BIOMOLÉCULAS

Los seres vivos obedecen a las mismas leyes físicas y químicas que los sistemas no vivos

Todos los seres vivos comparten los mismos tipos de moléculas

Según aumenta el grado de complejidad en la organización (átomos, moléculas, organismos, biosfera) aparecen nuevas propiedades a consecuencia de la interacción y no solo de las características de cada elemento.

El principal compuesto de las moléculas de los seres vivos es el carbono.

Elementos químicos

• Sustancias que no pueden descomponerse en otras sustancias por medios químicos

• 92 elementos químicos• 30 esenciales para la vida• Bioelementos: C, H, O, N. (96,5%)• En menor cantidad: Na, K, Ca, Cl, P, S• Oligoelementos: Zn, Fe, Mg, I, Cu, Mn

El átomo

• Es la partícula más pequeña de un elemento que posee todas las propiedades químicas características de este.

• Núcleo. Concentra la mayoría de la masa.• Protones (+)• Neutrones (sin carga)

• Electrones (-). En órbita alrededor del núcleo por la fuerza electrostática

• Número atómico = número de protones

• Número de electrones igual al número de protones, el átomo es eléctricamente neutro.

Estructura atómica

• Los átomos se unen formando moléculas

• Las moléculas se forman mediante diversos tipos de enlaces

• Los enlaces atómicos dependen de la dinámica de los electrones

• Los electrones se desplazan en órbitas a una velocidad cercana a la de la luz

• Existen de 1 a 4 órbitas alrededor del núcleo atómico

• Los electrones se sitúan en diferentes órbitas

• La distancia que los separa del núcleo determina su nivel energético, cuanto más lejos más energía

Niveles energéticos

• Los electrones tienden a situarse próximos al núcleo

• 1er nivel de energía: 2e

• 2do nivel de energía: 8e

• 3er nivel de energía: 8e

• 4º nivel de energía: ...

?

8

8

2

Enlaces químicos

Permiten adquirir a los átomos una estructura electrónicamente estable.

Enlace iónico y enlace covalente

Las moléculas de los seres vivos. Biomoléculas

• Moléculas inorgánicas: presentes en la materia orgánica e inorgánica. Agua, sales minerales y gases (CO2 y NO)

• Moléculas orgánicas: organizadas en torno al C• El carbono tiene capacidad para formar grandes moléculas

por su reducido tamaño y los cuatro electrones de la capa externa

• Puede formar enlaces con H, O y N y con hasta otros 4 átomos de C• Gran variedad de los enlaces covalentes (sencillos,

dobles, triples)

La mayoría de biomoléculas son moléculas orgánicas

• Moléculas orgánicas pequeñas, de hasta 30 átomos de C: azúcares, ácidos grasos, aminoácidos y nucleótidos. Algunas pueden descomponerse en otras más pequeñas, pero la mayoría son monómeros

• Macromoléculas, unión de muchos monómeros, son los Polímeros orgánicos

• Los polímeros son las moléculas más abundantes y esenciales para la vida: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos

Las moléculas más importantes para la vida son:

Agua Macromoléculas orgánicas:

Glúcidos Lípidos Proteínas Acidos nucleicos

El aguaOrigen de la vida Enlace covalenteMolécula polar Reacciones metabólicas

El agua. Puentes de hidrógeno

• Puentes o enlaces de hidrógeno• Máximo de 4 puentes de hidrógeno• Agua líquida; agua hielo

Sustancias hidrófilas e hidrófobas

• El puente de H no es exclusivo del H2O, sino de todas las moléculas polares

• Hidrófilas: moléculas con regiones polares (ClNa)• Hidrófobas: moléculas sin regiones polares (aceite)

Glúcidos

• Biomoléculas formadas a partir de azúcares (energía)

• Azúcares: compuestos orgánicos que atienden a la fórmula

(CH2O)n

• Por su proporción en H y O son también denominados carbohidratos o hidratos de carbono

• Diferencias de tamaño: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos

Unión de azúcaresFormación de polímeros:

Síntesis de condensación(unión)

Hidrólisis(ruptura)

H2O

Monosacáridos

• Glúcidos más sencillos• Fructosa, galactosa• Ribosa, desoxirribosa (n=5) Parte de la

estructura de los ácidos nucleicos• Glucosa, libre o unida a glúcidos más

complejos, lípidos (glucolípidos) o proteínas (glucoproteínas)

• Glúcido principal del metabolismo de los organismos, es la principal fuente de energía (fotosíntesis, glucolisis, respiración celular)

Disacáridos: unión de dos monosacáridos• Sacarosa: Glucosa+Fructosa (azúcar

común) • Maltosa: Glucosa+Glucosa (proviene de

la hidrólisis del almidón y es el azúcar más importante en las plantas)

• Lactosa: Glucosa+Galactosa (en la leche)

Disacáridos

Polisacáridos

Polímeros formados por la unión de muchos monosacáridos

Son los glucidos más abundantes en la naturaleza

Reserva energética y elementos estructurales

Glucógeno:• Principal polisacárido de reserva de los animales

constituido por glucosa• Se almacena en el hígado y en la musculatura

esquelética

Glucógeno Glucosa

Hidrólisis

Almidón: • Principal polisacárido de reserva de los vegetales

constituido por glucosa• De gran importancia y utilidad energética para el ser

humano

PolisacáridosCelulosa: • Papel estructural en vegetales (paredes celulares)• Polisacárido constituido de unidades de glucosa que

forman cadenas lineales debido al tipo de enlace• No apta para el consumo energético humano

Lípidos• Estructuras muy diversas

• Constituidos de C, H y O en menor medida

• Algunos también tienen fósforo, azufre y nitrógeno

• Naturaleza hidrofóbica. Solubles en disolventes apolares (eter, benceno, cloroformo)

• Reserva energética (no glucógeno → lípidos). Los azúcares que no podemos almacenar se convierten en lípidos

• Glúcidos: energía inmediata• Lípidos: energía de reserva

• Importante función estructural (membranas celulares). Al ser hidrófobos forman barreras que separan la célula del líquido que la rodea

• Ácidos grasos: moléculas básicas de los lípidos

• 2 regiones:• Una larga cadena hidrocarbonada (H+C). Es

hidrófoba y químicamente poco reactiva• Un grupo carbóxilo (COOH). Muy hidrófilo y

químicamente reactivo

Ácidos grasos

• Se unen a otras moléculas a través de enlaces covalentes en los grupos carboxilos

• Los ácidos grasos se diferencian por la longitud de sus cadenas y la posición de sus enlaces dobles

• Insaturados: (el C no satura sus 4 enlaces con H). Uno o más enlaces dobles. Alteración en la cadena pues provocan dobleces que separan las moléculas. Líquidos a temperatura ambiente

• Saturados: Enlaces sencillos. Cadenas rectas que facilitan que las moléculas se empaqueten juntas. Sólidos a temperatura ambiente

Triglicéridos

• Se almacenan en el citoplasma celular en forma de glicéridos (grasas)

• Los más abundantes son los triglicéridos: • 3 moléculas de ácidos grasos unidas a una de glicerina

• Diferentes tipos de triglicéridos en función de los ácidos grasos que presenten

Fosfolípidos

Función estructural de los lípidos (membrana celular)

2 cadenas de ácidos grasos y una de glicerina

• El tercer carbono de la glicerina está unido a otro grupo fosfato hidrófilo, que está enlazado a otro grupo polar

Cuando la molécula de fosfolípidos está rodeada de agua las colas hidrofóbicas se agrupan para excluir el agua formando micelas o una doble capa. Esta doble capa es la base estructural de las membranas celulares

Esteroides

Lípidos sencillos

No contienen ácidos grasos

Son insolubles en agua

El más conocido es el colesterol

También son esteroides algunas hormonas

Proteínas

• El componente más abundante de los organismos después del agua

• Gran importancia biológica• Gran versatilidad, millones de proteínas diferentes• Multifunción: estructural, catalítica, comunicación• Grandes polímeros compuestos por la unión

secuencial lineal de moléculas más sencillas llamadas aminoácidos

Aminoácidos

• Grupo carboxilo (COOH)• Grupo amino (H2N)• Átomo único de C• Grupo R (radical), cadena lateral de carbonos que

determina el tipo de aminoácido• 20 aminoácidos (apolares, polares + y -)• Para construir las proteínas se unen mediante enlaces

peptídicos

• Enlace peptídico: síntesis de condensación• Grupo carboxilo + grupo amino• Liberación de H2O• Resultado: Polipéptido (cadena de hasta 50

aminoácidos)

Enlace peptídico

• Las posibilidades de combinación de los 20 aminoácidos dan lugar a cientos de miles de proteínas diferentes

• Las proteínas suelen ser grandes y contener centenares de aminoácidos

Factores que determinan la estructura tridimensional de una proteína

• Secuencia en la cadena de aminoácidos determina la forma

• Enlaces no covalentes débiles mantienen la conformación

Puentes de hidrógeno Enlaces iónicos

• Cadenas laterales de los aminoácidos polares → orientación exterior

• Cadenas laterales de los aminoácidos no polares → orientación interior

• Conformaciones específicas en la superficie. Funciones concretas

Estructura tridimensionalde una proteína

Las proteínas se organizan espacialmente según cuatro niveles estructurales

Estructura primaria

La secuencia de aminoácidos constituye la estructura primaria de una proteína

Estructura secundariaPlegamiento de la cadena polipeptídica debido al establecimiento de puentes de hidrógeno entre fragmentos próximos

Hélice α: Conformación helicoidal de la cadena debido al establecimiento de puentes de hidrógenos entre el grupo C=O y el grupo H-N del tercer o cuarto aminoácido consecutivo. Los grupos radicales se orientan hacia el exterior

Conformación β: Configuración en zig-zag de cadenas polipeptídicas paralelas debido al establecimiento de puentes de hidrógeno. Los grupos radicales quedan alternamente arriba y abajo de la estructura

Tipos de proteínas según la estructura secundaria

• Proteínas fibrosas:• Constituidas por un solo tipo de estructura

secundaria• Cadena polipeptídica en forma de largos filamentos• Funciones estructurales en la anatomía de los

vertebrados (queratina: uñas, escamas y plumas)

• Proteínas globulares:• Diferentes tipos de estructuras secundarias en la

misma cadena polipeptídica• La estructura secundaria se pliega sobre si misma

dando lugar a estructuras terciarias más complicadas

Estructura terciaria

• Repliegue sobre sí mismo de la estructura secundaria → proteínas globulares

• Interacción entre los grupos R de diferentes aminoácidos de la cadena

• Enlaces débiles y covalentes• Abundantes en los seres vivos: enzimas, hormonas,

receptores de membrana

Estructura cuaternaria

• Dos o más cadenas polipeptídicas idénticas o diferentes• Unidas por las mismas fuerzas que mantienen la

estructura terciaria

Hemoglobina: proteína de estructura cuaternaria transportada por los glóbulos rojos que establece enlaces débiles con el O2 en los pulmones y los conduce a cualquier tejido del organismo

Enzimas• Proteínas muy variadas y especializadas• Median reacciones químicas propias del

metabolismo celular • Disminuyen la cantidad de Energía de

activación necesaria en una reacción química• Pueden acelerar hasta cien millones de veces la

velocidad de una reacción• Degradan nutrientes, transforman energía y

fabrican macromoléculas biológicas• Cada reacción química celular está controlada

por una enzima

Enérgía de activación: necesaria en las reacciones químicas para vencer las fuerzas de los electrones que envuelven las moléculas y romper los enlaces químicos para formar otros

Puede proporcionarse de dos maneras:• Con calor (en sistemas no vivientes)• Reduciendo la energía de activación necesaria

mediante encimas (catalización o biocatalización)

La enzima interviene sobre otra molécula (sustrato) que suele ser pequeña debilitando sus enlaces químicos

La biocatalización permite que las funciones de los seres vivos se produzcan a la velocidad adecuada

Cada enzima tiene una estructura tridimensional propia. Son moléculas muy complejas. Entre los pliegues de sus polipéptidos se producen las reacciones catalizadas

Cada enzima es específica para un sustrato

La enzima se combina específicamente con un sustrato en su centro activo debilitando los enlaces de éste. La reacción enzimática no supone la modificación de la enzima. Solo resulta un producto

Actividad enzimática

Cofactores y coenzimas

Sustancias necesarias para el funcionamiento metabólico de algunas enzimas como algunos iones inorgánicos (Fe2+, Mg2+ o Zn2+) o sustancias orgánicas

Nomenclatura

Se las identifica por el sufijo “–asa” asociado al sustrato sobre el que actúa (ATPasa) o a la actividad que realiza (ATP sintetasa)

• Los nucleótidos son moléculas complejas formadas por una base nitrogenada, un azúcar y uno o varios grupos fosfato, que aisladamente realizan funciones esenciales para el metabolismo celular

• Los ácidos nucleicos son grandes moléculas (polímeros) formadas por nucleótidos que cumplen una importante función para el mantenimiento de la vida permitiendo la transmisión y expresión de la información genética de unas células a otras

Nucleótidos y Ácidos nucleicos

Nucleótidos

Base nitrogenada, un azúcar y uno o varios grupos fosfato

Los nucleótidos difieren entre sí por el tipo de azúcar y en las bases nitrogenadas que presenta y toman el nombre de éstas últimas

Azúcar: es una pentosa (ribosa o desoxirribosa)

Bases nitrogenadas: moléculas compuestas de C, H, N y O en forma de anillos (Bases: captan iones de H)

• Púricas: anillo doble (Adenina y Guanina)• Pirimidínicas: un solo anillo (Citosina, Timina, Uracilo)

Grupo fosfato: monofosfato, difosfato o trifosfato

Adenosín trifosfato (ATP)

Molécula nucleótida, portadora de un grupo trifosfato, implicada en todos los procesos bioquímicos en los que se requiere energía

• Ruptura por hidrólisis: produce energía (ADP, grupo fosfato libre y energía)

• Se obtiene de nuevo ATP al metabolizar glucosa. Se necesita energía (solar en plantas o procedentes de otras reacciones como la oxidación de la glucosa en animales

Ácidos nucleicos

Compuestos por nucleótidos unidos covalentemente por el enlace fosfodiester

Son moléculas que almacenan la información biológica

Enlace fosfodiéster: Unión del oxígeno del grupo fosfato del C5 de un azúcar y el grupo carboxilo del C3 de otro azúcar por el que se condensa una molécula de H2O

Estructura de los ácidos nucleicosCadena de elementos alternos constituidos por grupos fosfatos y pentosas que presentan bases laterales unidas a la cadena a intervalos regulares

Principales tipos de ácidos nucleicos

Ácido ribonucleico (ARN)• Unidad glucídica: ribosa• Bases nucleótidas: Adenina, Guanina, Citosina, Uracilo

• Cadena única de nucleótidos

Ácido desoxirribonucleico (ADN)• Unidad glucídica: desoxirribosa• Bases nucleótidas: Adenina, Guanina, Citosina, Timina

• Doble cadena de nucleótidos unidas por apareamiento entre las bases