Bioelementos y biomoléculas

BIOELEMENTOS

Son sustancias puras, formadas sólo por un tipo de átomos, que forman parte de los seres vivos.

Según su abundancia hablamos de:

-          Bioelementos primarios si se encuentran por encima del 90%. Dentro de éstos están: C: carbono, H: hidrógeno, N: nitrógeno, O: oxígeno, P: fósforo y S: azufre.

-          Bioelementos secundarios si se encuentran por debajo del 10%. Dentro de éstos podemos encontrar: Na: sodio, Ca: calcio, K: potasio, Cl: cloro…..

-          Oligoelementos si se encuentran por debajo del 1%. Dentro de éstos encontramos el Fe: hierro (forma la hemoglobina)o el Cu: cobre (forma parte de determinadas encimas) entre otros.

Estos elementos se unen mediante enlaces (iónico, covalente o metálico) para formar estructuras más grandes y estables.

Para formar biomoléculas los bioelementos se unen por enlace covalente (unión en la que dos o más  elementos no metálicos comparten electrones)

 BIOMOLÉCULAS

Son moléculas que forman parte de los seres vivos.

2 tipos:

- Inorgánicas: No son exclusivas de los seres vivos. Dentro de éstas tenemos el agua y las sales minerales.

- Orgánicas: son exclusivas de los seres vivos. Dentro de ellas están glúcidos (también conocidos como azúcares o hidratos de carbono), lípidos (también conocidos como grasas), proteínas y ácidos nucleicos.

INORGÁNICAS

1.- AGUA
El agua es una sustancia molecular, cada una de sus moléculas están formadas por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Se trata de una molécula polar, es decir, presenta un polo donde se concentran las cargas negativas correspondiente al oxígeno, y otro polo donde se concentran las cargas positivas correspondiente a los hidrógenos, pero la molécula en conjunto no tiene carga.

Debido a esta estructura se forman puentes de hidrógeno (un tipo de enlace) entre una molécula de agua y otra, ya que el oxígeno de una molécula se siente atraído por los hidrógenos de otra molécula, estableciéndose entre ellas este tipo de unión. Estas fuerzas de atracción entre las moléculas de agua se llaman fuerzas de cohesión, y son las responsables de todas sus propiedades.

PROPIEDADES DEL AGUA

1.- Elevada tensión superficial: debido a las fuerzas de cohesión entre las moléculas de agua. Estas se compensan en el interior del líquido pero esto no sucede en la superficie, creándose como una especie de “película” que cuesta atravesar. Esta propiedad la utilizan algunos animales para desplazarse por la superficie del agua.

2.- Elevado calor específico: el calor específico es la energía que hay que suministrar a una sustancia para aumentar su temperatura o la energía que hay que quitar para bajarla. En el caso del agua hay que suministrar una gran cantidad de energía para aumentar su temperatura o, quitarle mucha energía para enfriarla. Los seres vivos utilizamos esta propiedad del agua como termorregulador para refrigerarnos (“efecto botijo”), cuando

sudamos o para mantener nuestra temperatura cuando hace mucho frío. Para que se seque el sudor es necesario que el agua pase a estado gaseoso y necesita mucha energía para este cambio, esta energía se la “roba” al ser vivo que está sudando y hace que baje su temperatura.

Debido a esta propiedad también es un buen regulador del clima.

3.- Capilaridad. Es la capacidad del agua para ascender por tubos finos o láminas delgadas. Esto es debido al equilibrio entre las fuerzas de cohesión de las moléculas de agua y las fuerzas de adhesión entre las moléculas de agua y el recipiente que las contiene. Esta propiedad es utilizada por las plantas para que ascienda la savia bruta de la raíz a las hojas.

4.- Gran capacidad como disolvente. Al tratarse de una sustancia polar es fácil que se disuelvan en ella otras sustancias polares o iónicas, debido precisamente a las cargas. Esta propiedad la utilizan los seres vivos para transportar sustancias.
5.- Cambia su comportamiento físico entre 0º y 4ºC, cuando baja de 4ºC a 0ºC su volumen aumenta y por tanto su densidad disminuye.  Este es el motivo de por qué los ríos se congelan por arriba.

2.- SALES MINERALES.

Las sales en los seres vivos se pueden encontrar de dos formas: cristalizadas o disueltas en forma de iones.

Cuando se encuentran cristalizadas se utilizan con función esquelética, formando parte de estructuras duras como los huesos, las conchas, las uñas, los cuernos….

Cuando están disueltas forman iones (electrolitos), es decir átomos con carga, debido a que se produce, gracias al agua, la rotura de los enlaces iónicos que las formaban. A este proceso de disolución de sales en agua se le denomina solvatación.

Los seres vivos utilizan los electrolitos para mantener constantes sus condiciones internas (homeostasis) como catalizadores (controlando determinadas reacciones), como tampones (controlando el pH) y controlando la presión osmótica, proceso por el que las células mantienen constante la cantidad de agua a uno y otro lado de la membrana plasmática.

La ósmosis se debe a que el agua es capaz de atravesar las membranas semipermeables (membrana plasmática) cuando existe una diferencia de concentración entre las disoluciones a ambos lados de la membrana, de manera que el agua se dirige desde la disolución hipotónica (menor concentración) a la hipertónica (mayor concentración) hasta que ambas disoluciones presenten la misma concentración, es decir sean isotónicas.

Si una célula se encuentra inmersa en un medio hipertónico, sale agua de la célula y se produce su muerte por deshidratación, por el contrario, si la célula se encuentra en un medio hipotónico entrará agua y la célula se hinchará muriendo por lisis o rotura.

La presión que ejerce el agua sobre la membrana plasmática se denomina presión osmótica y esta debe estar equilibrada, gracias a las sales.

ORGÁNICAS

Estas biomoléculas son exclusivas de los seres vivos. Hablamos de los glúcidos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos.

1.- GLÚCIDOS

Tipos:

- Azúcares: monosacáridos y disacáridos.

- Hidratos de carbono o polisacáridos.

Son biomoléculas orgánicas formadas por carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O) unidos por enlace covalente en una proporción determinada (CH2O)n, es decir por cada átomo de carbono u oxígeno tienen dos de hidrógeno. Presentan un grupo alcohol (OH) en cada uno de sus carbonos y en uno de ellos presentan o un grupo cetona (C=O) o un grupo aldehído (CHO), en el primer caso se denominan cetosas y en el segundo aldosas.

Existen dos grupos de glúcidos, los formados por una o dos moléculas de azúcar (azúcares: monosacáridos y disacáridos) y los formados por varias moléculas de azúcar (hidratos de carbono). Estos grupos presentan distintas propiedades y funciones en los seres vivos.

AZÚCARES

Tienen sabor dulce y su función es principalmente energética.

Monosacáridos: están formados por una molécula de azúcar, entre ellos se encuentran la glucosa, la fructosa, la ribosa y la desoxirribosa.

- Glucosa: es el monosacárido más abundante en los seres vivos y el que se utiliza para obtener energía en la respiración celular. Es una biomolècula formada por 6 átomos de carbono (aldohesoxa) y en disolución (en los seres vivos) presenta una estructura cíclica, formando un hexágono en cuyos vértices se sitúan los carbonos, excepto en uno de ellos que está ocupado por el oxígeno. El carbono 6 se encuentra fuera del anillo.

- Fructosa: es un monosacárido de 6 átomos de carbono, se trata de una cetohexosa. Se trata del azúcar de la fruta, en disolución forma un anillo con forma de pentágono, presentando dos carbonos fuera del anillo. Se utiliza para obtener energía.

- Ribosa: es un monosacárido de 5 átomos de carbono (aldopentosa). En disolución forma un anillo con forma de pentágono, pero a diferencia de la fructosa sólo posee un carbono fuera del anillo. Este monosacárido forma parte del ARN (ácido ribonucleico), es decir, tiene función estructural.

- Desoxirribosa: es un monosacárido de 5 átomos de carbono (aldopentosa) que en disolución acuosa forma un pentágono. La diferencia con la ribosa es que le falta un

oxígeno en un carbono (desoxi). Forma parte del ADN (ácido desoxirribonucleico), es decir, tiene función estructural.

Disacáridos: son azúcares formados por la unión de dos monosacáridos mediante enlace

O-glucosídico. Para formar este enlace reacciona un grupo alcohol (OH) de un monosacárido con un grupo alcohol (OH) del otro monosacárido, liberándose una molécula de agua y formándose un puente de oxígeno entre los dos monosacáridos.

La función de los disacáridos es energética.

Los disacáridos más comunes en los seres vivos son la lactosa (azúcar de la leche), la sacarosa

(azúcar de mesa) y la maltosa (azúcar de los cereales).

HIDRATOS DE CARBONO O POLISACÁRIDOS

Son biomoléculas orgánicas, formadas por la unión mediante enlace O-glucosídico, de varias moléculas de azúcar. No tienen sabor dulce y presentan distintas funciones en los seres vivos:

 Reserva energética: almacenan energía que el ser vivo puede utilizar en caso de necesidad. Almidón (vegetales) y glucógeno (animales).

 Estructural: formando parte de la pared celular en las células vegetales, la celulosa. O formando parte del exoesqueleto de los artrópodos y de la pared celular de los hongos, la quitina.

ORIGEN DE LOS GLÚCIDOS

Se originan en los seres autótrofos que transforman la materia inorgánica en orgánica, en concreto glúcidos. Por ejemplo las plantas al realizar la fotosíntesis.

2.- PROTEÍNAS

Son biomoléculas orgánicas formadas por unas estructuras que se repiten llamadas aminoácidos (aa). Existen 20 aminoácidos proteicos distintos.

La estructura general de un aminoácido es la siguiente

En esta estructura se observa un átomo de carbono central, unido a un átomo de hidrógeno (H), a un grupo amino (NH2), a un grupo carboxilo, también llamado grupo ácido (COOH) y a una cadena lateral o radical (R). Los aminoácidos se diferencian por esta cadena, es decir, existen 20 radicales distintos.

Una aminoácido se une a otro mediante enlace peptídico, en este reacciona el grupo amino de un aminoácido con el grupo ácido de otro y se pierde una molécula de agua.

De esta forma se origina un dipéptido (2 aminoácidos) que se unirá a otro aminoácido y luego a otro y así sucesivamente hasta formar una cadena de aminoácidos.

Las proteínas presentan distintos niveles de complejidad en su estructura:

- Estructura primaria: corresponde con la cadena lineal de aminoácidos.

- Estructura secundaria: se producen “dobleces” de esa estructura lineal.

- Estructura terciaria: distribución espacial de la secundaria de manera que alcance la estabilidad. Esta estructura es necesaria para que la proteína sea funcional, es decir, si pierde esta estructura deja de funcionar.

- Estructura cuaternaria. La presentan sólo algunas proteínas formadas por varias cadenas de aminoácidos.

ORIGEN DE LAS PROTEÍNAS

Las proteínas son la expresión de la información genética y su síntesis consta de varias fases:

1.- Transcripción

2.- Traducción

3.- Maduración

1.- Transcripción: consiste en copiar la información contenida en un gen (fragmento de ADN que tiene información para una proteína) a una molécula de ARN. Este proceso tiene lugar en el interior del núcleo y el ARN obtenido, llamado ARN mensajero (ARNm) saldrá de éste para ir al citoplasma. Este proceso se realiza gracias a la complementariedad de los nucleótidos (bases nitrogenadas), de manera que se reconocen y se unen dos a dos. Los nucleótidos son: Adenina(A), Timina (T) (ADN), Uracilo (U) (ARN), Guanina (G) y Citosina (C). Se unen adenina con Timina (ADN) o Uracilo (ARN) y Citosina con Guanina.

En la cadena de ADN encontraremos los nucleótidos de Adenina, Citosina, Guanina y Timina, nunca Uracilo, mientras que en la molécula de ARN encontraremos Adenina, Citosina, Guanina y Uracilo, nunca Timina.

En esta fase obtenemos una molécula de ARN mensajero (lleva la información hasta el citoplasma) que sale del núcleo y se dirige a los ribosomas que están en el citoplasma.

Hemos copiado nucleótidos de ADN a nucleótidos de ARNm.

2.- Traducción: convertimos la secuencia de nucleótidos del ARN mensajero (lleva la información) en una secuencia de aminoácidos, tiene lugar en los ribosomas gracias al ARN transferente (traductor) que lleva los aminoácidos hasta los ribosomas siguiendo las instrucciones del código genético.

En esta fase necesitamos el ribosoma (formado por ARN ribosómico ARNr), el ARN transferente o de transferencia (ARNt) que lleva los aminoácidos y reconoce secuencias de tres nucleótidos del ARNm y el propio ARNm que lleva la información. Como resultado obtenemos una cadena de aminoácidos “pegada” al ribosoma correspondiente a la información del ARNm y siguiendo las instrucciones del código genético.

Traducimos nucleótidos a aminoácidos.

3.- Maduración: la cadena de aminoácidos obtenida en la fase de traducción tiene que ser modificada para alcanzar la estructura terciaria o cuaternaria y llegar a ser funcional. Este proceso comienza en el interior del Retículo endoplasmático rugoso (RER), al que están adheridos los ribosomas donde se ha realizado la transcripción, y termina en el Aparato de Golgi.

Una vez terminado este proceso de maduración, la proteína se dirige, siempre en el interior de vesículas, al lugar donde sea necesaria su presencia, sea en el interior o exterior celular.

FUNCIONES

Las proteínas, como son la expresión de la información genética, es decir, toda la información ha de convertirse en proteínas, presentan todas las funciones posibles: estructural, mensajera (hormonas)…….

3.- LIPIDOS

Son biomoléculas orgánicas muy complejas y diferentes entre sí pero comparten la característica común de ser insolubles en agua.

Podemos clasificarlos en dos grupos:

A) Los que presentan ácidos grasos en su estructura

o Fosfolípidos

o Grasas

o Ceras

B) Los que no presentan ácidos grasos en su estructura

o Esteroides

o Terpenos

Antes de comenzar a hablar de los distintos tipos de lípidos hablaremos de los ácidos grasos. Se trata de largas cadenas de carbono en las que existe un grupo ácido en uno de sus extremos. Existen dos tipos de ácidos grasos:

- Saturados: se trata de cadenas de carbono con enlaces sencillos entre ellos.

- Insaturados: en estos existen dobles enlaces entre carbono y carbono, si sólo presentan uno se habla de ácidos grasos monoinsaturados, pero si presentan varios hablamos de ácidos grasoso poliinsaturados como los omega·3.

A) LIPIDOS CON ÁCIDOS GRASOS

FOSFOLÍPIDOS

Se trata de biomoléculas orgánicas formadas por la unión de una molécula de alcohol (glicerol) con dos moléculas de ácidos grasos y una molécula de ácido fosfórico. Se trata de una biomolécula anfipática ya que posee un extremo hidrofóbico (no le “gusta” el agua) y un extremo hidrofílico (le “gusta” el agua). La región hidrofílica se corresponde con el ácido fosfórico y la cola hidrofóbica con los ácidos grasos.

Esto hace que en disoluciones acuosas, es decir con presencia de agua, formen determinadas estructuras, llamadas micelas y bicapas.

Las micelas se forman para aislarse de un medio acuoso, en esta estructura se colocan las cabezas hidrofílicas hacia el exterior y las colas hidrofóbicas hacia el interior de una esfera.

Las bicapas están formadas por una doble capa de fosfolípidos, formando una estructura cerrada, con el fin de separar dos medios acuosos, uno interno de otro externo, las cabezas hidrofílicas se sitúan mirando a ambos medios y las colas hidrofóbicas se sitúan en el interior de la bicapa. Esta estructura la presentan todas las membranas celulares.

La función principal de los fosfolípidos es formar las membranas celulares, es decir, función estructural.

GRASAS O TRIGLICÉRIDOS

Son biomoléculas orgánicas formadas por una molécula de alcohol y tres moléculas de ácidos grasos. Dependiendo de la naturaleza (longitud e insaturaciones) de los ácidos grasos nos encontraremos con distintos tipos de triglicéridos.

- Grasas propiamente dichas: son normalmente de origen animal, están formadas por ácidos grasos saturados, son sólidas a temperatura ambiente y de difícil digestión.

- Aceites: son normalmente de origen vegetal, están formados por ácidos grasos insaturados, son líquidos a temperatura ambiente y de fácil digestión.

La función de los triglicéridos es reserva energética, cada gramo de triglicéridos aporta 9 Kcal frente a un gramo de glucosa que aporta 4 Kcal. Forman parte del tejido adiposo en los vertebrados, como reserva energética y aislante térmico.

CERAS

Son biomoléculas orgánicas formadas por una molécula de alcohol y una molécula de ácido graso. Su función principal es la impermeabilización. Cera de las abejas, cerumen del oído, la lanolina (lana de las ovejas).

B) LIPIDOS SIN ÁCIDOS GRASOS

ESTEROIDES

Son biomoléculas orgánicas con estructuras complejas, formados por cuatro anillos. Dentro de estas sustancias encontramos: hormonas sexuales (“anabolizantes”), colesterol (forma parte de todas las membranas celulares) y vitamina D (necesaria para la fijación de calcio en los huesos). Los esteroides son de origen animal.

TERPENOS

Son biomoléculas orgánicas de estructura compleja. Son de origen vegetal y entre ellos destacamos: vitaminas (A,E y K), pigmentos fotosintéticos como la clorofila y los carotenos (rojos y naranjas) y aromas o esencias vegetales como es el caso del limoneno, mentol o geraniol.

4.- ACIDOS NUCLEICOS

Son biomoléculas orgánicas formadas por unas unidades que se repiten llamadas nucleótidos, a su vez cada nucleótido está formado por una molécula de azúcar (ribosa ARN o desoxirribosa ADN), una base nitrogenada (Adenina A, Timina T (ADN), Citosina C, Guanina G o Uracilo U(ARN)) y una molécula de ácido fosfórico.

Existen dos grupos de bases nitrogenadas, las púricas (Adenina y Guanina), que presentan dos anillos y las pirimidínicas ( Timina, Citosina y Uracilo) que presentan un anillo. Estas bases nitrogenadas son las que diferencian a un nucleótido de otro.

Los monosacáridos que forman los ácidos nucleicos son pentosas, es decir en disolución acuosa forman un pentágono y son: la ribosa, que formará ácido ribonucleico ARN y la desoxirribosa que formará ácido desoxirribonucleico ADN. Es decir el azúcar determina el tipo de ácido nucleico.

Un nucleótido, por tanto, está formado por un azúcar, una base nitrogenada y un ácido fosfórico.

Un tipo de nucleótido especial es el ATP, es la molécula que utilizan los seres vivos para almacenar y obtener energía, gracias a los enlaces del fósforo inorgánico (ATP-ADP-AMP).

Un nucleótido se une con otro mediante enlace fosfodiéster, en éste reacciona el ácido fosfórico de un nucleótido con el monosacárido de otro nucleótido liberándose una molécula de agua y dando lugar a un dinucleótido.

A este dinucleótido se unen más nucleótidos hasta formar una cadena que dará lugar al ácido nucleico correspondiente ARN o ADN dependiendo del azúcar o monosacárido.

En un ácido nucleico lo que une a un nucleótido con otro es el ácido fosfórico.

Tipos de ácidos nucleicos

ADN

Es un ácido nucleico, formado por la unión de nucleótidos de desoxirribosa por enlace fosfodiéster.

En las células eucariotas está formado por una doble cadena en forma de hélice. Estas cadenas están unidas gracias a la complementariedad de las bases nitrogenadas (Adenina-Timina, Citosina- Guanina).

Funciones:

- Almacenar la información genética, por ello se encuentra contenido en el núcleo.

- Transmitir esa información genética a la descendencia, ya que es una molécula capaz de hacer copias de sí misma (replicación) siempre respetando la complementariedad antes mencionada.

ARN (Ácido ribonucleico)

Es un ácido nucleico formado por la unión de nucleótidos de ribosa por enlace fosfodiéster.

En las células eucariotas está formado sólo por una cadena.

La función del ARN es la expresión de la información genética, es decir convertir esa información en proteínas.

Existen 3 tipos de ARN:

o ARN ribosómico (ARNr): tiene función estructural, forma los ribosomas.

o ARN transferente (ARNt): es el encargado de llevar los aminoácidos hasta los ribosomas.

o ARN mensajero (ARNm): es el encargado de llevar la información desde el núcleo hasta el ribosoma.