T.1: Bioelementos y Biomoléculas

Bloque 1. Introducción a la biología celular y molecular

• La biología celular y molecular estudia la composición elemental de los seres vivos, los bioelementos y biomoléculas, los procesos celulares y la bioenergética. Además, se estudia el metabolismo celular, que incluye anabolismo y catabolismo.

Composición elemental de los seres vivos

• Los seres vivos están compuestos por elementos y compuestos químicos.
• Los elementos químicos presentes en los seres vivos se denominan bioelementos.
• Aproximadamente 70 elementos químicos se encuentran en los seres vivos, pero no todos son esenciales o comunes a todos.
• Los bioelementos se clasifican en primarios, secundarios y traza (oligoelementos), según su abundancia.

Bioelementos primarios

• Los bioelementos primarios son C, H, O, N, P y S.
• Conforman el 96% de la materia viva.
• La base de la mayoría de las moléculas biológicas es el carbono.
• Presenta propiedades que lo hacen idóneo para formar estas moléculas.

Bioelementos secundarios

• Son elementos que se encuentran en menor proporción, representando un 3,9% de la materia viva.
• Se presentan en forma iónica (carga positiva o negativa).
• Algunos ejemplos son Ca, Na, K, Cl, Mg y Fe.

Oligoelementos (Elementos traza)

• Se encuentran en concentraciones muy bajas (0,1%).
• Algunos ejemplos son Cu, Zn, Mn, Co, Ni y Si.
• Pueden ser esenciales para ciertos seres vivos.

Biomoléculas

• Los bioelementos forman biomoléculas (compuestos químicos)
• Se clasifican en inorgánicas y orgánicas

Biomoléculas inorgánicas

• Se encuentran en la materia viva y no viva
• Agua
• Sales minerales
• Gases: O2, CO2, N2

Biomoléculas orgánicas

• Se encuentran únicamente en la materia viva
• Glúcidos
• Lípidos
• Proteínas
• Ácidos nucleicos

El agua

• Es fundamental para la vida.

• Es una molécula polar.

• Es un disolvente casi universal, debido a sus propiedades fisicoquímicas.

• El agua disuelve moléculas polares, pero no apolares.

• Sus propiedades inusuales, incluyendo el alto calor específico, la alta tensión superficial, y su capacidad de formar puentes de hidrógeno, hacen que el agua sea esencial para la vida.

• Alto calor específico : Debido a sus puentes de hidrógeno, el agua absorbe o cede calor con lentitud, lo que ayuda a mantener la temperatura estable.

• Alta tensión superficial : Debido a sus puentes de hidrógeno, el agua se comporta como una película elástica, permitiendo que algunos insectos puedan caminar sobre ella.

• Elevado calor de vaporización: Debido a sus puentes de hidrógeno, se necesita gran cantidad de calor para convertir agua líquida en vapor, lo que ayuda a regular la temperatura corporal en los seres vivos.

• Flotabilidad del hielo: El hielo es menos denso que el agua líquida, lo que permite que el hielo flote en la superficie del agua, lo cual ayuda a mantener la vida acuática en los ambientes de agua fría.

• Capilaridad: El agua asciende en tubos capilares debido a la cohesión y adhesión, lo que ayuda a que el agua fluya desde las raíces hasta las hojas en las plantas y circule por el cuerpo de los animales.

Átomos de Carbono

• Tiene 6 protones y 6 neutrones.
• 4 electrones de valencia (capa externa)
• Forma enlaces covalentes con otros átomos.
• Puede formar enlaces sencillos, dobles o triples, lo que le permite formar una amplia variedad de estructuras.
• La unión de átomos de carbono forma la "espalda" de las moléculas orgánicas.

Enlaces por puente hidrógeno

• Son enlaces relativamente débiles.
• Son más fuertes que las interacciones dipolo-dipolo.
• Son esenciales para la estructura y función de las biomoléculas.
• Muy importantes para las propiedades anómalas del agua.

Estados del agua

• Sólido (hielo)
• Líquido
• Gaseoso (vapor)
• Los puentes de hidrógeno y sus propiedades dan lugar a estos tres estados.
• El agua puede presentarse en estas tres formas distintas en la naturaleza.

Ácidos y bases según la teoría de Brönsted-Lowry

• En esta teoría un ácido es una sustancia que dona protones (H+), y una base es una sustancia que acepta protones.
• En el caso del agua, actúa tanto como ácido como base.

pH

• El pH es una escala logarítmica que mide la concentración de iones de hidrógeno (H+) en una solución.
• El pH del plasma normal es de 7.40.
• Una solución ácida tiene un pH menor a 7.
• Una solución básica tiene un pH mayor a 7.
• El pH se debe mantener constante/dentro de un rango por amortiguadores/tampones dentro del cuerpo.
• Los valores extremos de pH (arriba de 7,8 o por debajo del 6,8) pueden ser incompatibles con la vida, y los amortiguadores/tampones fisiológicos ayudan a mantener el pH estable.

Amortiguadores o tampones

• Son soluciones que ayudan a mantener el pH constante dentro de ciertos límites, resisten el cambio de pH.
• Importantes en los seres vivos.
• Los tampones actúan al absorber o liberar iones de hidrógeno (H+) según sea necesario, evitando grandes cambios de pH.

Metabolismo celular

• Es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en una célula para mantener la vida.
• Incluye reacciones de degradación (catabolismo) y síntesis (anabolismo).

Catabolismo celular

• Son reacciones de degradación de biomoléculas (del medio ambiente o de reservas).
• Degrada moléculas complejas en más simples.
• Libera energía en forma de ATP o poder reductor.

Anabolismo

• Son reacciones de síntesis de biomoléculas a partir de elementos simples.
• Utiliza energía para crear moléculas más complejas.

Energía y Metabolismo

• El anabolismo consume energía y el catabolismo produce energía.
• Estas reacciones se utilizan para realizar las actividades de la célula.

Coenzimas Redox

• Son compuestos que participan en las reacciones redox (transferencia de electrones) dentro de las rutas metabólicas.
• Son derivados de nucleótidos.
• Se utilizan para el intercambio de electrones/hidrogeniones.
• Se denominan reducido/oxidado según si aceptan o pierden un electrón.

ATP

• Es la moneda de energía de la célula.
• Contiene enlaces ricos en energía que se hidrolizan para liberar energía.
• Se utiliza en procesos anabólicos y catabólicos.

Enzimas

• Son catalizadores biológicos.
• Aceleran las reacciones químicas en las células.
• Su funcionamiento depende del sitio activo, que es el lugar donde se adhieren los sustratos.
• La unión forma un complejo enzima-sustrato.
• Los productos se liberan del sitio activo.
• Son proteínas.
• Muchas reacciones enzimáticas necesitan coenzimas.
• Los coenzimas se unen al sitio activo para que la enzima funcione de manera eficiente.