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MATURITA DE BIOLOGÍA
GBZA
BIOMOLÉCULAS
1. INTRODUCCIÓN.
2. EL AGUA Y SALES MINERALES.
3. GLÚCIDOS.
4. LÍPIDOS.
5. PROTEÍNAS.
6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLÉICOS.
7. ACTIVIDADES.
1. INTRODUCCIÓN.
Los seres vivos son conjuntos organizados de materia. Todos lo seres vivos están formados por el
mismo tipo de átomos, entre los que destaca el carbono.
De los elementos químicos de la tabla periódica, sólo se encuentran unos 20 en los seres vivos, a éstos
elementos los llamamos bioelementos, y no todos ellos son igualmente abundantes. Ciertos elementos
llamados oligoelementos por estar presentes en pequeñísimas cantidades (menos del 0,01%).
BIOELEMENTOS
OLIGOELEMENTOS
ELEMENTO SÍMBOLO PORCENTAJE EN PESO
ELEMENTO
SIMBOLO
Oxígeno
Carbono
Hidrógeno
Nitrógeno
Calcio
Fósforo
Azufre
Potasio
Cloro
Sodio
Magnesio
Yodo
Hierro
Cobre
Manganeso
Molibdeno
Cobalto
Boro
Zinc
Flúor
Selenio
Cromo
Cu
Mn
Mo
Co
B
Zn
F
Se
Cr
O
C
H
N
Ca
P
S
K
Cl
Na
Mg
I
Fe
62,00
20,00
10,00
3,00
2,50
1,00
0,25
0,25
0,20
0,10
0,07
0,01
0,01
La mayoría de los átomos no poseen una configuración estable, y se unen entre sí mediante enlaces para
formar biomoléculas, Las moléculas que constituyen los seres vivos las podemos agrupar en dos grandes
grupos:
•
•
Biomoléculas inorgánicas: se encuentran en los seres vivos , pero no son exclusivas de ellos, y son
agua y sales minerales.
Biomoléculas orgánicas: son exclusivas de los seres vivos, y siempre presentan carbono en su
composición. Son glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucléicos.
2. EL AGUA Y LAS SALES MINERALES.
El agua es la biomolécula más abundante en cualquier ser vivo, y representa entre el 60 y 90% de
su peso. Cubre la mayor parte de la superficie de la tierra, la vida se originó en el agua, es casi imposible
imaginar la existencia de vida en un planeta sin agua. Hay organismos que viven en la ínfima cantidad de
agua de un grano de arena, algunas bacterias se encuentran en los límites de fusión de los témpanos
polares, en las aguas casi hirvientes de los manantiales termales. Para comprender por qué el agua es tan
extraordinaria, debemos considerar su estructura molecular. Su molécula es un átomo de oxígeno que se
une covalentemente a dos átomos de hidrógeno, los átomos forman un ángulo de 105º. Al ser el átomo de
oxígeno más electronegativo , atrae los electrones quedando cargado δ- mientras que el exceso de carga
Rafael A. Medel Martínez
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positiva δ+ queda sobre los dos hidrógenos. Como resultado la molécula de agua es polar, con dos zonas
débilmente negativas y dos zonas débilmente positivas.
En consecuencia, entre sus moléculas se forman enlaces débiles. entre un átomo de oxígeno δ- con
otro de hidrógeno δ+ de otra molécula, se conocen como puentes de hidrógeno. Cada molécula de agua
puede formar puentes de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua. Aunque los enlaces individuales
son débiles y se rompen continuamente, la fuerza total de los enlaces que mantienen a las moléculas juntas
es muy grande. Ésta estructura proporciona a la molécula de agua ciertas propiedades importantes para la
vida:
Propiedades :
a) Tensión superficial, es debida a la fuerza que une las moléculas de agua
entre sí, es una tensión elevada únicamente superado por el mercurio. Esto
explica el por qué al colmar un vaso por encima del borde se forma una
superficie convexa. Ésta propiedad explica su gran capilaridad, capacidad para ascender desde la raíz a las
hojas.
b) Calor espefífico elevado, es decir se requiere mucha energía para elevar la temperatura del agua, del
mismo modo al bajarla, se desprende mucho calor. Gracias a ésta gran capacidad que tiene el agua para
absorber el calor producido por las reacciones metabólicas, la temperatura de los seres vivos puede
mantenerse sin sufrir grandes oscilaciones. Además posee una alta conductividad térmica los animales se
sirven de ésta propiedad para perder calor al sudar. Gracias a esta propiedad la temperatura de los seres
vivos puede mantenerse sin sufrir grandes oscilaciones.
c) La densidad del agua es mayor que la densidad del hielo, esto se debe a que las moléculas de agua
cuando se encuentran a una temperatura inferior a 0ºC , punto de congelación del agua, se ordenan
formando una red cristalina, que ocupa más volumen. La importancia es vital para los organismos
acuáticos que viven en regiones frías. Se forma una capa que aísla el agua del frío exterior y retarda la
formación de más hielo, protegiendo de la congelación a los individuos que viven bajo él. Sin embargo la
formación de cristales de hielo dentro del organismo puede destruir sus estructuras y causarle la muerte,
algunos insectos, peces y ranas poseen anticoagulantes naturales, como el glicerol.
d) El agua es disolvente universal. Cuando una molécula se disuelve, sus componentes se separan
(moléculas o iones) y se rodean de moléculas del disolvente, Dentro de los sistemas vivos, muchas
sustancias se encuentran en solución acuosa. La polaridad de las moléculas de agua es la responsable de la
capacidad solvente del agua. Las moléculas polares de agua tienden a separar sustancias iónicas, como el
cloruro de sodio (NaCl), en sus iones constituyentes. Las
moléculas de agua se aglomeran alrededor de los iones con carga
y los separan unos de otros (proceso de solvatación), por el
contrario las moléculas no polares, no son solubles en agua y
forman interfases, en las que tienen lugar muchas reacciones
químicas de los seres vivos. Ésta propiedad permite que en el
agua se realicen la mayoría de las reacciones químicas de las
células.
Este diagrama muestra al cloruro de sodio (NaCl) disolviéndose
en el agua a medida que las moléculas de ésta se aglomeran
alrededor de los iones individuales sodio y cloruro separándolos
unos de otros. Muchas de las moléculas importantes en los
sistemas vivos que presentan uniones covalentes, como los azúcares, tienen regiones de carga parcial
positiva o negativa. Estas moléculas, por lo tanto, atraen moléculas de agua y también se disuelven en
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agua. Las moléculas polares que se disuelven rápidamente en agua son llamadas hidrofílicas. Éstas
sustancias se disuelven fácilmente en agua porque sus regiones parcialmente cargadas atraen moléculas de
agua.
Las sales minerales son moléculas inorgánicas que pueden encontrarse en estado sólido o
disueltas. Las sales minerales regulan los procesos osmóticos asociados al paso de agua a través de
membranas semipermeables, el pH, y las concentraciones de inones. Además cada ión puede desempeñar
funciones concretas, como el Ca2+ que interviene en la contracción muscular. Las sales en estado sólido,
forman parte de estructuras esqueléticas, como el fosfato cálcico Ca3(PO4)2 y el carbonato cálcico CaCO3
que forman parte de los huesos y dientes de vertebrados, o las conchas de los moluscos.
Las sales minerales que aparecen en disolución se disocian en sus iones , los principales son :
Cationes: ( Na+,K+,Ca2+,Mg2+)
Aniones:
( Cl-,CO32-,HPO4-,SO42-, HCO3-). Cada uno de estos iones cumple una función
determinada en las células.
3. GLÚCIDOS.
Son los compuestos orgánicos denominados azúcares, y están formados por Carbono, Oxígeno e
Hidrógeno. Éstas son las biomoléculas más importantes de la naturaleza y constituyen la principal reserva
energética de los seres vivos. Los glúcidos están formados por una o varias unidades constituidas por
cadenas de entre 3 a 7 átomos de carbono. Uno de éstos carbonos es un grupo carbonilo , aldehído –CHO ,
o cetona –CO- , el resto de los átomos están unidos a grupos hidroxilo –OH. Por ello se denominan
polihidroxialdehídos o aldosas y polihidroxicetonas o cetosas.
Las polihidroxialdehídos y las polihidroxicetonas se pueden unir mediante enlaces covalentes, para
dar lugar a polímeros , éstos enlaces se denominan enlaces O-glucosídico
Los glúcidos se utilizan para producir y almacenar energía por las células (glucosa, glucógeno y
almidón), algunos como la celulosa constituyen importantes estructuras celulares, algunos asociados a
lípidos (glucolípidos) y proteínas (glucoproteínas) desempeñan papel clave en el reconocimiento entre las
células.
3.1 Monosacáridos.
Son los hidratos de carbono elementales, responden a la fórmula general es (CH2O) n. donde n es
un número entero comprendido entre 3 y 8, según su número de carbonos se denominan triosas, tetrosas,
pentosas, etc. En general son blancos, de sabor dulce y solubles en agua.
Son moléculas que poseen isomería y en el caso de los monosacáridos que poseen más de 2 carbonos, las
formas D y L se determinan teniendo en cuenta el –OH del carbono asimétrico más alejado del grupo
carbonilo. Curiosamente en la naturaleza casi todos los glúcidos se encuentran en la forma D.
Cuando los glúcidos de 5 o más átomos de carbono se disuelven en agua, estado en el que se encuentran
los seres vivos, adoptan estructuras cíclicas. En el caso de la D-glucosa forma un ciclo hexagonal, donde
los vértices los ocupen 5 carbonos y un oxígeno. El carbono 1 en éste caso se ha convertido en carbono
asimétrico y se denominan anómero α y anómero β.
Los monosacáridos son moléculas de las que las células obtienen fácilmente energía. El más abundante de
todos es la glucosa, algunas hexosas , glucosa, fructosa y galactosa, se unen entre sí para formar
disacáridos.
3.2. Oligosacáridos.
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Son compuestos formados por la unión de 2 a 10
monosacáridos, unidos mediante enlaces o-glucosídicos. En general
son solubles en agua y tienen sabor dulce. Los oligosacáridos son
cadenas cortas y lineales. El enlace se produce entre el carbono de un
grupo hidroxilo de un monosacárido y el carbono anomérico de otro
monosacárido.
Los disacáridos se forman por la unión de dos monosacáridos. En la
reacción se desprende una molécula de agua y el enlace resultante se
denomina glucosídico. Los disacáridos más abundantes en la
naturaleza son: maltosa, lactosa y sacarosa.
a) Maltosa formada por la unión de 2 moléculas de glucosa, se
encuentra en los granos de la cebada y se conoce como malta.
b) Lactosa resulta de la unión de una molécula de glucosa y una de
galactosa. Es el azúcar presente en la leche de los mamíferos.
c) Sacarosa, formada por la unión de una molécula de glucosa y una
de fructosa. La sacarosa es el principal disacárido de los vegetales,
muy abundante en la caña de azúcar y en la remolacha. El enlace
glucosídico puede romperse en presencia de agua y las
correspondientes enzimas: maltasa, lactasa y sacarasa, el resultado
son las correspondientes moléculas de monosacárido.
3.3. Polisacáridos.
Compuestos por un gran número de monosacáridos unidos
entre ellos mediante enlaces o-glucosídicos. En general no son dulces ni solubles en agua. Los
polisacáridos más frecuentes en los seres vivos, almidón, glucógeno y celulosa; están formados
únicamente por unidades de glucosa, otros polisacáridos como la quitina, no contienen glucosa sino un
monosacárido derivado de ella.
a) Almidón.
Es el polisacárido de reserva de las plantas, constituido por dos polímeros de glucosa, amilosa
(30%) y amilopectina (70%). La amilosa es un polímero formado por unidades de glucosa unidas por
enlaces α (14). La amilopectina es también un polímero de la glucosa formado por enlaces pero
ramificado, las ramificaciones se inician con enlaces α (16). La amilopectina presenta ramificaciones
cada 30 unidades de glucosa aproximadamente lo que le impide formar la hélice que forma la glucosa. La
presencia de amilopectina confiere al almidón una estructura menos compacta y más favorable a la acción
de las enzimas hidrolíticas. El almidón se acumula en forma de plastos en las células vegetales. Es más
abundante en las semillas y en los tubérculos.
b) Glucógeno.
Es la principal sustancia de reserva de los animales. Es especialmente abundante en el hígado y en
los músculos estriados. Está formado por cadenas lineales de glucosa unidas mediante enlaces α (14)
que presentan también ramificaciones α (16), que aparecen cada 10 unidades de glucosa
aproximadamente. El glucógeno no posee estructura helicoidal , lo que lo hace más accesible a la acción
de las enzimas, y puede ser degradado en las células animales más rápidamente que el almidón en los
vegetales.
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c) Celulosa.
Es un polisacárido muy importante, que
entra a formar parte de la estructura de las células
vegetales, siendo por ello la molécula orgánica
más abundante sobre la Tierra. es una cadena
lineal de glucosas que se unen por enlaces β
(14). Nosotros no podemos degradar la celulosa
que ingerimos por carecer de las enzimas
digestivas capaces de romper los enlaces β (14),
pasando inalterada por el tracto digestivo sin
proporcionarnos energía. Sin embargo, es
importante en nuestra dieta, pues estimula el
intestino y facilita la defecación. Muchas bacterias
poseen celulasas y son capaces de degradar la
celulosa, en el caso de los herbívoros éstos tienen
microorganismos simbióticos que poseen en su
tubo digestivo.
d) Quitina
Es
el
principal
componente del
exoesqueleto de los insectos y de los crustáceos y
de la pared que envuelve las células de los hongos.
Se trata de un polímero de N-acetil glucosamina
unidas por enlace α (14). Adopta una estructura
similar a la celulosa pero con enlaces de
hidrógeno más fuertes debido al grupo N-acetil.
La dureza del exoesqueleto de los artrópodos se
debe a la alternancia de capas de quitina con otras
de proteína.
3.4. Glucoproteínas y glucolípidos.
En las membranas plasmáticas la mayor parte de las proteínas y algunos de los lípidos expuestos al
exterior de la célula, poseen restos de oligosacáridos unidos covalentemente. Algunos de los
monosacáridos que aparecen más frecuentemente en las glucoproteínas son: galactosa, glucosa,
glucosamina, galactosamina, etc. Tienen un papel importante en las interacciones celulares. Un ejemplo es
la estructura de los grupos sanguíneos humanos A,B,0. Éstos grupos se definen por la presencia en la
membrana plasmática de unos antígenos formados por glucoproteínas y glucolípidos.
4. LÍPIDOS
Los lípidos agrupan una gran cantidad de moléculas orgánicas de muy diversa naturaleza química,
que comparten una propiedad, la de ser insolubles en agua. Esto se debe a que poseen numerosos enlaces
apolares carbono-hidrógeno, sin embargo se disuelven en disolventes orgánicos como alcohol, benceno,
éter, cloroformo, etc. Están formados por carbono, oxígeno e hidrógeno y en ocasiones contienen otros
elementos como el fósforo y nitrógeno.
Están formados por cadenas hidrocarbonadas, lineales, o cíclicas, en las que pueden presentarse
grupos carboxilo, hidroxilo o amino. Son biomoléculas que realizan funciones muy diversas en los
organismos:
- reserva de energía (ácidos grasos , triacilgliceroles y ceras).
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-
función estructural (glicerofosfolípidos, esfingolípidos y los esteroles).
funciones específicas (caso de las hormonas y vitaminas de composición lipídica).
Lípidos saponificables
-
Acilglicéridos
Ceras
Fosfolípidos
Lípidos
esfingosina
Lípidos insaponificables
-
Esteroides
Terpenos
Prostaglandinas
Para clasificarlos distinguiremos
entre los lípidos que poseen ácidos
grasos, por tanto saponificables , de
los lípidos que no poseen ácidos
grasos, los insaponificables.
con
4.1. Ácidos grasos.
Son sustancias que se encuentran formando parte de otros compuestos como los triacilgliceroles o las
ceras. Están formados por una cadena hidrocarbonada con un grupo carboxilo, en general la cadena es
lineal y posee un número par de átomos de carbono que oscila entre 14 y 22 . Cuando los enlaces son
sencillos los ácidos grasos se denominan saturados y cuando presentan algún doble enlace se denominan
insaturados , esto hace que disminuya el punto de fusión de los ácidos grasos.
Ácido
(saturado)
Fórmula
Ácido
(insaturado)
Fórmula
Cáprico
Láurico
Palmítico
Esteárico
CH3-(CH2)8-COOH
CH3-(CH2)10-COOH
CH3-(CH2)14-COOH
CH3-(CH2)16-COOH
Palmitoleico
Oleico
Linolénico
Linoleico
CH3-(CH2)5-CH=CH-(CH2)7-COOH
CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH
CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)4-COOH
CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH
La cadena hidrocarbonada de los ácidos grasos es hidrofóbica, mientras que el extremo que contiene el
grupo carboxilo polar será hidrofílico, éstas moléculas heteropolares tienen la peculariedad, que si
añadimos una pequeña gotita de aceite a un agua, forman unas estructuras donde las largas cadenas se
orientan hacia el interior, éste comportamiento permite construir membranas biológicas. Los ácidos grasos
no suelen encontrarse libres en las células, pues en grandes cantidades suelen ser tóxicos, generalmente
suelen encontrarse formando acilglicéridos.
4.2. Acilglicéridos.
Son ésteres de glicerol con ácidos grasos. Según cuantos grupos –OH del glicerol se esterifiquen,
se forman los mono- di- o triacilglicéridos. Los ácidos grasos implicados pueden ser iguales o diferentes.
El punto de fusión de los triglicéridos depende de los ácidos grasos que lo componen. Los triglicéridos son
apolares, insolubles en agua.
La reacción de formación de los triglicéridos se denomina esterificación y es la reacción mediante
la cual se une el carbono de un grupo hidroxilo con el carbono de un grupo carboxilo y como
consecuencia se pierde una molécula de agua. Los que son sólidos a temperatura ambiente se denominan
grasas, y los que se mantienen en estado líquido, aceites. Generalmente las grasas proceden de los
animales y poseen mayor porcentaje de ácidos grasos saturados. La hidrogenación de los ácidos grasos
insaturados produce ácidos grasos saturados, pasando por tanto a sólidos, por éste procedimiento se
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fabrican las margarinas. La hidrólisis de los triglicéridos se denomina saponificación y da lugar a la
liberación de glicerol y ácidos grasos. Cuando se produce la hidrólisis de los triacilgliceroles en presencia
de bases como el KOH y el NaOH, los ácidos liberados se unen a los ines K+ o Na+ y dan lugar a las sales
denominadas jabones, esta reacción recibe el nombre de saponificación.
Los triglicéridos constituyen la fuente de energía más importante de las células. Las grasas se han
convertido en las reservas de alimento por excelencia. Procesos tan importantes como las migraciones de
las aves no podrían ocurrir si no fuera por la reserva de energía que éstas acumulan en forma de grasas, si
tuvieran que acumular glucógeno, el peso del animal sería tan grande que el animal no podría volar. Las
grasas tienen además función de aislante térmico, muy importante en el caso de animales de climas fríos
como peces o ballenas. En promedio, las grasas producen aproximadamente 9,3 kilocalorías por gramo, en
comparación con las 3,79 kilocalorías por gramo de carbohidrato, o las 3,12 kilocalorías por gramo de
proteína, por tanto las grasas almacenan seis veces más energía gramo por gramo que el glucógeno.
4.3. Ceras
Son lípidos derivados de los ácidos grasos, formados por ácidos grasos de cadena larga unidos
mediante enlaces éster a monoalcoholes de 16 a 30 átomos de carbono. Esto determina que las ceras sean
sólidas y tengan puntos de fusión muy alto.
Se encuentran en las membranas protectoras e impermeables de muchos organismos, como en la
piel, pelo, plumas, exoesqueleto de los insectos, o en las hojas y frutos de muchos vegetales. También
forman el cerumen existente en el conducto auditivo. Algunas ceras tienen importancia económica: la cera
de palmera se emplea para abrillantar, la de abeja para fabricar velas, la lanolina en la fabricación de
cosméticos.
4.4. Fosfolípidos
Son los lípidos estructurales más importantes. Derivan del
ácido fosfatídico. Su esqueleto está formado por glicerol-3-fosfato.
Los carbonos C1 y C2 del glicerol se esterifican con ácidos grasos,
siendo el C2 el carbono asimétrico.Dado que contienen fosfato y otros
grupos polares, poseen un extremo polar y otro apolar, de ahí que
formen fácilmente miscelas y estructuras membranosas.
Las "colas" de ácido graso son no polares y por lo tanto,
hidrofóbicas; la "cabeza" polar que contiene a los grupos fosfato es
soluble, es hidrofílica. Esta disposición de las moléculas de
fosfolípido, con sus cabezas hidrofílicas expuestas y sus colas
hidrofóbicas agrupadas, forman la base estructural de las membranas
celulares.
4.5. Lípidos con esfingosina
Son lípidos en los que en lugar de glicerina, hay esfingosina,
que es un alcohol insaturado con dos grupos hidroxilo y un amino. A
éste grupo de lípidos pertenecen los glucolípidos y esfingolípidos.
Los esfingolípidos son el resultado de la unión de un ácido graso, un ácido fosfórico y una
molécula de colina. El ácido graso se une a la molécula de –NH2 de la esfingosina, mientras que el ácido
fosfórico lo hace al –OH y la colina al ácido fosfórico. La esfingosina es el esfingolípido más abundante,
se encuentra en casi todas las membranas celulares junto con fosfolípidos.
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Los glucolípidos ("lípidos con azúcar"), se localizan en la parte exterior de la bicapa, quedando los
oligosacáridos hacia el exterior de la superficie celular. Son lípidos derivados de la esfingosina que
contienen oligosacáridos en su estructura y carecen de ácido fosfórico. En solución acuosa, los
glucolípidos se comportan del mismo modo que los fosfolípidos. También son componentes importantes
de las membranas celulares en las que cumplen funciones de reconocimiento celular.
4.6. Esteroides
Éste grupo de lípidos incluye moléculas con actividad biológica muy variada, como lípidos de
membrana, ciertas hormonas y vitaminas. Sin embargo todas ellas derivan de un núcleo básico común: el
ciclopentano perhidrofenantreno.
El esteroide más abundante es el colesterol, esencial en las membranas de las células animales,
cerebro y tejido nervioso. El colesterol es además precursor de las hormonas sexuales y de los ácidos
biliares, éstos últimos se producen en el hígado y juegan un importante papel en la emulsión de grasas y su
posterior absorción en el intestino. El colesterol se encuentra en las membranas celulares su presencia da
rigidez a las membranas y evita su congelamiento a muy bajas temperaturas. También es un componente
principal de la vaina de mielina, la membrana lipídica que envuelve a las fibras nerviosas de conducción
rápida, acelerando el impulso nervioso. El colesterol es sintetizado en el hígado a partir de ácidos grasos
saturados y también se obtiene en la dieta, principalmente en la carne, el queso y las yemas de huevo. Las
altas concentraciones de colesterol en la sangre están asociadas con la aterosclerosis, enfermedad en la
cual el colesterol se encuentra en depósitos grasos en el interior de los
vasos sanguíneos afectados
Otros esteroides tienen función hormonal, es decir, actúan
como mensajeros químicos entre las células de distintas partes del
cuerpo. Las principales son la aldosterona y cortisol, y las hormonas
sexuales testosterona (ver imagen) y progesterona. Algunas vitaminas
liposolubles como la vitamina D, son también esteroides.
4.7. Terpenos
Son también lípidos simples, derivados de una molécula de 5 carbonos denominada isopreno, ésta
molécula puede polimerizarse originando otras moléculas de estructura lineal o cíclica. Los terpenos
constituyen algunos de los aceites esenciales de las plantas, que les confieren olores y sabores
característicos, tales como el mentol, el alcanfor, el limoneno o el geraniol.
Entre los terpenos de estructura más complicada se encuentra el fitol, que forma parte de la
molécula de clorofila, el escualeno precursor del colesterol y los carotenoides, pigmentos de las células
vegetales. Las vitaminas E y K también son terpenos.
4.8. Prostaglandinas
Se descubrieron por primera vez en 1938 en el semen humano, y en la actualidad se conocen unas
20 moléculas distintas. Están presentes en la mayoría de los tejidos animales, en los que ejercen
numerosas acciones de naturaleza reguladora. Algunas estimulan la contracción del músculo liso y
disminuyen la presión sanguínea. Otras relacionadas con el ciclo menstrual, las reacciones alérgicas o las
respuestas inflamatorias durante las infecciones. Parece que la aspirina inhibe la síntesis de
prostaglandinas, y éste puede ser el mecanismo por el que la aspirina reduce la inflamación y la fiebre.
Algunas prostaglandinas tienen aplicaciones clínicas para provocar el parto o el aborto terapéutico.
5. PROTEÍNAS
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Las proteínas son unas de las moléculas más abundantes en los sistemas vivos, constituyen el 50%
o más del peso seco. Hay muchas moléculas de proteína diferentes: enzimas, hormonas, proteínas de
almacenamiento como la que se encuentra en los huevos de las aves y los reptiles, proteínas de transporte
como la hemoglobina, proteínas contráctiles como las que se encuentran en el músculo, inmunoglobulinas
y proteínas de membrana entre otras.
Todas las proteínas tienen el mismo esquema simple: todas son polímeros de aminoácidos,
dispuestos en una secuencia lineal. Los aminoácidos constituyen la base estructural de los péptidos y
proteínas. Desde el punto de vista químico estos productos se caracterizan por poseer un grupo carboxilo –
COOH unido a un grupo amino –NH2 unidos a un mismo carbono, denominado carbono alfa. En teoría es
posible la existencia de una gran variedad de aminoácidos distintos, pero sólo veinte tipos diferentes se
utilizan para construir las proteínas. Éstos aminoácidos que forman parte de las proteínas varían de
acuerdo con las propiedades de sus grupos laterales (R). El grupo amino (-NH2) posee características
básicas débiles y el grupo carboxilo (-COOH) posee características ácidas débiles. Por tanto un
aminoácido es en realidad una sustancia anfótera, que adoptará formas iónicas diferentes en función del
pH del medio.
5.1. Niveles de organización
La secuencia lineal de aminoácidos, dictada por la información hereditaria contenida en la célula
para esa proteína, se conoce como estructura primaria de la proteína.
A medida que la cadena se ensambla, comienzan a ocurrir interacciones entre los
distintos aminoácidos de la proteína, se establecen interacciones por puentes de
hidrógeno entre el hidrógeno ligeramente positivo del grupo amino de un aminoácido y el
oxígeno ligeramente negativo del carbonilo de otro aminoácido, se forman dos tipos de
estructuras: hélice α y lámina β. Ambas estructuras forman la estructura secundaria de
la proteína. a) hélice α. Ésta hélice mantiene su estructura gracias a las interacciones
entre el oxígeno de un grupo amino y el hidrógeno del grupo amino de otro aminoácido
situado a cuatro aminoácidos de distancia en la cadena. b) lámina β. Los pliegues se
forman por la existencia de puentes de hidrógeno entre distintos átomos del esqueleto del
polipéptido, los grupos R se extienden por encima y por debajo de
los pliegues de la hoja. Las proteínas que en su mayor parte
asumen una forma de hélice alfa o lámina beta, se conocen como
proteínas fibrosas y desempeña importantes papeles en el
organismo.
El plegamiento correcto de una proteína es fundamental
para su buen funcionamiento. Los cambios en la manera de
plegarse de algunas de ellas pueden conducir al desarrollo de enfermedades, como ocurre en las
encefalopatías espongiformes transmisibles. Entre ellas la más importante es la denominada enfermedad
de las vacas locas. Los causantes de ésta enfermedad se denominan priones, y son proteínas presentes en
las membranas de las células del sistema nervioso. La proteína normal tiene más hélices alfa que
estructuras beta, mientras que en la proteína patológica la estructura de hoja plegada es la que predomina.
A medida que la molécula se tuerce y entra en solución, los grupos R hidrofóbicos tienden a
agruparse en el interior de la molécula y los grupos R hidrofílicos tienden a extenderse hacia fuera en la
solución acuosa. Se forman puentes de hidrógeno que enlazan segmentos del esqueleto de aminoácidos.
La estructura tridimensional que resulta se denomina es la denominada estructura terciaria de la
proteína. En muchas proteínas la estructura terciaria hace que toda la molécula adquiera una estructura
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globular que se pliega de manera complicada, formando las
proteínas globulares. Las enzimas, los anticuerpos son ejemplos
de proteínas globulares.
Muchas proteínas están compuestas por más de una cadena
polipeptídica. Éstas cadenas pueden permanecer asociadas por
puentes de hidrógeno, puentes disulfuro, fuerzas hidrofóbicas,
atracciones entre cargas positivas y negativas. Estas proteínas se llaman multiméricas. La proteína de
insulina es un dímero, compuesta por dos cadenas polipeptídicas. Éste nivel de organización de las
proteínas, que implica la interacción de dos o más polipéptidos, se llama estructura cuaternaria. El
plegamiento de las cadenas polipeptídicas está organizado y dirigido por otro grupo de proteínas llamadas
chaperones moleculares.
5.2. Propiedades y funciones.
a) Especificidad.
A diferencia de otras biomoléculas como glúcidos o lípidos, las proteínas son especificas de cada
especie e incluso de cada individuo, ya que dependen de la información genética. Por ejemplo la
hemoglobina que es la encargada del transporte de oxígeno en los eritrocitos de numerosas especies
animales, pero en cada una de ellas tiene una secuencia de aminoácidos y una estructura tridimensional
característica, por tanto es funcional solo en los organismos que ha sido sintetizada. Dada la variedad de
aminoácidos, las proteínas pueden tener un alto grado de especificidad. Un ejemplo es la hemoglobina, la
molécula transportadora de oxígeno de la sangre, compuesta de cuatro cadenas polipeptídicas La
hemoglobina está formada por dos cadenas alfa idénticas y dos cadenas beta idénticas, cada una de ellas
formada por 150 aminoácidos, en total 600 aminoácidos, cada una unida a un grupo que contiene hierro
(hemo). La sustitución de un determinado aminoácido por otro en uno de los pares de cadenas altera la
superficie de la molécula, produciendo una enfermedad grave, en ocasiones fatal, conocida como anemia
falciforme. La anemia falciforme es una enfermedad en la cual las moléculas de hemoglobina son
defectuosas. Éstas moléculas cambian su configuración y se combinan entre sí, formando estructuras
rígidas bastoniformes. Los glóbulos rojos cuando tienen gran proporción de éstas estructuras defectuosas
de hemoglobina, se vuelven rígidas y se deforman, adoptando una forma característica de la hoz.
b) Solubilidad.
Las proteínas son solubles en agua si disponen de suficientes aminoácidos polares. En solución las
proteínas pueden actuar como ácidos o como bases en función del pH del medio, por eso se denominan
anfóteras, Ésta es la base para la separación de proteínas por electroforesis, técnica analítica de separación,
que aprovecha las propiedades eléctricas de los péptidos y aminoácidos ionizados.
c) Desnaturalización.
El calor, valores extremos de pH o la presencia de ciertos disolventes orgánicos, como el alcohol o
cetona, producen la rotura de los enlaces no covalentes o alteran la carga de la proteína. Como
consecuencia la proteína se desnaturaliza, es decir se despliegan parcial o totalmente y no pueden llevar a
cabo su función. En algunos casos la desnaturalización es reversible.
Función
Ejemplos
Estructural
El colágeno, forma parte de los huesos y los tendones,
alfa-queratina constituye el pelo, las uñas y plumas.
La ovoalbúmina es la principal proteína de reserva de la
clara del huevo, y la caseína de la leche.
La insulína es una hormona peptídico que favorece la
absorción y utilización de la glucosa.
La lisozima cataliza la hidrólisis de polisacáridos de la
pared celular de algunas bacterias.
Las inmunoglobulinas o anticuerpos reconocen y
De reserva
De regulación
Catalizadora
Defensiva
Algunos ejemplos sobre los
diversos tipos de proteínas
teniendo en cuenta su función.
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Transportadora
Contráctil
neutralizan los agentes patógenos.
La hemoglobina de la sangre transporta el oxígeno a los
tejidos. Las lipoproteinas transportan lípidos.
Miosina y actina permiten la contracción de los
músculos.
6. NUCLEÓTIDOS Y ÁCIDOS NUCLÉICOS.
La información que dicta las estructuras de las moléculas de proteínas que se encuentran en los
organismos está codificada en moléculas conocidas como ácidos nucleicos. La información contenida en
los ácidos nucleicos es transcripta y luego traducida a las proteínas. Son las proteínas las moléculas que
finalmente ejecutarán las "instrucciones" codificadas en los ácidos nucleicos.
Así como las proteínas están formadas por cadenas largas de aminoácidos, los ácidos nucleicos están
formados por cadenas largas de nucleótidos.
6.1. Nucleótidos.
Un nucleótido, sin embargo, es una molécula más compleja que un aminoácido. Está formado por
tres subunidades: un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos y una base nitrogenada; esta última tiene
las propiedades de una base y, además, contiene nitrógeno. Al conjunto base nitrogenada+ pentosa se le
llama nucleósido.
La subunidad de azúcar de un nucleótido puede ser ribosa o bien desoxirribosa. Como puede verse, la
diferencia estructural entre estos dos azúcares es leve.
En la ribosa, el carbono 2 lleva un átomo de hidrógeno por encima del plano del anillo y un grupo
hidroxilo por debajo del plano; en la desoxirribosa, el grupo hidroxilo del carbono 2 está reemplazado por
un átomo de hidrógeno.
Los nucleótidos pueden unirse en cadenas largas por reacciones de condensación que involucran a los
grupos hidroxilo de las subunidades de fosfato y de azúcar. En la figura se muestra una molécula de RNA
que, como se observa, está formada por una sola cadena de nucleótidos. Las moléculas de DNA, en
cambio, constan de dos cadenas de nucleótidos enrrolladas sobre sí mismas, formando una doble hélice.
La ribosa es el azúcar en los nucleótidos que forman ácido ribonucleico (RNA) y la desoxirribosa es el
azúcar en los nucleótidos que forman ácido
desoxirribonucleico (DNA). Hay cinco bases
nitrogenadas diferentes en los nucleótidos,
que son los sillares de construcción de los
ácidos nucleicos. Dos de ellas, la adenina y la
guanina, se conocen como purinas. Las otras
tres, citosina, timina y uracilo se conocen
como pirimidinas.
La adenina, la guanina y la citosina se
encuentran tanto en el DNA como en el RNA,
mientras que la timina se encuentra sólo en el
DNA y el uracilo sólo en el RNA. Aunque sus
componentes químicos son muy semejantes,
el DNA y el RNA desempeñan papeles
biológicos muy diferentes. El DNA es el
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constituyente primario de los cromosomas de las células y es el portador del mensaje genético. La función
del RNA es transcribir el mensaje genético presente en el DNA y traducirlo a proteínas. El descubrimiento
de la estructura y función de estas moléculas es hasta ahora, indudablemente, el mayor triunfo del enfoque
molecular en el estudio de la biología.
Los nucleótidos, además de su papel en la formación de los ácidos nucleicos, tienen una función
independiente y vital para la vida celular. Cuando un nucleótido se modifica por la unión de dos grupos
fosfato, se convierte en un transportador de energía, necesario para que se produzcan numerosas
reacciones químicas celulares.
El principal portador de energía, en casi todos los procesos biológicos, es una molécula llamada adenosín
trifosfato o ATP.
La única diferencia entre el ATP y el AMP (adenosín monofosfato) es la unión de dos grupos fosfato
adicionales. Aunque esta diferencia en la fórmula puede parecer pequeña, es la clave del funcionamiento
del ATP en los seres vivos.
Los enlaces que unen los tres grupos fosfato son relativamente débiles, y pueden romperse con cierta
facilidad por hidrólisis. Esta energía al desprenderse, puede ser utilizada para producir otras reacciones
químicas.
Con la adición de una molécula de agua al ATP, un grupo fosfato se separa de la molécula. Los productos
de la reacción son el ADP, un grupo fosfato libre y energía. Alrededor de unas 7 Kcalorías de energía se
liberan por cada mol de ATP hidrolizado. La reacción puede ocurrir en sentido contrario.
6.2. Ácido Desoxirribonucleico.
Podemos definir la estructura
primaria del ADN como una cadena larga
lineal definida por su secuencia de
nucleótidos. Esta secuencia es característica
de la especie apareciendo incluso diferencias
entre los individuos. La estructura
secundaria, o disposición espacial del ADN
fue propuesta por Watson y Crick, y la
llamaron el modelo de doble hélice de
ADN. La composición del ADN cumple el
principio de equivalencia de bases, según Chargaff : El contenido de adenina es igual al de timina y el de
guanina al de citosina (A = T y C = G). Las bases se enfrentan constituyendo puentes de Hidrógeno.
Adenina forma dos puentes de hidrógeno con Timina. Guanina forma tres puentes de hidrógeno con
Citosina.
También se basaron en los experimentos de difracción de rayos X
que aportaban imágenes de la estructura del ADN de las que se deducía
una estructura helicoidal.
▪ La estructura secundaria del ADN es una doble hélice dextrógira
(a derechas) de dos cadenas complementarias enrolladas sobre un eje
común. Las cadenas son complementarias (la secuencia de B.N. se
corresponde con las leyes de Chargaff), opuestas (las B.N. están
enfrentadas) y antiparalelas (una va en sentido 3´- 5´ y la otra en sentido 5´- 3´).
▪ Las bases nitrogenadas se disponen hacia el interior y los grupos fosfato hacia el exterior.
▪ Las bases complementarias están unidas mediante puentes de hidrógeno.
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▪ Cada vuelta mide 3.4 nm e incluye unos diez nucleótidos.
El modelo de doble hélice beta es el más
característico pero existen otras formas de doble
hélice, tales como el Z-ADN, levógiro, con
vueltas de 4.5 nm y 12 nucleótidos y el A-ADN,
dextrógira, con giros cada 2.8 nm y 11
nucleótidos y con las bases inclinadas sobre el
eje.
Se han observado otras estructuras secundarias:
algunos virus presentan cadenas sencillas de ADN
y en las bacterias el ADN es bicatenario circular.
Además de ésta estructura secundaria, el ADN
debido a las cargas negativas de los grupos
fosfatos se asocia con unas proteínas que poseen
carga positiva, denominadas Histonas, el ADN se
enrolla sobre ellas dando lugar a los nucleosomas, éstos a su vez constituyen la cromatina del núcleo, que
sólo cuando la célula se encuentra en proceso de división celular se observa en forma de cromosomas.
6.3. Ácido Ribonucleico.
La función del ARN es transcribir el mensaje genético presente en el DNA y traducirlo a proteínas.
Existen distintos tipos de ARN, todos ellos son monocatenarios, y su estructura es muy diversa teniendo
en cuenta la función que desempeñan.
ARN mensajero (ARNm). Es un ARN lineal, que puede presentar algunos bucles con excepción.
Contiene la información genética necesaria para sintetizar una proteína. Se forma en el núcleo celular, a
partir de una secuencia de ADN. Sale del núcleo y se asocia a ribosomas, donde se construye la proteína.
A cada tres nucleótidos (codón) corresponde un aminoácido distinto. Así, la secuencia de aminoácidos de
la proteína está configurada a partir de la secuencia de los nucleótidos del ARNm.
ARN ribosómico (ARNr) o ribosomal se encuentra unido a proteínas de carácter básico, forma los
ribosomas. Los ribosomas son las estructuras celulares donde se ensamblan aminoácidos para formar
proteínas, a partir de la información que transmite el ARN mensajero. Hay dos tipos de ribosomas, el que
se encuentra en células procariotas y en el interior de mitocondrias y cloroplastos, y el que se encuentra en
el hialoplasma o en el retículo endoplásmico de células eucariotas.
ARN transferente (ARNt) es un ARN no lineal. En él se pueden observar tramos de doble hélice
intracatenaria, es decir, entre las bases que son complementarias, dentro de la misma cadena. Esta
estructura se estabiliza mediante puentes de Hidrógeno. Además de los nucleótidos de Adenina, Guanina,
Citosina y Uracilo, el ARN transferente presenta otros nucleótidos con bases modificadas. Estos
nucleótidos no pueden emparejarse, y su existencia genera puntos de apertura en la hélice, produciendo
bucles. En el ARNt se distinguen tres tramos (brazos). En uno de ellos aparece una secuencia de tres
nucleótidos, denominada anticodón. Esta secuencia es complementaria con una secuencia del ARNm, el
codón. En el brazo opuesto, en el extremo 3' de la cadena, se une un aminoácido específico de la secuencia
de anticodón. La función del ARNt consiste en unirse en el ribosoma a la secuencia complementaria del
ARNm, mediante el anticodón. A la vez, transfiere el aminoácido correspondiente a la secuencia de
aminoácidos que está formándose en el ribosoma.
ARN heteronuclear (ARNhn)
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El ARN heteronuclear, o heterogéneo nuclear, agrupa a todos los tipos de ARN que acaban de ser
transcritos (pre-ARN). Son moléculas de diversos tamaños. Este ARN se encuentra en el núcleo de las
células eucariotas. En células procariotas no aparece. Su función consiste en ser el precursor de los
distintos tipos de ARN.
7. ACTIVIDADES.
1. Define los siguientes conceptos: nucleosoma, cromosoma, cromatina, gen,
2.¿Qué significa que la replicación del ADN sea asimétrica?.
3.¿Cuál es la importancia biológica al hecho de que los nucleótidos de las cadenas de ADN se unan
por enlaces covalentes, y entre sí se unan por enlaces de hidrógeno?
4.¿Cuáles son las biomoléculas que forman parte de las membranas celulares?. ¿Por qué los
fosfolípidos son los más abundantes?.
5. Señala las diferencias entre los ácidos grasos saturados e insaturados. Escribe la reacción de
esterificación de un triglicérido.
6. Los aminoácidos son compuestos anfóteros que se caracterizan por tener un grupo amino y otro
carboxilo. ¿se podrían separar los distintos aminoácidos de una mezcla en función de su carga
eléctrica? Razona la respuesta.
7. Comenta la importancia de la estructura de las proteínas. Busca información de algunas
modificaciones proteicas.
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1. Define los siguientes conceptos: nucleosoma, cromosoma, cromatina, gen,
Nucleosoma. Es un segmento de ADN superenrollado alrededor de unas proteínas con gran proporción de
aminoácidos con carga positiva (histonas).
Cromatina. Es el enrollamiento helicoidal de cadenas nucleosómicas.
Cromosoma. Se debe a la condensación de las fibras de cromatina, ésta estructura se pone de manifiesto
únicamente en las etapas de división celular. Las fibras de cromatina se pliegan sobre sí mismas formando
bucles, que se mantienen unidos por un eje central.
Gen. Es un segmento de ADN que tiene una determinada función. El ADN es por tanto una sucesión
lineal de genes, y éste conjunto de genes constituye el genoma humano.
2.¿Qué significa que la replicación del ADN sea asimétrica?.
Se debe a la polaridad de las cadenas de ADN 3´5´y 5´3´y puesto que la ADN polimerasa sólo actúa
en la dirección 5´3´, una de las cadenas se replica de forma discontínua, y la otra de forma contínua.
3.¿Cuál es la importancia biológica al hecho de que los nucleótidos de las cadenas de ADN se unan
por enlaces covalentes, y entre sí se unan por enlaces de hidrógeno?
Los enlaces entre los distintos nucleótidos son enlaces covalentes muy fuertes, enlaces fosfodiéster
establecidos entre el grupo fosfato y las correspondientes pentosas, esto asegura una estabilidad de la
secuencia de nucleótidos. Los enlaces de hidrógeno permiten adoptar al ADN la estructura de doble hélice
y sus sucesivos plegamientos, pero a la vez permiten, la separación de las cadenas para la replicación o la
transcripción.
4. ¿Cuáles son las biomoléculas que forman parte de las membranas celulares?. ¿Por qué los
fosfolípidos son los más abundantes?.
Los fosfolípidos , esfingolípidos y colesterol, glucolípidos (oligosacáridos asociados a lípidos), proteínas
estructurales, transportadoras y receptoras.
De todos los anteriores sin duda los fosfolípidos son los lípidos estructurales más importantes, esto se debe
a que son moléculas heteropolares, es decir poseen una región hidrofóbica y otra hidrofílica debido a las
cargas positivas del grupo amino y negativas del grupo fosfato, por tanto tienen gran facilidad para formar
bicapas y miscelas en medio acuoso.
5. Señala las diferencias entre los ácidos grasos saturados e insaturados. Escribe la reacción de
esterificación de un triglicérido.
Los ácidos grasos son cadenas hidrocarbonadas que poseen un grupo ácido –COOH. Desde el punto de
vista químico la diferencia entre los distintos tipos se encuentra en la longitud de la cadena, determinado
por el número de carbonos y el tipo de enlaces entre ellos. Las cadenas saturadas, es decir formadas por
enlaces sencillos –C-C- poseen un empaquetamiento mayor, es decir son más densos, éstos son el
componente mayoritario de las grasas y hace que las grasas sean sólidas a temperatura ambiente. Por el
contrario los ácidos grasos que poseen más de una instauración, poseen una estructura que impide el
empaquetamiento , y por tanto constituyen sustancias que son líquidas a temperatura ambiente, es el tipo
de los aceites , tan presentes en las vacuolas de algunos tipos de células vegetales.
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La reacción de esterificación consiste en la condensación entre el grupo ácido del ácido graso y el grupo
hidroxilo del trialcohol (glicerina), como resultado se forma un éster.
6. Los aminoácidos son compuestos anfóteros que se caracterizan por tener un grupo amino y otro
carboxilo. ¿se podrían separar los distintos aminoácidos de una mezcla en función de su carga
eléctrica? Razona la respuesta.
Son sustancias anfóteras, es decir se comportan como ácidos o como bases en función del pH en el que se
encuentran, esto es debido a los grupos –COOH y –NH2, ambos grupos poseen un pKa y pKb
característico, por tanto en función del pH podemos encontrar los grupos ionizados como –COO- , y el –
NH3+ . además las cadenas laterales –R suelen de muy variado tipo, pueden tener carga, o sin carga, con
lo cual utilizando la Electroforesis y ajustando el pH adecuado se pueden separar los distintos aminoácidos
de una mezcla.
7. Comenta la importancia de la estructura de las proteínas. Busca información de algunas
modificaciones proteicas.
La ordenación de los aminoácidos de una proteína constituye su secuencia o estructura primaria, ésta se
pliega y adopta una determinada conformación tridimensional, éstos plegamientos son debidos a las
interacciones entre los aminoácidos. Adoptando una estructura globular o fibrosa, su estructura es
fundamental para determinar el tipo y función que la proteína va a desarrollar.
Una mínima modificación de su secuencia origina una alteración y modificación de su estructura, por
tanto la proteína no desarrolla adecuadamente su función, e incluso puede alterar el funcionamiento
correcto de los demás orgánulos, o células del organismo, éste es el caso de las enfermedades priónicas.
Otro ejemplo es la anemia falciforme, ésta enfermedad consiste en una modificación genética de uno de
los aminoácidos que configuran la hemoglobina, la estructura adquiere una forma distinta en forma de hoz
que impide la correcta circulación de la sangre y provoca dolores en las articulaciones.
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