Biomoléculas orgánicas

2º Bachillerato Biología

1. Los principios inmediatos o biomoléculas

2. Biomoléculas: clasificación Los elementos biogénicos se combinan entre sí para formar moléculas Estas moléculas constituyen los llamados principios inmediatos. Pueden ser: Inorgánicos (agua y sales minerales) Orgánicos (glúcidos, lípidos, prótidos y ácidos nucleicos). Los principios inmediatos también pueden ser simples o compuestos: Simples : Las moléculas están formadas por átomos del mismo tipo (0 2 ) Compuestos : Hay átomos de diferentes elementos (H 2 O, CO 2, C 6 H 12 O 6 ).

3. Biomoléculas Simples Con átomos del mismo elemento Compuestas Con átomos de elementos diferentes Oxígeno molecular (O 2 ) Nitrógeno molecular (N 2 ) Inorgánicas (enlaces iónicos) Orgánicas Constituidas por polímeros de carbono e hidrógeno (enlaces covalentes) Agua (H 2 O) Dióxido de carbono (CO 2 ) Sales minerales (NaCl, CaCO 3 , etc.) Glúcidos. Formados por C, H y O Lípidos. Constituidos por C, H y un pequeño porcentaje de O, P y N. Proteínas. Formadas por C, H, O, N y S Ácidos nucleídos. Constituidos por C, H, O, N y P Biomoléculas: clasificación

4. Biomoléculas orgánicas Son macromoléculas, en muchos casos, polímeros formados por la unión de moléculas más sencillas o monómeros. Los monómeros se unen en reacciones de polimerización, distintas para cada tipo de molécula. Todas se forman por un esqueleto hidrocarbonado formado por átomos de Carbono unidos, por enlaces covalentes, a otros átomos de Carbono y a Hidrógeno. La sustitución de uno o más átomos de Hidrógeno por otros átomos (O, N) origina los diferentes grupos funcionales de los que dependen las propiedades de las moléculas.

5. Grupos funcionales

6. Grupos funcionales Alcohol : son polares, solubles en agua y forman puentes de hidrógeno. Aldehidos y cetonas : son polares, solubles en agua y caracterizan a los distintos azúcares. Carboxilo : son polares, solubles en agua y ácidos porque ceden protones. Ésteres : se forman por enlace entre carboxilo y alcohol en una reacción de esterificación. Aminas : son bases débiles aceptoras de protones. Amidas : se forman por enlace entre carboxilo y amina.

7. Clasificación de las moléculas orgánicas Monómeros Polímeros Glúcidos Monosacáridos Polisacáridos Lípidos Ácidos grasos, Alcohol Triacilglicéridos Céridos Fosfolípidos Glucolípidos Prótidos Aminoácidos Oligopéptidos Próteínas Ácidos nucleicos Nucleótidos ADN ARN

8. Fórmulas Existen varios tipos de fórmulas: Fórmula empírica : Muestra qué elementos participan (CH) Fórmula molecular: Indica solo el número de átomos de cada elemento (C 3 H 8 ) Fórmula semidesarrollada : muestra los enlaces entre carbonos CH 3 -CH 2 -CH 3 ) Fórmula desarrollada : especifica todos los enlaces:

9. Fórmulas A veces se mezclan los casos anteriores simplificando unas partes y desarrollando otras. Se desarrolla la parte con más interés CH 3 -CH 2 -C-OH Configuración en zigzag con CH 2 en vértices y CH 3 en extremos Se resumen las partes que se repiten CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 pasa a CH 3 -(CH 2 ) 3 -CH 3 H H

10. Biomoléculas inorgánicas El Agua

11. El agua es la sustancia química más abundante en la materia viva. La cantidad presente en un organismo depende de la especie, de la edad del individuo y del órgano. Organismo % agua Tejido % agua Algas Caracol Crustáceos Espárragos Espinacas Estrella mar Persona adulta Hongos Lechuga Lombriz Maíz Medusa Pino Semilla Tabaco Trébol 98 80 77 93 93 76 62 80 95 83 86 95 47 10 92 90 Líq. cefalorraquídeo Sangre (plasma) Sangre ( Gl. rojos) Tej . nervioso ( s.gris ) Tej . nervioso (Médula) Tej . nervioso ( s.blanca ) Músculo Piel Hígado Tej . conjuntivo Hueso (sin medula) Tej . adiposo Dentina 99 91-93 60-65 85 75 70 75-80 72 70-75 60 20-25 10-20 3 El agua

12. Seres vivos y cantidad de agua Existe una relación directa entre contenido en agua y actividad fisiológica de un organismo: Los más activos, como las reacciones bioquímicas se realizan en medio acuático, tienen más cantidad de agua. Los menores porcentajes se dan en seres con vida latente, como semillas, virus, etc. También tiene relación con el medio en el que se desenvuelve el organismo. Así, encontramos altos porcentajes de agua en seres como la medusa (95% de agua) pese a su metabolismo poco intenso, por vivir en medio acuático.  El contenido de agua de un organismo tiene que ser más o menos constante, con variaciones inferiores al 10%.

13. El agua se encuentra en la materia viva en tres formas: Como agua circulante , por ejemplo, en la sangre, en la savia, etc. Se encarga principalmente del transporte de sustancias. Como agua intersticial , entre las células, a veces fuertemente adherida a la sustancia intercelular (agua de imbibición), como sucede en el tejido conjuntivo. Como agua intracelular , en el citosol y en el interior de los orgánulos celulares.   En los seres humanos, el agua circulante supone el 8 % de su peso, el agua intersticial el 15 %, y el agua intracelular el 40% El agua en la materia viva.

14. Los organismos pueden conseguir el agua directamente a partir del agua exterior o a partir de otras biomoléculas mediante diferentes reacciones bioquímicas, es lo que se denomina «agua metabólica» (en los camellos, la degradación de la grasa de la joroba produce agua y por ejemplo, a partir de la oxidación de la glucosa, también aparece agua). El agua en la materia viva

15. El carácter dipolar del agua La molécula de agua es neutra con un átomo de Oxígeno compartiendo sus dos e- con sendos Hidrógenos (formando entre ellos un ángulo de 104,5 grados. El oxígeno atrae hacia sí todos los e- de la molécula de manera que se crea un exceso de carga negativa hacia el lado de este elemento, y un defecto de carga – (carga +) hacia el lado de los Hidrógenos A esto es a lo que se llama carácter dipolar del agua

16. Carácter dipolar del agua Entre los dipolos del agua se establecen fuerzas de atracción llamadas puentes de hidrógeno , formándose grupos de 3, 4 y hasta poco más de 9 moléculas. Estas agrupaciones duran fracciones de segundo (de 10 -10 a 10 -21 s), lo cual confiere al agua todas sus propiedades de fluido. En la realidad, coexisten estos pequeños polímeros de agua con moléculas aisladas que rellenan los huecos. Con ello se alcanzan pesos moleculares elevados y el H 2 O se comporta como un líquido a temperatura ambiente, (otras moléculas de peso molecular parecido, como el SO 2 , el CO 2 o el NO 2 son gases). La estabilidad del enlace disminuye al aumentar la temperatura, así, en el hielo, todas las moléculas de agua están unidas por puentes de hidrógeno. Todas las restantes propiedades del agua son, pues, consecuencia de ésta.

17. 0,96 Å 105º Polos positivos Polo negativo Puentes de hidrógeno Carácter dipolar

18. Agua (H 2 O) Cloruro de sodio (NaCl) H 2 O Cl ─ Na + El agua como disolvente

19. Los tres estados del agua

20. Elevada fuerza de cohesión Elevada fuerza de adhesión (capilaridad). Elevada tensión superficial Elevado calor específico. Elevado calor de vaporización. Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido (Coeficiente de dilatación negativo). Capacidad disolvente. Transparencia Bajo grado de ionización. Propiedades del agua

21. 1. - Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas, debida a los puentes de hidrógeno. Ello explica que el agua sea un líquido prácticamente incompresible , idóneo para dar volumen a las células, provocar la turgencia de las plantas, constituir el esqueleto hidrostático de anélidos y celentéreos, servir de lubricante evitando el roce de huesos en articulaciones mediante bolsas de líquido sinovial, etc.

22. 2. -Elevada fuerza de adhesión (capilaridad). Capacidad de las moléculas de adherirse a las paredes de conductos muy finos (capilares). La capilaridad depende tanto de la adhesión de las moléculas a las paredes de los conductos como de la cohesión de las moléculas entre sí. Esta propiedad explica, por ejemplo, que la savia bruta ascienda por los tubos capilares

23. 3. -Elevada tensión superficial, es decir, que su superficie opone una gran resistencia a romperse, a que se separen sus moléculas. Esto permite que muchos organismos vivan asociados a esa película superficial y que se desplacen sobre ella.

24. 4.- Elevado calor específico . El calor específico es el calor necesario para elevar la temperatura de una sustancia. El agua tiene un calor específico alto, porque para elevar su temperatura (aumentar el grado de agitación de sus moléculas) hay que romper los puentes de hidrógeno que las unen. Eso significa que hay que suministrar mucho calor. Por otra parte, su temperatura desciende con más lentitud que la de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse. Esta propiedad permite que el contenido acuoso de las células sirva de protección a las sensibles moléculas orgánicas ante los cambios bruscos de temperatura. El calor que se desprende en los procesos metabólicos no se acumula en los lugares donde se produce, sino que se difunde en el medio acuoso y se disipa finalmente hacia el medio externo.

25. 5.- Elevado calor de vaporización . Para pasar del estado líquido al gaseoso hay que romper todos los puentes de hidrógeno en lo que se emplea mucho calor lo que convierte al agua en un buen refrigerante. Los seres vivos utilizan esta propiedad para refrescarse al evaporarse el sudor. El jadeo de los animales es otra forma de refrescarse. Además, el agua es un buen conductor de la temperatura por lo que el calor se distribuye fácilmente por toda la masa de agua, lo que evita la acumulación de calor en un determinado punto del organismo.

26. 6.- Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido (Coeficiente de dilatación negativo) . En estado sólido todos los enlaces del agua forman una retícula con mayor volumen que en estado líquido. Ello explica que el hielo flote en el agua y que forme una capa superficial termoaislante que permite la vida, bajo ella, en ríos, mares y lagos. Si el hielo fuera más denso que el agua, acabaría helándose toda el agua. Esto se explica por que los puentes de hidrógeno “congelados” mantienen las moléculas más separadas que en el estado líquido.

27. 7.- Capacidad disolvente . Por tener moléculas dipolares, el agua es un gran medio disolvente de compuestos iónicos, (las sales minerales) y de compuestos covalentes polares, (los glúcidos). El proceso de disolución se debe a que las moléculas de agua, al ser polares, se disponen alrededor de los grupos polares del soluto, llegando en el caso de los compuestos iónicos a desdoblarlos en aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de agua.

28. Esta capacidad disolvente del agua y su abundancia en el medio natural explican que sea el vehículo de transporte (captación de sales minerales por las plantas, por ejemplo) y el medio donde se realizan todas las reacciones químicas del organismo (caso de la digestión de los alimentos)

29. 8.- Transparencia . Debido a esta característica física del agua, es posible la vida de especies fotosintéticas en el fondo de mares y ríos.

30.   9.- Bajo grado de ionización . En agua pura, a 25ºC, de cada 10 millones de moléculas, sólo una se encuentra ionizada:   Por eso, la concentración de iones hidronio (H 3 + , aunque para simplificar, se suele poner H + ) e hidroxilo (OH - ) es muy baja, concretamente 10 -7 moles por litro ([H 3 + ] = [OH - ] = 10 -7 ).   Dados los bajos niveles de H 3 + y de OH - , si al agua se le añade un ácido (se añade H 3 + ) o una base (se añade OH - ), aunque sea en muy poca cantidad, estos niveles varían bruscamente.

31. H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - + - Para simplificar el cálculo de la basicidad o acidez de una disolución se ha establecido el pH si el pH < 7, la disolución será ácida; [H 3 + ] > [OH - ] si el pH = 7, será neutra; [H 3 + ] = [OH - ] si el pH > 7, será básica. [H 3 + ] < [OH - ] + +

32. + - H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - + - + + Ión hidronio Ión hidroxilo

33. + - Los ácidos disminuyen el valor del pH del agua pues aportan iones [H 3 O + ]. H 2 O + HA H 3 O + + A - H 2 O + HCl H 3 O + Cl -

34. + + Las bases aumentan el valor del pH del agua pues captan iones [H 3 O + ]. HOB + H 3 O + 2H 2 O + B + HONa + H 3 O + 2H 2 O + Na +

35. En los seres vivos existe siempre una cierta cantidad de hidrogeniones (H 3 O + ) y de iones hidroxilo (OH - ) que proceden de: La disociación del agua que proporciona los dos iones: La disociación de cuerpos con función ácida que proporcionan H + : ClH  Cl - + H + La disociación de cuerpos básicos que proporcionan OH - : NaOH  Na + + OH -  

36. Por lo tanto la acidez o alcalinidad del medio interno de un organismo dependerá de la proporción en que se encuentren los dos iones. Así será: Neutro cuando [H + ]=[OH - ] Ácido cuando [H + ]>[OH - ] Alcalino cuando [H + ]<[OH - ]. Para que los fenómenos vitales puedan desarrollarse con normalidad es necesario que la concentración de H + , que se expresa en valores de pH sea más o menos constante y próxima a la neutralidad, es decir, pH=7. Acido Base H+ OH- 7 6 8

37. En las reacciones metabólicas se liberan productos tanto ácidos como básicos que varían la neutralidad si no fuera porque los organismos disponen de unos mecanismos químicos basados en sales que se oponen automáticamente a las variaciones de pH y que veremos a continuación en el apartado de las sales minerales. Otra consecuencia de la capacidad de ionización del agua es que permite que actúe como reactivo químico en las reacciones metabólicas de hidrólisis, introduciendo una molécula de agua (estas reacciones son fundamentales como veremos más adelante) A-B + H 2 O  AH + BOH   El agua y los productos de ionización participan en las reacciones de hidrólisis (para dividir grandes moléculas). El proceso inverso se llama condensación (moléculas sencillas se unen para formar otras mayores) y origina o desprende moléculas de agua que se denominan agua metabólica (camellos) Monosacárido + monosacárido disacárido + agua

38. Biomoléculas inorgánicas Las sales minerales

39. Sales minerales  Las sustancias minerales se pueden encontrar en los seres vivos de tres formas: precipitadas, asociadas a sustancias orgánicas o disueltas 1.- Sustancias minerales precipitadas constituyen estructuras sólidas, insolubles, con función esquelética. Por ejemplo, el carbonato cálcico en las conchas de los moluscos, el fosfato cálcico, Ca 3 (P0 4 ) 2 , y el carbonato cálcico que, depositados sobre el colágeno, constituyen los huesos, el cuarzo (SiO 2 ) en los exoesqueletos de las diatomeas y en las gramíneas, etc. Este tipo de sales pueden asociarse a macromoléculas, generalmente de tipo proteico.

40. 2.- Sustancias minerales asociadas a moléculas orgánicas suelen encontrarse junto a proteínas (fosfoproteínas), junto a lípidos ( fosfolípidos ) y con glúcidos ( agar-agar ) También hay iones formando parte de otras moléculas: Hierro en la hemoglobina, cobre en la hemocianina, magnesio en la clorofila, fosfatos en ácidos nucléicos , fosfolípidos y ATP; azufre en algunas proteínas, Iodo en hormonas tiroideas, etc., Sales minerales

41. 3.- Sales minerales disueltas dan lugar a aniones y cationes. Los principales son:   Cationes: Na + K + Ca 2+ y Mg 2+. Aniones: Cl - , S0 4 2- , PO 4 3- , CO 3 2- , HCO 3 - y NO 3 - .   Estos iones tienen unas funciones muy importantes en el funcionamiento de las células y de los seres vivos: Sales minerales

42. Cada ion desempeña funciones específicas y, a veces, antagónicas. Por ejemplo, el K + aumenta la turgencia de la célula, mientras que el Ca 2+ la disminuye. Otro ejemplo es el corazón de la rana, que se para en sístole si hay exceso de Ca 2+ , y en diástole si el exceso es de K + . El Ca 2+ y el K+ son iones antagónicos. El medio interno de los organismos tiene que presentar unas concentraciones iónicas constantes, ya que del equilibrio entre los iones antagónicos surge el normal funcionamiento celular. Una variación provoca alteraciones de la permeabilidad, excitabilidad y contractilidad de las células. Los iones de Na, K, Cl y Ca, participan en la generación de gradientes electroquímicos, imprescindibles en la transmisión del impulso nervioso Funciones específicas de los iones.

43. Disoluciones Disoluciones: tipos

44. Tipos de disoluciones Los fluidos presentes en los seres vivos constan de: Fase dispersante que es el agua. Fase dispersa o soluto que son partículas de distintos tamaños: menor de 5nm. Se considera una mezcla homogénea de sustancias puras en que el soluto son iones o moléculas que no sedimentan. Disoluciones verdaderas . Entre 5 y 200 nm.. Mezcla en la que el soluto tampoco sedimenta, pero reflejan y refractan la luz y no pueden atravesar membranas. Dispersiones coloidales .

45. Disoluciones Disoluciones verdaderas

46. Las propiedades de las disoluciones verdaderas que más interés tienen en Biología son la osmosis y la estabilidad del grado de acidez o pH.   Osmosis Es el paso del disolvente entre dos soluciones de diferente concentración a través de una membrana semipermeable que impide el paso de las moléculas de soluto. El disolvente, que en los seres vivos es el agua, se mueve desde la disolución más diluida a la más concentrada. Aparece una presión osmótica que impulsa el agua hacia la más concentrada. Las propiedades de las disoluciones verdaderas

47. Los procesos de osmosis explican cómo las plantas consiguen absorber grandes cantidades de agua del suelo, y por qué el agua del mar no sacia la sed, ya que al estar más concentrada que el medio intracelular provoca la pérdida de agua en las células. Animación de ósmosis Ósmosis

48. La membrana citoplasmática es una membrana semipermeable y da lugar a diferentes respuestas frente a la presión osmótica del medio externo. Si éste es isotónico respecto al medio interno celular, es decir, tiene la misma concentración, la célula no se deforma. Si el medio externo es hipotónico (menos concentrado), la célula se hinchará por entrada de agua en su interior. Este fenómeno se llama turgencia y es observable, por ejemplo, en los eritrocitos, añadiendo agua destilada a una gota de sangre. Si el medio externo es hipertónico (más concentrado), la célula perderá agua y se arrugará, dándose un fenómeno de plasmólisis que acaba con la rotura de la membrana. Esto sucede, por ejemplo, en los eritrocitos, cuando se añade agua saturada de sal a una gota de sangre. http://recursos.cnice.mec.es/biologia/bachillerato/segundo/biologia/ud01/flash/animacion_osmosis/osmosis2.html

49. Regulación del pH En las reacciones metabólicas se liberan productos tanto ácidos como básicos que varían la neutralidad si no fuera porque los organismos disponen de unos mecanismos químicos que se oponen a las variaciones de pH. Estos mecanismos se denominan sistemas tampón, y en ellos intervienen de forma fundamental las sales minerales. Lo más corriente es que el pH tienda a desplazarse hacia el lado ácido por lo que los sistemas tampón más importantes actúan evitando este desplazamiento. Un tampón está formado por una mezcla de un ácido débil y una sal del mismo ácido; Hay dos más comunes: el tampón fosfato (que actúa dentro de la célula) y el tampón bicarbonato (que actúa fuera de la célula)

50. Tampón fosfato Tampón bicarbonato Regulación del pH líquidos extracelulares líquidos intracelulares

51. Regulación del pH: tampón fosfato Formado por iones dihidrógeno fosfato (H 2 PO 4 - ) y monohidrógeno fosfato (HPO 4 - ). Actúa en el interior de las células, manteniendo estable el pH intracelular Si aumenta la concentración de H+, la reacción ocurre hacia la izquierda, aumentando H 2 PO 4 - . Si aumenta la concentración de iones OH - , la reacción tiene lugar hacia la derecha, liberando iones H + y neutralizando los OH -

52. Disoluciones Disoluciones coloidales

53. La mayoría de los líquidos de los seres vivos son dispersiones coloidales , de ahí que sea tan importante el estudio de sus propiedades. En estas soluciones, el tamaño de las partículas del soluto (coloides) es mucho mayor que en las soluciones verdaderas. Es el caso de polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos. Sus principales propiedades son: Paso de sol a gel y viceversa 2. Efecto Tyndall Movimiento Browniano Sedimentación Propiedades

54. Sol Gel Fase dispersa (sólido) Fase dispersante (líquido) Fase dispersante (sólido con fibras entrelazadas) Paso de sol a gel

55. Paso de sol a gel Las dispersiones coloidales se pueden presentar de dos formas: Forma de sol. El soluto es un sólido formando coloides en un líquido, generalmente agua. Tiene aspecto líquido. Forma de gel. Lo que más abunda es un conjunto de fibras de coloide entrelazadas entre las que quedan retenidas por capilaridad e hidratación las moléculas del líquido (agua)

56. Paso de sol a gel El citosol de la periferia celular (ectoplasma) está en forma de gel, mientras que el interior está en forma de sol. El paso del ectoplasma de gel a sol permite la emisión de pseudópodos y, por tanto, el movimiento ameboide y la fagocitosis. El paso de uno a otro estado se realiza por la polimerización (hacia gel) y despolimerización (hacia sol) de las fibras de proteína. Los geles al retener agua, permiten mantener húmedas superficies corporales en medio aéreo (piel de anfibios, baba de caracol).

57.     VOLVER

58. Efecto Tyndall

59. El tamaño de las partículas coloidales oscila entre una milimicra y 0,2 micras, que es el límite de observación en el microscopio óptico. Así pues, las dispersiones coloidales, al igual que las disoluciones verdaderas, son transparentes y claras. Sin embargo, si se iluminan lateralmente y sobre fondo oscuro, se observa una cierta opalescencia provocada por la reflexión de los rayos luminosos. Es algo parecido a lo que ocurre cuando un rayo de luz ilumina el polvo en una habitación a oscuras. Si la iluminación es frontal, el polvo ya no resulta apreciable. Efecto Tyndall VOLVER

60. Las moléculas de los coloides se mueven continuamente, impulsadas por el movimiento browniano del agua (movimiento desordenado y continuo de vibración que tienen las partículas en suspensión). Este movimiento aumenta las probabilidades de encuentro de dos partículas reaccionantes . Movimiento browniano

61. Sedimentación Las dispersiones coloidales son estables en condiciones normales, pero si se someten a fuertes campos gravitatorios, se puede conseguir que sedimenten sus partículas. Ello se realiza en las ultracentrifugadoras, que pueden alcanzar las 100000 revoluciones por minuto.

62. fin