancias químicas muy variadas. Estos factores que son necesarios para la actividad son llamados o conocidos como cofactores o coenzimas. Estos cofactores o coenzimas parecen ser agentes que en virtud de sus propiedades moldean la enzima en la forma requerida para un adecuado ajuste con el sustrato. Muchas de las sustancias que conocemos como vitaminas (por ejemplo la vitamina B) facilitan muchas reacciones químicas y por lo tanto son cofactores.

La vida celular posiblemente no sería posible sin la existencia de las proteínas, pero no obstante la célula podría no ser todavía una célula viva ya que las biomoléculas vistas hasta ahora (proteínas, lípidos y glúcidos) solo le dan potencialidad para tener una estructura, para realizar diversas funciones, para acumular y utilizar energía…pero la célula todavía no esta químicamente equipada para hacer efectivas estas potencialidades (no sabe como usar la energía, como alimentarse, que clase de estructura tiene que formar, que case de reacciones químicas…) Todo esto surge de los nucleótidos

Ácidos Nucleicos

Reciben este nombre porque tienen un carácter ácido y está localizado en el núcleo de la célula (nucleico) Están directamente implicados en la transmisión genética de padres a hijos. Estos ácidos nucleicos son polímeros, son macromoléculas cuyos monómeros o unidades componentes son los nucleótidos por lo que para entender los ácidos nucleicos, debemos entender el funcionamiento de los nucleótidos. El nucleótido está formado por tres sustancias y tiene una estructura relativamente difícil:

• Un azúcar Es una pentosa, puede ser la ribosa (ARN) o la desoxirribosa (ADN) (esta última es exactamente igual que la ribosa pero sin un oxígeno)

• Uno o varios grupos fosfato (P) Ácido fosfórico (H₃PO₄) Puede ser monofosfato, difosfato o trifosfato dependiendo de cuantos grupos fosfato tenga

• Una base nitrogenada Pueden ser de dos tipos: púrinas o bases púricas y pirimidinas o bases pirimidínicas.

El ARN nunca tiene timina y el ADN nunca tiene uracilo.

Los nucleótidos además de actuar como bloques para los ácidos nucleicos son importantes porque acumulan y tranferir energía. Destacan:

• Adenosin monofosfato (AMP) (1 molécula de fosfato)

• Adenosín trifosfato (ADP) (2 moléculas de fosfato)

• Adenosín trifosfato (ATP) es el más importante (3 moléculas de fosfato)

El ATP acumula y transfiere energía en catabolismo y anabolismo. Es un gran aceptador/dador de energía. Los demás (como citosina monofosfato, guanina difosfato…) también forman uniones de energía, pero la fuente de energía fundamental deriva siempre del ATP. Si se necesita energía, el ATP pierde un fosfato y se convierte en ADP (aportando energía) y si se necesita aún más energía perderá otro fosfato (convirtiéndose en AMP) Pero si al contrario, acumula energía, pasará de ser AMP a ser ADP y si sigue acumulando a recuperar su forma de ATP. El ATP es el principal portador de energía. Los ácidos nucleicos están formadas por largas cadenas de nucleótidos, son las moléculas más grandes que se conocen (millones de nucleótidos) El eje de un ácido nucleico está formado por pentosas y fosfatos alternados y las bases nitrogenadas unidas a las pentosas (azúcares)

Hay dos clases de ácidos nucleicos: el ADN y el ARN

• Ácido desoxirribonucleico (ADN o DNA) El ADN lleva la pentosa desoxirribosa que está en el núcleo de la célula y forma parte de los cromosomas, en partes del citoplasma o mitocondrias, que se ha descubierto en estos últimos años y que parece ser fundamental. Esta formado por grandes cadenas de nucleótidos formando una doble hélice y es responsable de transmitir los caracteres de padres a hijos. Contiene la información genética.

• Ácido ribonucleico (ARN o RNA) EL ARN lleva la pentosa ribosa y es abundante en el nucleolo, que está dentro del núcleo de la célula, aunque también se encuentra en el citoplasma. Tiene una sola hélice y su misión es enviar órdenes a los orgánulos para crear las distintas proteínas que se necesitan en cada momento.

Son largas cadenas de nucleótidos (polinucleótidos) tanto el ADN como el ARN. Existen dos diferencias esenciales y fundamentales entre ambos y es que el ADN lleva desoxirribosa y timina y el ARN lleva ribosa y uracilo. Pero además podemos observar otras diferencias:

	ADN	ARN
Localización	Núcleo, mitocondrias y cloroplastos	Núcleo y citoplasma
Bases pirimidínicas	Citosina y Timina	Citosina y Uracilo
Bases púricas	Adenina y Guanina	Adenina y Guanina
Pentosa	Desoxirribosa	Ribosa
Papel en la célula	Información genética	Síntesis de proteínas
Enzima hidrolítica	Desoxirribonucleasa	Ribonucleasa

Además, las cadenas de ADN son bastante más largas que las del ARN (ya que este se forma a partir del ADN) El ADN constituye el depósito de información genética. Es por tanto la base de la vida. Esta información es copiada o transcrita en el ARN por un proceso que se conoce como transcripción. Esta información que se obtiene en la síntesis del ARN tiene un código para una secuencia específica de aminoácidos para sintentizar una proteína en un proceso al que llamamos transducción.

Quien construye las proteínas es el que manda, el ADN, usando como intermediario el ARN.

Toda la información genética del organismo esta acumulada en los nucleótidos o bases nitrogenadas por lo que podemos decir que el alfabeto tiene cuatro letras: citosina (C), guanina (G), adenina (A) y timina (T):

Entre 1949 y 1953 fue cuando Chargaff, aunque no se conocía la estructura del ADN, comprobó que había una serie de regularidades y es que siempre, en cada molécula la cantidad de A (adenina) es igual a la de T (timina) y la de C (citosina) igual a la de G (guanina). El número de bases de purinas era igual al de pirimidinas pero no se conocía la estructura o naturaleza de estas regularidades.

Fue en 1953 cuando dos personajes muy importantes llamados Watson y Crick propusieron un modelo para la estructura del ADN que explicaba todas las regularidades observadas por Chagaff en las bases y sus funciones biológicas (fue una chica quién más contribuyó y estudió acerca de la estructura del ADN lo que les puso a ellos en la pista, ella murió joven y cuando tuvieron el nobel a pesar de ganarlo a su costa ni se lo agradecieron)

Según este modelo, el ADN está compuesto por dos cadenas de nucleótidos en espiral alrededor de un eje adoptando forma de doble hélice (doble helicoidal) de tal manera que cada molécula de desoxirribosa lleva bases púricas y pirimidinicas que ademas son las encargadas de mantener unidas a las dos cadenas por enlaces de hidrógeno (fácilmente separables, enlaces débiles) de tal manera que se relaciona la citosina con la guanina y la adenina con la timina. De ahí las regularidades observadas por Chargaff. Así, las uniones para mantener las dos cadenas se limitan a esas parejas, así si conocemos la secuencia de bases de una de las cadenas, conocemos la de la otra.

Conociendo la secuencia de bases de una cadena, conocemos inmediatamente la de la de otra. Por tanto, la estructura o esqueleto básico está formado por los grupos fosfato y los azúcares (las pentosas) y sobre éstas últimas, las bases nitrogenadas:

El ADN que está en los cromosomas es el portador de la información genética y ese mensaje genético tiene que pasar invariable de una generación celular a otra y para ello el ADN se replica duplicándose (haciendo copias de sí mismo) Esto es lo que se llama replicación o duplicación del ADN (autorreplicación o autoduplicación) y transmite el mensaje a sus dos copias.

Así se abren cada una de y cada una de ellas sirve para la síntesis de una nueva cadena (como otra de inducción para la formación de otra cadena) Así de uno, formamos dos con la misma información genética y en el mismo orden. Así se forma la cadena complementaria. Para duplicarse proporciona una molécula para cada molécula hija (la maternal) y una de nueva formación) Las moléculas hijo serán un híbrido entre una y otra

Esta duplicación de los cromosomas explica la transmisión de los caracteres hereditarios y además el mantenimiento de las bases nitrogenadas.

Propiedades del ADN

Proporciona a la célula la información o instrucciones sobre la manera de sintetizar proteínas específicas y a través de este control proteico controla todo (estructura, funciones…)

El ADN tiene capacidad de duplicarse por lo que es una molécula reproductora y la reproducción del ADN es el principio de toda reproducción.

Bajo ciertas condiciones el ADN puede sufrir mutaciones con lo que se da lugar a alteraciones en la secuencia de información.

Por tanto, el ADN es el que forma los genes y quién regula las células por lo que es la base de la vida.

ARN

Es solo una hélice que se sintetiza a partir de un fragmento de ADN (de ahí que sea más pequeño) su estructura primaria es muy parecida pero lleva ribosa en lugar de desoxirribosa y uracilo en lugar de timina:

El ADN está en el núcleo pero la síntesis de proteínas tiene lugar fuera del núcleo, en el citoplasma (en los ribosomas) El ARN es el gran intermediario entre el ADN y la síntesis de proteínas. Hay tres tipos de ARN:

ARNm (mensajero) es el que lleva la información genética que le ha dado el ADN que se ha transcrito y es el que en su secuencia de nucleótidos representa la secuencia de aminoácidos en una proteína, es decir, para la síntesis de proteínas tiene que haber una molécula que lleve la información al citoplasma desde el núcleo, con la información del ADN llegando a los ribosomas.

ARNr (ribosómico) representa más del 50% de la masa de los ribosomas. Es el sustrato molecular donde se realizan estos procesos. Es el soporte donde tiene lugar la síntesis de proteínas.

ARNt (transferencia) identifica y transporta los aminoácidos hasta el ribosoma por tanto allí se ensamblan los nucleótidos para formar una proteína.

Los ácidos nucleicos son polímeros cuyos monómeros son también moléculas complejas llamadas nucleótidos formados por fosfato, azúcar y bases nitrogenadas. Hay dos tipos de ácidos nucleicos: ADN y ARN (depósitos de la información genética) la información genética está almacenada en una secuencia de bases.

El ARN se sintetiza a partir del ADN (por eso es más pequeño) entonces el ADN se abre por la zona que va a ser transcrita y solo se copia una cadena que sirve de introducción para la síntesis de una nueva cadena.

Solo la cadena que forma el ARN se desprende (esa sola hélice la parte azul clara) y ya esta formado el ARN. Solo una hélice, la que se sintetiza es la que se desprende y el ADN vuelve a su estado, vuelve a unirse con su hebra anterior.

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