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1 PRIMERA UNIDAD ¿Cómo los procesos metabólicos energéticos contribuyen a la conservación de los sistemas biológicos? Aprendizaje: Relaciona los carbohidrato...

1 PRIMERA UNIDAD ¿Cómo los procesos metabólicos energéticos contribuyen a la conservación de los sistemas biológicos? Aprendizaje: Relaciona los carbohidratos, lípidos, proteínas y nucleótidos con los procesos metabólicos de transformación de energía. Bioelementos y biomoléculas 1. Introducción El medio interno de los seres vivos es una compleja mezcla de moléculas. 2. Los bioelementos: concepto y clases Los bioelementos son los elementos químicos que constituyen los seres vivos. Clasificaremos los bioelementos en: Bioelementos primarios: C, H, O, N, S, y P. Representan en su conjunto el 96,2% del total. Bioelementos secundarios: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-. Oligoelementos o elementos vestigiales: Son aquellos bioelementos que se encuentran en los seres vivos en un porcentaje menor del 0.1%. Algunos, los indispensables, se encuentran en todos los seres vivos, mientras que otros, variables, solamente los necesitan algunos organismos.  2 Bioelementos Oligoelementos Primarios Secundarios Indispensables Variables O Na+ Mn B C K+ Fe Al H Mg2+ Co V N Ca2+ Cu Mo P Cl- Zn I S Si 2.1. Principales características de los bioelementos primarios  Aunque no son de los más abundantes, todos ellos se encuentran con cierta facilidad en las capas más externas de la Tierra (corteza, atmósfera e hidrosfera). Los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre y en los seres vivos (en % en peso). Elementos Corteza (%) Elementos Seres vivos (%) Oxígeno 47 Oxígeno 63 Silicio 28 Carbono 20 Aluminio 8 Hidrógeno 9,5 Hierro 5 Nitrógeno 3  Sus compuestos presentan polaridad por lo que fácilmente se disuelven en el agua, lo que facilita su incorporación y eliminación.  El C y el N presentan la misma afinidad para unirse al oxígeno o al hidrógeno, por lo que pasan con la misma facilidad del estado oxidado al reducido.  El C, el H, el O y el N son elementos de pequeña masa atómica y tienen variabilidad de valencias, por lo que pueden formar entre sí enlaces covalentes fuertes y estables. 3. Las biomoléculas: Clasificación Los bioelementos se unen entre sí para formar moléculas que llamaremos biomoléculas: Las moléculas que constituyen los seres vivos. Inorgánicos Orgánicos -Agua -Glúcidos -CO2 -Lípidos -Sales minerales -Prótidos o proteínas -Ácidos nucleicos  3 3.1. Los compuestos orgánicos de los seres vivos Son compuestos orgánicos los compuestos de carbono. Esto es, aquellos en los que el átomo de carbono es un elemento esencial en la molécula y forma en ella la cadena básica a la que están unidos los demás elementos químicos. Son estos los que caracterizan a la materia viva y la causa de las peculiares funciones que realiza. -Glúcidos o hidratos de carbono (carbohidratos) -Lípidos -Prótidos (proteínas) -Ácidos nucleicos Las funciones que cumplen estos compuestos en los seres vivos son muy variadas, así: -Glúcidos y lípidos tienen esencialmente funciones energéticas y estructurales. -Las proteínas: enzimáticas y estructurales. -Los ácidos nucleicos son los responsables de la información genética. Repartición de los componentes moleculares de la célula (en % sobre masa total) Principios inmediatos PROCARIOTAS EUCARIOTAS Carbohidratos 3 3 Lípidos 2 4,5 Proteínas 15 18 Ácidos Nucleicos ARN 6 1,25 ADN 2 0,25 Precursores 1 2 Agua 70 70 Sales minerales 1 1 3.2. El enlace covalente Los átomos que forman las moléculas orgánicas están unidos mediante enlaces covalentes, formados a partir de electrones compartidos. Número de Tipo de enlace electrones covalente compartidos 2 (1 cada uno) Simple 4 (2 cada uno) Doble 6 (tres cada uno) Triple  4 Los enlaces se representan mediante trazo entre los átomos a los que une. Así, por ejemplo: -C-C-, para el enlace simple carbono - carbono o -C=C- , para el doble. Unión mediante enlaces covalentes de los diferentes átomos que constituyen una biomolécula. El enlace covalente se da entre elementos no metálicos de electronegatividad similar: C-C, C-O, C-N, C-H. Polaridad del enlace-O-H y del enlace >N-H. 3.3. Características del átomo de carbono El carbono es el elemento número 6 de la tabla periódica. Es el elemento más importante de los seres vivos. En la corteza terrestre es un elemento relativamente raro. Lo encontramos en la atmósfera en forma de CO 2, disuelto en las aguas formando carbonatos y en la corteza constituyendo las rocas calizas (CO3Ca) el carbón y el petróleo. Enlaces covalentes que puede tener el átomo de carbono al unirse a otros bioelementos.  5 3.4. Los enlaces covalentes del carbono y de otros bioelementos El átomo de carbono tiene 4 electrones en la última capa. Esto hace que pueda unirse a otros átomos mediante cuatro enlaces covalentes pudiéndose formar tres estructuras distintas. Estas son:  La hibridación tetraédrica. En la que el átomo de carbono está unido mediante cuatro enlaces covalentes simples a otros cuatro átomos..  La hibridación trigonal. En la que el átomo de carbono se une a otros tres átomos mediante dos enlaces simples y uno doble.  La hibridación diagonal o digonal. Cuando el átomo de carbono está unido a otros dos átomos mediante un enlace simple y uno triple o mediante dos dobles. Hibridaciones del átomo de carbono. Los demás bioelementos van a poder formar, bien con el carbono o entre sí, los enlaces covalentes que pueden verse en el esquema. Enlaces covalentes que pueden tener el resto de los bioelementos primarios.  6 3.4. El esqueleto de las moléculas orgánicas Las diferentes biomoléculas van a estar constituidas básicamente por átomos de carbono unidos entre sí mediante enlaces covalentes. Ejemplos de esqueletos carbonados de las biomoléculas. 3.5. Funciones orgánicas Las moléculas orgánicas van a tener determinadas agrupaciones características de átomos que reciben el nombre de funciones o grupos funcionales: -Alcohol o hidroxilo -Aldehído -Cetona -Ácido orgánico o carboxilo -Amina -Amida -Tiol o sulfidrilo Las cuatro primeras están formadas por C, H, y O (funciones oxigenadas); las dos siguientes, por tener nitrógeno, se denominan funciones nitrogenadas. Entre las funciones con azufre la más importante en los compuestos de los seres vivos es la función tiol (-SH).  7 Los principales grupos funcionales. 3.6. Algunas propiedades químicas de las funciones orgánicas Los alcoholes por deshidrogenación (oxidación) se transforman en aldehídos o cetonas y estos por una nueva oxidación dan ácidos. Por el contrario, los ácidos por reducción dan aldehídos y estos a su vez dan alcoholes. Estos procesos son de gran importancia en el metabolismo de los seres vivos, en particular en los procesos de obtención de energía. 3.7. Formulación de las biomoléculas Las sustancias orgánicas pueden representarse mediante diferentes tipos de fórmulas: a) Fórmulas desarrolladas o estructurales: En ellas se indican todos los átomos que forman la molécula y todos los enlaces covalentes que los unen. b) Fórmulas semidesarrolladas: en las que se indican únicamente los enlaces de la cadena carbonada. El resto de los átomos que están unidos a un determinado carbono se agrupan según ciertas normas (ejemplo: CH 3-, -CH2- , CH2OH-, -CHOH-, CHO-, - CO-, -COOH, -CHNH2-). c) Fórmulas empíricas: En ellas se indican únicamente el número de átomos de cada elemento que hay en la molécula; así, la fórmula empírica de la glucosa: C 6H12O6.  8 En ciertos casos, por ejemplo, si la molécula es muy compleja, se recurre a determinadas simplificaciones. Fórmulas desarrollada, semidesarrollada y empírica del etano. Ejemplo de representación entre desarrollada y semi desarrollada de la glucosa, en la que algunas funciones se han agrupado. Representación simplificada de una biomolécula.  9 Representación semi desarrollada de los principales grupos funcionales. 3.8. Concepto de polímero y monómero Frecuentemente los compuestos que constituyen los seres vivos están formados por la unión más o menos repetitiva de moléculas menores. Cada una de las unidades menores que forman estas grandes moléculas es un monómero y el compuesto que resulta de la unión se llama polímero. Los polímeros son, a su vez, macromoléculas, moléculas de elevado peso molecular. Pequeñas moléculas.....................................................................de 100 u a 1000 u Grandes moléculas (macromoléculas)............................. de 104 u a más de 106 u Unidad de masa molecular: unidad de masa atómica (u) o dalton (da). 1u = 1da = 1,660*10 -24 g  10 Fragmento de la molécula de almidón. El almidón es un polímero formado por el monómero glucosa. 3.9. Enlaces intra e intermoleculares Los medios biológicos son una mezcla compleja de compuestos químicos, tanto orgánicos como inorgánicos. Todas estas moléculas van a interaccionar entre sí. La principal de estas interacciones es la reacción química en la que se produce una trasformación química de las sustancias que intervienen en ella. Otros tipos de interacción son los diferentes enlaces que pueden darse entre moléculas o entre partes de una misma molécula. : 1. Enlaces iónicos. Se suelen dar preferentemente en moléculas que contienen grupos -COOH y -NH2. Estos grupos en agua se encuentran ionizados: -COOH → -COO- + H+ -NH2 + H+ → -NH3 + Estos enlaces en medio acuoso son muy débiles.  11 2. Los puentes disulfuro. Se llama así a los enlaces covalentes que se forman al reaccionar entre sí dos grupos -S-H para dar -S-S-. 3. Enlaces o puentes de hidrógeno. Se trata de enlaces débiles, pero que si se dan en gran número pueden llegar a dar una gran estabilidad a las moléculas. Los enlaces de hidrógeno se deben a la mayor o menor electronegatividad de los elementos que participan en un enlace covalente. Estos enlaces son de gran importancia en determinados compuestos y, en particular, en las proteínas y en los ácidos nucleicos. 4. Fuerzas de Van der Waals. Se trata de fuerzas de carácter eléctrico debidas a pequeñas fluctuaciones en la carga de los átomos. Actúan cuando las moléculas se encuentran muy próximas unas a otras. 5. Uniones hidrofóbicas. Ciertas sustancias insolubles en agua cuando están en un medio acuoso van a mantenerse unidas entre sí por su repulsión al medio en el que se encuentran. Es de destacar que los enlaces más débiles, iónicos y de hidrógeno, particularmente, pueden contribuir en gran manera a la estabilidad de la configuración de una molécula cuando se dan en gran número. Enlaces iónicos entre grupos -COOH y H2N-  12 Puentes disulfuro (4) entre las subunidades de una proteína. Puentes o enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas del ADN.