Introducción a las Biomoléculas Orgánicas

Introducción a las Biomoléculas

• Las biomoléculas son los componentes esenciales de los seres vivos.
• Bioquímica o química biológica es la ciencia que se dedica al estudio de las transformaciones químicas dentro de los sistemas biológicos.
• El estudio de las biomoléculas ha facilitado la comprensión de procesos fisiológicos y patológicos en medicina.
• Las biomoléculas se clasifican en inorgánicas, como agua y sales minerales, y orgánicas, compuestas mayormente por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre.

Grupos de Biomoléculas Orgánicas

• El curso se enfoca en cuatro grupos principales de biomoléculas orgánicas:
  • Hidratos de carbono o carbohidratos
  • Proteínas
  • Lípidos
  • Ácidos nucleicos
• Estas biomoléculas participan en procesos bioquímicos cruciales y algunas tienen funciones estructurales.
• Están formadas por cadenas de átomos de carbono unidos por enlaces covalentes, generando estructuras diversas y estables.
• Las propiedades físicas y químicas de estas moléculas dependen de sus grupos funcionales.

Grupos Funcionales

• Un grupo funcional es un átomo o conjunto de átomos que determina las propiedades de los compuestos químicos.
• Comúnmente, contienen oxígeno o nitrógeno, pero también pueden incluir azufre o fósforo.
• Los grupos funcionales proporcionan reactividad a las moléculas biológicas y les permiten interactuar entre sí y con el entorno.
• Los grupos funcionales más relevantes en biomoléculas orgánicas son:
  • Hidroxilos
  • Carboxilos
  • Carbonilos
  • Aminos
  • Fosfatos
  • Ésteres
• Estos grupos reemplazan átomos de hidrógeno en el esqueleto de carbono, confiriendo características distintivas.
• La mayoría de los grupos funcionales aportan polaridad a la molécula, lo que influye en propiedades físicas como la temperatura de ebullición y la solubilidad en agua.
  • También generan sitios reactivos para unirse a otras moléculas y facilitar su transformación.
• Los grupos funcionales son críticos en las enzimas, proporcionando los "sitios de ataque" donde se unen los sustratos para generar productos.

Niveles de Organización Molecular

• Los monómeros representan el nivel químico-funcional mínimo que constituye a las biomoléculas.
• Los biopolímeros, o macromoléculas, corresponden al "segundo nivel", formados cuando los monómeros se agrupan mediante procesos de condensación.

Hidratos de Carbono: Generalidades

• También conocidos como carbohidratos, glúcidos o azúcares, son compuestos simples esenciales para el organismo, actuando como fuente principal de energía.
• Los hidratos de carbono se pueden sintetizar en el organismo o adquirir a través de la dieta.
• Su fórmula general es (CH2O)n, donde n varía de 3 a 7.
• Según el número de carbonos, pueden formar estructuras cíclicas.
• Constan de tres elementos: carbono, hidrógeno y oxígeno.

Clasificación de los Hidratos de Carbono

• Monosacáridos o azúcares simples, constituidos por un solo monómero, no pueden hidrolizarse en compuestos más simples y el representante principal de este grupo es la glucosa.
• Oligosacáridos, formados por la unión de dos a diez monosacáridos, que pueden ser separados por hidrólisis y se designan según su número de unidades monoméricas.
• Polisacáridos, moléculas de gran tamaño que constan de numerosos monosacáridos dispuestos en cadenas lineales o ramificadas.
• Los polisacáridos pueden estar formados por monosacáridos iguales (homopolisacáridos) o diferentes (heteropolisacáridos).
• Monosacáridos y disacáridos son solubles en agua, cristalinos y de sabor dulce; los polisacáridos son amorfos,insolubles en agua e insípidos.

Clasificación de Monosacáridos

• Aldosas poseen en su grupo funcional un aldehído.
• Cetosas poseen en su grupo funcional una cetona.
• Según el número de átomos de carbono, los monosacáridos se clasifican en:
  • Triosas: tres carbonos
  • Tetrosas: cuatro carbonos
  • Pentosas: cinco carbonos
  • Hexosas: seis carbonos

Monosacáridos

• Los monosacáridos son los azúcares más simples, siendo unidades monoméricas de los hidratos de carbonos.
• Se sintetizan a partir de CO2 y H2O mediante fotosíntesis en organismos autótrofos, pero los heterótrofos deben obtenerlos de la dieta.
• Químicamente, son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, definidos por el número de átomos de carbono en su cadena.
• La triosa es el monosacárido más pequeño con la fórmula (CH2O)3.
• Los isómeros estructurales distintos son isómeros de función, ya que poseen diferente grupo funcional.
• Una aldotriosa es el gliceraldehído si el carbonilo está en el carbono 1 y una cetotriosa es la dihidroxiacetona si está en el carbono 2.
• Las tetrosas, pentosas, hexosas y heptosas derivan de las triosas por adición sucesiva de grupos =CHOH en cadena lineal.

Carbono quiral, Actividad Óptica e Isomería

• Los glúcidos pueden presentar un centro quiral, carbono asimétrico o carbono quiral, donde un átomo de carbono está unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes.
• La presencia de carbonos quirales genera isomería y la presencia de actividad óptica, definida como la rotación que realiza un haz de luz polarizada sobre su eje y desviado a otra posición.
• Las moléculas que desvían hacia la derecha el plano de vibración de la luz polarizada se llaman dextrorrotatorios o de dextrógiros y las que lo rotan hacia la izquierda, levorrotatorios o levógiros.
• La magnitud de la rotación es la rotación específica y se determina con un polarímetro.
• Se designa con la letra "D" a los isómeros ópticos del gliceraldehído que son dextrorrotatorios o dextrógiros, y se designa con la letra "L" a los isómeros que son levorrotatorios o levógiros.

Enantiómeros

• Los enantiómeros desvían la luz polarizada en un ángulo exactamente igual y son imágenes especulares uno del otro:
  • El signo (+) indica que el isómero óptico desvía el plano de la luz polarizada hacia la derecha o es dextrógiro.
  • El signo (-) indica que el isómero óptico desvía el plano de la luz polarizada hacia la izquierda o es levógiro.
  • La letra "D" indica el grupo OH del C asimétrico central dispuesto hacia la derecha.
  • La letra "L" indica el grupo OH del C asimétrico central dispuesto hacia la izquierda.
• Químicamente son indistinguibles (propiedades físicas idénticas), a excepción de su capacidad para desviar el plano de vibración de la luz polarizada en uno u otro sentido.
• Los enantiómeros son importantes, ya que la naturaleza las enzimas sólo reconocerán a uno de los isómeros ópticos.

Estereoisómeros y Carbonos Asimétricos

• A medida que aumenta el número de carbonos quirales existe un mayor número de configuraciones espaciales o estereoisómeros.
• Cada centro quiral tendrá dos posibles configuraciones con grupos -OH hacia la derecha o izquierda.
• Las aldotetrosas tienen dos carbonos asimétricos, las Aldopentosas tienen tres carbonos quirales y las aldohexosa cuatro.
• Los isómeros que no son enantiómeros se denominan diastereoisómeros.
• Existe la Formula 2n para saber la cantidad de estereoisómeros, donde n es igual al número de carbonos asimétricos.
• Las aldosas se consideran derivadas del gliceraldehído y existen dos familias de estos monosacáridos:
  • Relacionada con el D-gliceraldehído
  • Relacionada con el L-gliceraldehído

Designación Azúcares y Actividad Óptica

• La notación "D" no indica que el azúcar sea dextrógiro, sino la configuración del carbono secundario más alejado de la función aldehído.
• Es aplicable a monosacáridos de la serie L.
• La actividad óptica se debe indicar con un signo (+) o (-) después de la D o L.

Cetosas Derivadas

• Las cetosas pueden tener dos series según la configuración del carbono secundario más alejado de la función cetona.
• Las cetosas se consideran derivadas de la triosa dihidroxiacetona, sin carbono quiral.

Enzimas y Serie D

• Solo uno de los dos posibles enantiómeros de los glúcidos, el de la serie D, es biológicamente activo y los organismos superiores solo utilizan y sintetizan los glúcidos de la serie D.

Monosacáridos importantes

• Asimétrico, quiral, centro quiral: átomo de carbono unido a cuatro elementos o grupos de átomos diferentes.
• Estereoisómeros: isómeros conectados de la misma manera, pero difieren en cómo se orientan en el espacio.
• Enatiómeros: estereoisómeros que son imágenes especulares; desvían la luz en cantidad de grados pero en sentidos contrarios.
• Diastereoisómero: estereoisómeros que no son imágenes especulares.
• Epímeros: estereoisómeros que difieren en la configuración de solo un carbono quiral.

Glucosa

• Es dextrosa, el monosacárido más importante y abundante.
• Juega un rol central en el metabolismo celular.
• La mayoría de la energía se obtiene mediante el metabolismo de la glucosa, principalmente por glicólisis y el ciclo del ácido carboxílico.
• Se utiliza como combustible por las células.
• Se encuentra libre en alimentos (miel, frutos maduros) y en la sangre y humores orgánicos de vertebrados.
• Forma la estructura de casi todos los polisacáridos (almidón, glucógeno y celulosa) y parte de disacáridos importantes (sacarosa y lactosa).

Estructura Cíclica Glucosa

• Los monosacáridos como aldehídos o cetonas forman una forma cíclica cuando un grupo hidroxilo reacciona con el grupo carbonilo, creando un hemiacetal cíclico.
• Las aldohexosas adoptan una forma de anillo heterocíclico de seis vértices (piranosa).
• Las cetosas de seis carbonos y aldosas de cinco adoptan la forma de un anillo de pentagonal (furanosas).
• Esta genera un estereoisómero (el carbono anomérico), donde existen anómeros, y solo varía su configuración.
• Cuando la D-glucosa esta en soluciones acuosas, está en proceso de ciclización.
• el grupo =OH del carbono 5 reacciona con el grupo funcional aldehído del carbono 1, generando genera estereoisómeros denominados anómeros, (α-D-glucosa y β-D-glucosa), los que difieren en la posición del -OH.
• El índice de rotación específica del α-D-glucosa es +112,2° y el de β-D-glucosa es +18,7°.
• Por convención, el C6 en la D-glucosa se representa "hacia arriba", la forma α con el -OH del carbono 1 "hacia abajo" y la forma β con el -OH "hacia arriba".

Ciclación de la glucosa y Estructuras

• El mecanismo de formación del hemiacetal cíclico se da mediante el anillo para reconstruir la función, potenciando a la función aldehído.
• Para pasar de un un D-monosacárido de forma lineal a cíclica se debe tener en cuenta estas reglas:
  • Reemplazar los sustituyentes a hacia abajo en la estructura cíclica a la derecha.
  • Los sustituyentes pasados a arriba en la estructura cíclica pasan a la izquierda.
  • En la forma α, el -OH del carbono 1 a hacia abajo y en la forma β con el -OH a arriba.
  • A los "L- monosacáridos" el -CH OH va hacia abajo.

Proyecciones/Fórmulas Haworth y Mutarotación

• Haworth propuso representar los anillos de los monosacáridos (Pirano y Furano) como un plano para considerar a los elementos por arriba o debajo, omitiendo a los cabronos integrantes en un relieve.
• Para los monosacáridos "D", presentan un anómero "a", presentando el grupo "OH" hacia abajo y en el anónimero "B" por encima del plano.
• Las estructuras cíclicas con su ciclo y forma en que se forma.
• La forma correcta de nombrar a los anómeros de la glucosa es a-D-glucopiranosa y B-D-glucopiranosa.

Anómeros

• Los anómeros son cristalizados, siendo alfa(+112,2º) y beta(+18,7º) los que luego de disuelta en agua (cualquiera de ellos), cambia lentamente y alcanza un variable contante(+52,6º) transformándose en mutarrotación.

Formas silla/bote

• Lo la representación en Haworth no es entera, ya que los átomos no están situados en el mismo plano y la moléculas tienden a adoptar conformaciones llamadas ”Silla" o "Bote" pudiendo cambiar de la ”configuración por ruptura de los enlaces químicos covalentes pasando por un enantiómero, cambiando la disposición del sustituyente.

Galactosa, Manosa y Fructosa

• Galactosa : Se forma al excepcionalmente libre en la naturaleza.
• Es disacárido, se logra formar con la glucosa la lactosa (azúcar de leche), siendo
• un epímero de bajo dulzor que solo varía en el carbono 4 y presente en forma cíclica .
• Manosa
• Se halla normalmente en oligosacáridos en organismos animales y se obtiene mediante la de polisacáridos vegetales con el nombre de manamos y el un epimero glucosa con variantes de configuración del carbono 2 que está de forma cíclica también.
• Fructosa: A la que se le llama levulosa, es cetohexosa por poseer propiedades levorrotatorias halándose por frutos maduros, órganos vegetales y miel de abejas.
• En disacárido forma la sacarosa más bien conocido como azúcar de caña y además es mayor poder edulcorante que sacarosa y glucosa utilizándose de manera industrial, por isomerización enzimática (Maíz).
• En carbono 2 está la funciones cetona adoptando la manera cíclica por unión entre C2 y C5 dando lugar anillo pentagonal. (Furanosa) habiendo diferentes configuraciones los anómeros ay B.

Pentosas: Ribosa y derivados

• D- ribosa conforma el ácidos ribonucleicos/ARN y otras sustancias cómo ATP/ADP.
• Derivados de monosacáridos nos ayudan a comprender a comprender su fórmula lineal y también las de carbón, hidratos comprendiendo derivados.

Derivados e Hidratos de Carbono

• Los grupos en los monosacáridos pueden realizar reacciones químicas ( grupos hidroxilos, carbono ceto o aldehído y el hemiacetal).

• El carbono hemiacetálico (C enomérico) de aldosas y cetosas hace reacción a la moléculas del alcohol en medio ácido ( acetal), siendo como reaccionar el mentanol a la D- Glucosa estableciéndose la perdida de agua la unión entre carbono 2 y Alcohol