– Moléculas para el metabolismo

Biología molecular

• La biología molecular explica los procesos vivos aludiendo a las sustancias químicas implicadas.
• Las moléculas más variadas y complejas son los ácidos nucleicos y las proteínas.
• Los ácidos nucleicos incluyen el ADN y el ARN.
• Las proteínas controlan las reacciones químicas cuando actúan como enzimas.
• La relación entre los genes y las proteínas constituye la esencia de la biología molecular.

Síntesis de la urea

La urea es un compuesto producido por organismos vivos, pero también puede sintetizarse artificialmente.

• La urea es un compuesto que contiene nitrógeno con una estructura molecular simple. Se produce cuando hay un exceso de aminoácidos en el cuerpo, como forma de excretar el nitrógeno de los aminoácidos. Es producida en el hígado mediante un ciclo de reacciones catalizadas por enzimas y después se transporta por el torrente sanguíneo a los riñones, donde se filtra y elimina del cuerpo en la orina.
• También puede sintetizarse artificialmente. Las reacciones químicas son distintas de las del hígado y no intervienen enzimas, pero la urea producida es idéntica. La mayoría se usa como fertilizante de nitrógeno en los cultivos.

Compuestos de carbono

Los átomos de carbono pueden formar cuatro enlaces covalentes, lo que permite la existencia de una gran diversidad de compuestos.

• El carbono puede usarse para producir una enorme variedad de moléculas diferentes. Esto ha brindado a los organismos posibilidades ilimitadas para la composición química y las actividades de sus células.
• Forman enlaces covalentes con otros átomos. Este enlace se forma cuando dos átomos comparten un par de electrones y es el tipo de enlace más fuerte.

Clasificación de los compuestos de carbono

La vida se basa en los compuestos de carbono. Los principales son:

• Glúcidos: compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno, generalmente con dos átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno.
• Lípidos: moléculas insolubles en agua que incluyen esteroides, ácidos grasos y triglicéridos. Son grasas si son sólidas a temperatura ambiente o aceites si son líquidas.
• Proteínas: compuestas por una o más cadenas de aminoácidos. Todos ellos contienen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.
• Ácidos nucleicos: cadenas de subunidades llamadas nucleótidos, que contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo.
• Existen dos tipos: ácido ribonucleico (ARN) y ácido desoxirribonucleico (ADN).

Metabolismo

Es el conjunto de todas las reacciones químicas catalizadas por enzimas que ocurren en las células de un ser vivo. Implica todos los pasos en la transformación de las moléculas.

Anabolismo

Compuestos simples → Compuesto complejo

Requiere energía (ATP). Ejemplos: replicación del ADN, fotosíntesis, síntesis de proteínas.

Catabolismo

Compuestos complejos → Compuestos simples

Liberan energía (almacenada en ATP). Ejemplos: digestión de alimentos, respiración celular, digestión extracelular.

– El agua y sus propiedades

Puentes de hidrógeno en el agua

• Las moléculas de agua son polares y entre ellas se forman puentes de hidrógeno.
• La molécula de agua está formada por enlaces covalentes.
• La molécula es polar: el oxígeno tiene una carga parcial negativa (δ-) y los hidrógenos una carga parcial positiva (δ+).
• Las partículas con cargas opuestas se atraen. Esta atracción entre moléculas de agua forma los puentes de hidrógeno.
• La atracción entre las moléculas de agua es un puente de hidrógeno, una fuerza intermolecular.

Propiedades del agua

Los puentes de hidrógeno y la bipolaridad explican las propiedades cohesivas, adhesivas, térmicas y disolventes del agua.

Propiedades cohesivas

La cohesión se refiere a la unión de moléculas del mismo tipo. Las moléculas de agua son cohesivas, ya que se unen unas a otras mediante puentes de hidrógeno. Esta propiedad es útil, por ejemplo, para el transporte de agua en las plantas. La cohesión también produce una alta tensión superficial.

Propiedades adhesivas

La adhesión es la formación de puentes de hidrógeno entre el agua y otras moléculas polares, lo que hace que el agua se adhiera a ellas. Esta propiedad es útil en las hojas, donde el agua se adhiere a las moléculas de celulosa en las paredes celulares.

Propiedades térmicas

• Elevado calor específico: Se necesita mucha energía para romper los puentes de hidrógeno y aumentar la temperatura del agua. Gracias a esto, su temperatura permanece relativamente estable en comparación con el aire y la tierra.
• Elevado calor latente de vaporización: Se requiere una gran cantidad de calor para que el agua se evapore, rompiendo los puentes de hidrógeno. Este proceso tiene un efecto de enfriamiento.
• Elevado punto de ebullición: El agua es líquida en un amplio rango de temperaturas (de 0 °C a 100 °C a presión estándar).

Propiedades disolventes

Por su carácter polar, las moléculas de agua forman una capa alrededor de otras moléculas polares y cargadas, impidiendo que se aglutinen y manteniéndolas en solución. Esto convierte al agua en un excelente disolvente.

Sustancias hidrofílicas e hidrofóbicas

• Hidrofílico (amante del agua): Sustancias atraídas por el agua y que se disuelven en ella, como las moléculas polares.
• Hidrofóbico (que repele el agua): Sustancias insolubles en agua. No tienen cargas netas y no son polares. Un ejemplo son los lípidos.

– Glúcidos y lípidos

Glúcidos

Los monómeros de glúcidos se unen entre sí por reacciones de condensación para formar disacáridos y polímeros de polisacáridos.

• Los monosacáridos se pueden combinar para crear moléculas más grandes.
• Los monosacáridos son unidades individuales de azúcar.
• Los disacáridos consisten en dos monosacáridos unidos entre sí.
• Los polisacáridos constan de muchos monosacáridos unidos entre sí.

Monosacáridos

Ejemplos: Glucosa (hexosa – 6 carbonos) y Ribosa (pentosa – azúcar de 5 carbonos).

Reacciones de condensación e hidrólisis

La condensación implica la pérdida de un grupo -OH de una molécula y un átomo de H de otra, que juntos forman H₂O. La unión de monosacáridos para formar disacáridos y polisacáridos es un proceso anabólico que requiere energía. Se unen por un enlace glucosídico.

Disacáridos

• Maltosa = Glucosa + Glucosa
• Sacarosa = Glucosa + Fructosa
• Lactosa = Glucosa + Galactosa

Polisacáridos

• Son polímeros de carbohidratos compuestos por cientos o miles de monosacáridos.
• El tipo de polímero formado depende de las subunidades de monosacáridos involucradas y la disposición de unión entre ellas.

Lípidos

• Los triglicéridos se forman por condensación a partir de tres ácidos grasos y una molécula de glicerol.
• Los lípidos son un grupo diverso de compuestos de carbono con la propiedad común de ser insolubles en agua. Los triglicéridos son uno de los principales grupos de lípidos.
• Los triglicéridos se forman a partir de tres ácidos grasos y una molécula de glicerol. Cada uno de los ácidos grasos se une a la molécula de glicerol por una reacción de condensación, por lo que se liberan tres moléculas de agua.
• Los triglicéridos se usan como almacenes de energía. Su energía puede ser liberada por la respiración celular aeróbica.

Fórmula del IMC: masa (kg) / (altura (m))²

Ácidos grasos

Los ácidos grasos pueden ser saturados, monoinsaturados o poliinsaturados.

• Un ácido graso es una cadena de átomos de carbono con átomos de hidrógeno ligados a ellos (cadena hidrocarbonada).
• En un extremo de la cadena está el grupo carboxilo (-COOH).
• Suelen tener entre 14 y 20 átomos de carbono.
• Los átomos de carbono pueden estar ligados por enlaces covalentes simples o dobles.
• Un ácido graso saturado tiene solo enlaces simples entre sus átomos de carbono y contiene la mayor cantidad posible de hidrógeno.
• Los que poseen uno o más enlaces dobles son insaturados.
• Monoinsaturados: un solo enlace doble.
• Poliinsaturado: más de un enlace doble.

Ácidos grasos insaturados: isómeros cis y trans

• Isómeros cis: Los átomos de hidrógeno están en el mismo lado de los dos átomos de carbono unidos por el doble enlace. La cadena hidrocarbonada se curva en el enlace doble. Esto hace que los triglicéridos que los contienen se organicen peor, por lo que son líquidos a temperatura ambiente (aceites).
• Isómeros trans: Los hidrógenos están en lados opuestos. La cadena carbonada no se curva en el enlace doble, por lo que tienen un punto de fusión más alto y son sólidos a temperatura ambiente. Se producen artificialmente mediante la hidrogenación parcial de aceites vegetales.

– Proteínas

Aminoácidos y polipéptidos

• Los aminoácidos se unen entre sí mediante condensación para formar polipéptidos.
• Los polipéptidos son el principal componente de las proteínas, y en muchas de ellas son el único componente.
• En la reacción de condensación participan el grupo amino de un aminoácido y el grupo carboxilo de otro. Se elimina una molécula de agua y se forma un nuevo enlace llamado enlace peptídico. Un dipéptido es una molécula que consta de dos aminoácidos unidos por un enlace peptídico. Un polipéptido es una molécula que consta de muchos aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.

La diversidad de los aminoácidos

• Hay veinte aminoácidos diferentes en los polipéptidos sintetizados en los ribosomas.
• Todos los aminoácidos tienen una estructura común: un átomo de carbono central unido a un grupo amino (-NH₂), un grupo carboxilo (-COOH), un átomo de hidrógeno y un grupo R, que es diferente en cada aminoácido.

Diversidad de los polipéptidos

• Los aminoácidos se pueden unir entre sí en cualquier secuencia, proporcionando una variedad enorme de posibles polipéptidos.
• 2 aminoácidos → 1 dipéptido (20² = 400 combinaciones)
• 3 aminoácidos → 1 tripéptido (20³ = 8000 combinaciones)
• Menos de 20 aminoácidos → Oligopéptido
• Más de 20 aminoácidos → Polipéptido

Genes y polipéptidos

• La secuencia de aminoácidos de los polipéptidos está codificada por los genes.
• La mayoría de los genes almacenan la secuencia de aminoácidos de un polipéptido usando el código genético. Se necesitan tres bases del gen para codificar cada aminoácido del polipéptido.

Proteínas y polipéptidos

Una proteína puede consistir en un único polipéptido o en varios polipéptidos unidos entre sí.

Ejemplos:

• Lisozima: 1 polipéptido
• Insulina: 2 polipéptidos
• Integrina: 2 polipéptidos
• Colágeno: 3 polipéptidos
• Hemoglobina: 4 polipéptidos

Conformación de las proteínas

• La secuencia de aminoácidos determina la conformación tridimensional de una proteína.
• Las proteínas fibrosas son alargadas y tienen una estructura repetida.
• Muchas proteínas globulares tienen una forma intrincada que incluye partes helicoidales o laminadas.
• En proteínas globulares solubles en agua, los grupos R hidrofílicos están en la parte exterior de la molécula y los grupos hidrofóbicos en la parte interior.

Funciones de las proteínas

• Catálisis: Miles de enzimas diferentes catalizan reacciones químicas específicas.
• Contracción muscular: La actina y la miosina causan las contracciones musculares.
• Citoesqueleto: La tubulina forma los microtúbulos que dan forma a las células y participan en la mitosis.
• Resistencia a la tensión: Proteínas fibrosas como el colágeno aportan resistencia a la piel, tendones y ligamentos.
• Coagulación de la sangre: Proteínas del plasma actúan como factores de coagulación.
• Transporte de nutrientes y gases: Proteínas en la sangre transportan oxígeno, dióxido de carbono, hierro y lípidos.
• Adhesión celular: Proteínas de membrana unen células adyacentes en los tejidos.
• Transporte de membrana: Se utilizan para la difusión facilitada, el transporte activo y el transporte de electrones.
• Hormonas: Algunas, como la insulina, son proteínas.
• Receptores: Sitios de unión para hormonas, neurotransmisores, sabores, olores y luz.
• Empaquetamiento del ADN: Las histonas se asocian al ADN en eucariotas.
• Inmunidad: Los anticuerpos son proteínas que reconocen y neutralizan patógenos.

Ejemplos de proteínas

• Rubisco: (Ribulosa bifosfato carboxilasa) Enzima que cataliza la fijación del dióxido de carbono atmosférico durante la fotosíntesis. Se encuentra en altas concentraciones en las hojas.
• Insulina: Hormona producida por las células β del páncreas. Señaliza a las células del cuerpo que absorban glucosa, ayudando a reducir su concentración en sangre.
• Inmunoglobulinas (Anticuerpos): Tienen sitios que se unen a antígenos de patógenos. El cuerpo puede producir una inmensa variedad de ellas.
• Rodopsina: Pigmento que absorbe la luz en las células de los bastones de la retina, esencial para la visión.
• Colágeno: Proteína fibrosa formada por tres polipéptidos enrollados. Forma parte de la estructura de dientes y huesos, ayudando a prevenir fracturas.

Proteomas

• Cada individuo tiene un proteoma único.
• Un proteoma es el conjunto de todas las proteínas expresadas dentro de una célula, tejido u organismo en un momento determinado. Está determinado por el genoma del individuo y la actividad de sus células.

– Enzimas

Enzimas y sitios activos

• Las enzimas tienen un sitio activo al que se unen sustratos específicos.
• Las enzimas son proteínas globulares que actúan como catalizadores: aceleran las reacciones químicas sin sufrir cambios ellas mismas. Las sustancias que las enzimas convierten en productos se denominan sustratos.
• Se necesitan muchas enzimas diferentes porque cada una cataliza una reacción bioquímica específica (especificidad enzima-sustrato).
• El sustrato se une a un área especial en la superficie de la enzima llamada sitio activo. La forma y las propiedades químicas del sitio activo y el sustrato encajan mutuamente.

Actividad enzimática

• La catálisis enzimática implica desplazamientos de moléculas y la colisión de los sustratos con el sitio activo.
• La actividad enzimática tiene tres etapas:

1. El sustrato se une al sitio activo de la enzima.
2. Mientras está unido, el sustrato se transforma en el producto.
3. El producto se separa del sitio activo, dejándolo libre para otro sustrato.

La unión de una molécula de sustrato y un sitio activo se conoce como colisión. Las colisiones ocurren debido a los movimientos aleatorios de ambos. Las colisiones productivas son aquellas en las que el sustrato y el sitio activo están correctamente alineados.

Factores que afectan a la actividad enzimática

La temperatura, el pH y la concentración de sustrato afectan la actividad enzimática.

• Temperatura: Al aumentar la temperatura, las partículas ganan energía cinética y se mueven más rápido, incrementando la probabilidad de colisión y la actividad enzimática. Sin embargo, a temperaturas muy altas, los enlaces de la enzima se rompen, cambiando su estructura de forma permanente (desnaturalización), lo que disminuye drásticamente su actividad.
• pH: La mayoría de las enzimas tienen un pH óptimo en el cual su actividad es máxima. Desviaciones de este pH óptimo reducen la actividad enzimática y pueden causar desnaturalización.
• Concentración de sustrato: Al aumentar la concentración de sustrato, las colisiones con el sitio activo son más frecuentes y la velocidad de reacción aumenta. Sin embargo, llega un punto en que todos los sitios activos están ocupados (saturación), y un aumento adicional de sustrato no incrementará más la velocidad de la reacción.

Desnaturalización

Es la pérdida de la estructura tridimensional de una proteína, lo que conlleva la pérdida de su función. Puede ser causada por altas temperaturas o por un pH extremo. Cuando una enzima se desnaturaliza, el sitio activo cambia de forma y el sustrato ya no puede unirse a él.

Enzimas inmovilizadas

Son enzimas unidas a un material o agregadas para restringir su movimiento, lo que permite su uso en procesos industriales fuera de las células vivas.

• Ventajas de la inmovilización:
  • La enzima se puede separar fácilmente de los productos, deteniendo la reacción en el momento ideal.
  • La enzima puede reciclarse, lo que supone un ahorro económico.

– Estructura del ADN y el ARN

Ácidos nucleicos y nucleótidos

• Los ácidos nucleicos ADN y ARN son polímeros de nucleótidos.
• Los nucleótidos constan de tres partes:
  • Un azúcar pentosa (de cinco carbonos).
  • Un grupo fosfato.
  • Una base nitrogenada.
• Para formar un polímero, se forman enlaces covalentes entre el fosfato de un nucleótido y el azúcar pentosa del siguiente.

Diferencias entre el ADN y el ARN

El ADN difiere del ARN en el número de cadenas, la composición de las bases y el tipo de pentosa.

• Azúcar: El azúcar en el ADN es la desoxirribosa, mientras que en el ARN es la ribosa.
• Número de cadenas: El ADN es generalmente bicatenario (dos cadenas), mientras que el ARN es monocatenario (una cadena).
• Bases nitrogenadas: Las cuatro bases del ADN son Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G) y Timina (T). Las cuatro bases del ARN son A, C, G y Uracilo (U).

Estructura del ADN

• El ADN es una doble hélice formada por dos cadenas antiparalelas de nucleótidos.
• Las dos cadenas son paralelas pero discurren en direcciones opuestas, por lo que se denominan antiparalelas (una cadena se orienta en dirección 5’ → 3’ y la otra en 3’ → 5’).
• Las cadenas se mantienen unidas mediante puentes de hidrógeno entre los pares de bases complementarias: la Adenina (A) siempre se empareja con la Timina (T), y la Guanina (G) siempre se empareja con la Citosina (C).

Etiquetas: Agua, Biología Molecular, Bioquímica, compuestos de carbono, glúcidos, lipidos, moléculas orgánicas, proteinas