Introducción a la Química - 5ES - Biomoléculas y Metabolismo - Apunte

 

Biomoléculas

     Las Biomoléculas son compuestos del Carbono que están presentes en los organismos y participan en diferentes funciones. En su mayoría son polímeros complejos, es decir, moléculas formadas por la unión de varias unidades más simples llamadas monómeros.

Los Hidratos de Carbono

  Están formados por átomos de Carbono, Hidrógeno y Oxígeno y se pueden clasificar en Monosacáridos (formados por una sola unidad sencilla), Disacáridos (formados por la unión de dos monosacáridos) y Polisacáridos (formados por la unión de más de diez monosacáridos).

    Los Monosacáridos son aldehídos o cetonas con más de un grupo alcohol que pueden tener de tres a seis átomos de Carbono. El sufijo que los distingue es –osa e indica el número de átomos de Carbono (por ejemplo, un monosacárido de cinco átomos de Carbono es una Pentosa). Los más conocidos son Hexosas, como la Glucosa y la Fructosa.

   Los Hidratos de Carbono presentan un tipo especial de estereoisomería llamada Isomería Óptica. Para que un compuesto tenga isómeros ópticos debe poseer al menos un Carbono unido a cuatro átomos o grupos de átomos distintos, llamado Carbono Quiral. Este tipo de isómeros se llaman Enantiómeros y difieren en sus propiedades biológicas.

    Las propiedades físicas y químicas de los monosacáridos son:

-       -  Sólidos que cristalizan como cristales blancos.

-        - Tienen sabor dulce.

-      -  Son solubles en agua.

-      -  Frente al calor, sus cristales se descomponen y se caramelizan.

-       - Son ópticamente activos.

    Los Disacáridos se forman a partir de la unión de dos monosacáridos iguales o no. La reacción es una condensación y se denomina unión glucosídica. Los disacáridos más abundantes en la naturaleza son la maltosa (formado por la unión de dos glucosas), la lactosa (formado por la unión de la glucosa con la galactosa) y la sacarosa (formado por la unión de la glucosa con la fructosa).

    Los Polisacáridos son polímeros de alto peso molecular que resultan de la unión por condensación de cientos de miles de monosacáridos. Los más conocidos son el almidón, el glucógeno y la celulosa.

Los Lípidos

     Poseen alto peso molecular, son muy importantes para la obtención de energía e indispensables en la dieta. Además, son parte de las membranas celulares, actúan como aislantes térmicos, protegen ciertos órganos, lubrican y aíslan partes de las plantas y son precursores en la formación de hormonas y vitaminas. Las ceras, las grasas y los aceites son lípidos. Encontramos aceites en los vegetales, grasas en los animales y ceras en ambos. Todos los lípidos están formados esencialmente por átomos de Carbono, Hidrógeno, algunos átomos de Oxígeno y pueden tener Fósforo y Nitrógeno. La mayoría son insolubles en agua. Según su estructura, se clasifican en saponificables (se hidrolizan en presencia de hidróxido de sodio o potasio, como los ácidos grasos, los triglicéridos, las ceras, los fosfolípidos y los esfingolípidos) y no saponificables (que no se hidrolizan en presencia de hidróxidos como el colesterol y otros esteroides). Los lípidos saponificables, al ser digeridos en el intestino, dan un compuesto llamado Acetil-CoA que también se produce en la degradación de los hidratos de carbono y proteínas.

   Los ácidos grasos son ácidos orgánicos de elevado peso molecular que tienen un número par de átomos de carbono.

Las Proteínas

    Son las macromoléculas más abundantes y poseen átomos de Nitrógeno. Tienen muchas funciones en los seres vivos y son compuestos poliméricos debido a que están formados por monómeros repetidos llamados aminoácidos. Existen alrededor de veinte aminoácidos diferentes y la unión entre varios de ellos se denomina polipéptidos, por lo que en definitiva, las proteínas son polipéptidos de alto peso molecular. Se pueden clasificar de tres modos diferentes:

1)    Según su Morfología: en Globulares (esféricas) y Fibrosas (forma alargada).

2)   Según su Composición: en Simples (formadas únicamente por aminoácidos) y Conjugadas (unidas a una molécula que no contiene aminoácidos llamada Grupo Prostético).

3) Según su Función: Transporte (Hemoglobina), Estructural (Queratina), Defensa (Anticuerpos), Reguladoras (Hormonas), Catalizadoras (Enzimas), Contráctiles (Actina) y Depósito (Ovoalbúmina).

    Los aminoácidos se caracterizan como su nombre lo indica, por tener dos funciones: un grupo amino y uno ácido, ambos unidos a un átomo de carbono central. El grupo funcional amino está conformado por un átomo de Nitrógeno unido a dos átomos de Hidrógeno. La unión entre aminoácidos se denomina enlace peptídico. Se pueden clasificar en dos grupos: esenciales (aquellos que el cuerpo no puede fabricar y deben ser incorporados mediante la dieta) y no esenciales (porque no hace falta consumirlos con la alimentación ya que pueden ser sintetizados por el organismo). Su nombre termina generalmente con el sufijo –INA, y sus nombres se abrevian utilizando tres letras: por ejemplo, Glicina: Gly.

  La estructura de una proteína es la que determina su actividad y se puede analizar en distintos niveles:

a)  Primaria: constituye la secuencia de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos.

b) Secundaria: constituye el primer plegamiento de la proteína en forma de lámina plegada (“beta lámina plegada”) o de hélica (“alfa hélice”).

c) Terciaria: constituye otro tipo de plegamiento por interacciones entre los radicales de los distintos aminoácidos dando lugar a la forma globular o fibrosa y determinando su función.

d) Cuaternaria: se da únicamente en proteínas que están formadas por más de una cadena de aminoácidos.

    Cuando una proteína pierde casi por completo su plegamiento y, por lo tanto, su función se dice que ocurrió una desnaturalización. Esto no destruye la estructura primaria y puede darse cuando la temperatura es muy alta o el medio es muy ácido o muy básico.

    Las enzimas son moléculas que tienen la capacidad de acelerar una reacción química, es decir, son catalizadores biológicos. Sin su acción, la vida no sería posible debido a que las reacciones que tienen lugar en las células ocurrirían muy lentamente. Las enzimas son específicas de la reacción en la que participan debido a que contienen un sitio en su estructura llamado sitio activo que reconoce y se une de manera específica a las sustancias iniciales o sustratos. Una vez ocurrida la reacción, los productos se separan de la enzima y esta sigue siendo funcional para una nueva reacción. Para que ocurra una reacción los reactivos requieren una energía inicial llamada energía de activación. Las enzimas, al interactuar con los sustratos y acercarlos entre sí, disminuyen la energía de activación de las reacciones.

Los Ácidos Nucleicos

  Son las macromoléculas que contienen y transmiten la información genética. Son compuestos nitrogenados y moléculas poliméricas constituidos por la unión de monómeros llamados nucleótidos. Hay dos tipos de ácidos nucleicos: el ADN o ácido desoxirribonucleico y el ARN o ácido ribonucleico.

   Los nucléotidos están formados por tres componentes: una base nitrogenada, un monosacárido de tipo pentosa y uno, dos o tres grupos fosfato. Las bases nitrogenadas se denominan así porque poseen carácter básico y están formadas por grupos funcionales con átomos de nitrógeno. Existen dos grupos de bases: las purinas (adenina y guanina) y las pirimidinas (citosina, timina y uracilo). Los nucleótidos se unen entre sí a través de un tipo de enlace llamado unión fosfodiéster.

  El ADN es un polímero formado por desoxirribonucleótidos de cuatro variedades, con una base nitrogenada distinta: adenina, timina, guanina o citosina. Suele estar en forma de doble cadena formando una doble hélice donde la adenina siempre se enfrenta a la timina y la guanina a la citosina. El ARN está formado por nucleótidos y suele encontrarse en forma de cadena simple y con una extensión mucho menor que la mayoría de las moléculas de ADN. Participa en los proceso de transcripción y traducción de la información genética contenida en el ADN. Es decir, hace posible que a partir de las instrucciones de los genes se sinteticen proteínas. El ARN puede tener como bases nitrogenadas a la guanina, la citosina, la adenina y el uracilo (que tiene características similares a la timina y también es complementario a la adenina). Existen tres tipos de moléculas de ARN: mensajero, de transferencia y ribosomal.

Metabolismo

   Los procesos metabólicos están conformados por un conjunto de reacciones químicas catalizadas por enzimas específicas. Algunos procesos metabólicos son exergónicos (catabólicos, que generalmente son reacciones de degradación como en la respiración celular), mientras que otros son endergónicos (anabólicos, que generalmente son reacciones de síntesis como en la fotosíntesis).

   La energía y las moléculas simples que requieren los procesos anabólicos proviene de las reacciones catabólicas y a su vez, las reacciones catabólicas pueden usar como sustratos a aquellas moléculas grandes fabricadas a partir de reacciones anabólicas.

   En las reacciones metabólicas son muy frecuentes los procesos rédox y es fundamental la acción de las enzimas. Las coenzimas son moléculas no proteicas que actúan en conjunto con las enzimas y algunas de las más importantes son el NAD (nicotinamida adenina dinucleótido), el NADP (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato) y el FAD (flavín adenín dinucleótido), que son moléculas que intervienen en las respiración celular y la fotosíntesis.

   Las moléculas tienen energía química en sus enlaces, por lo que los procesos catabólicos liberan parte de esa energía, y por el contrario, los anabólicos la requieren para llevarse a cabo. Debido a su estructura, las moléculas de ATP (adenosín trifosfato) son imprescindibles en el metabolismo porque son moléculas que almacenan energía que está disponible rápidamente para cualquier proceso.

La Respiración Celular

   Puede ser aeróbica o anaeróbica. En el proceso participa la coenzima NAD en su forma oxidada NAD+ que se reduce y actúa como agente oxidante. En el caso de la respiración celular aeróbica, consta de Glucólisis, Ciclo de Krebs y Cadena Respiratoria asociada a Fosforilación Oxidativa.

-       Glucólisis: ocurre en el citoplasma de las células y consta de una serie de reacciones donde el sustrato inicial es la glucosa y el producto final son dos moléculas de ácido pirúvico, de tres átomos de carbono cada una. Entonces, por cada molécula de glucosa que entró, se liberan cuatro ATP. Al final de todo el proceso se obtienen dos moléculas de ácido pirúvico, dos moléculas de NADH y una ganancia neta de dos ATP (porque dos se consumen).

-    Ciclo de Krebs: en las células eucariotas ocurre en la matriz mitocondrial y en las células procariotas ocurre en el citoplasma. Las moléculas de ácido pirúvico obtenidas al finalizar la glucólisis ingresan en la mitocondria, se rompen y liberan una molécula de dióxido de carbono cada una. Además, por cada ácido pirúvico ocurre una oxidación produciéndose dos moléculas de dióxido de carbono y dos de NADH, y se obtienen como producto dos grupos acetilos que se unen a la coenzima A para formar el Acetil-CoA. Los dos Acetil-CoA ingresan al Ciclo de Krebs de a uno y al final del proceso el rendimiento energético es de dos moléculas de GTP (análogo del ATP) y se forman coenzimas reducidas: ocho NADH, dos FADH₂ y se liberan seis moléculas de dióxido de carbono.

-    Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa: ocurren en las crestas mitocondriales de las células eucariotas y en la membrana plasmática de las células procariotas. La cadena respiratoria es una sucesión de reacciones rédox, mientras que la fosforilación oxidativa es llevada a cabo por la proteína ATPsintetasa. Así, por cada NADH se generan tres moléculas de ATP y por cada FADH₂ se generan dos ATP. Si se considera el rendimiento de todo el proceso de respiración se observa que se oxidan diez NADH y 2 FADH₂ provenientes de la Glucólisis y del Ciclo de Krebs, generándose 34 ATP.

La Respiración Anaeróbica

     Es realizada por algunos grupos de bacterias. El proceso es similar al de la respiración aeróbica pero se diferencia en que se utiliza una molécula distinta al Oxígeno en la cadena respiratoria.

La Fermentación

    Es un proceso oxidativo que genera ATP y se lleva a cabo en ausencia de oxígeno. No hay cadena respiratoria y su rendimiento es mucho menor. Es realizada por diversos tipos de organismos y células, como algunos grupos de bacterias, hongos y nuestras células musculares. Tiene dos partes y ambas tienen lugar en el citoplasma. La primera es la Glucólisis y la segunda es la reoxidación del NADH que puede ocurrir por vía láctica (obteniéndose como producto el ácido láctico) o alcohólica (obteniéndose como producto etanol  y dióxido de carbono). En ambos casos, se obtienen solamente dos ATP.

Rendimiento Energético de la Respiración y la Fermentación

   En la respiración celular se producen 38 ATP (2 de la glucólisis, 2 del Ciclo de Krebs y 34 en la Fosforilación Oxidativa). En la fermentación, la glucosa se oxida parcialmente y solo se producen 2 ATP de la glucólisis. Las ecuaciones que resumen los procesos son las siguientes:

-        Respiración Celular: GLUCOSA + 6 O₂ + 38 ADP + Pi à 6 CO₂ + 6 H₂O + 38 ATP

-        Fermentación Láctica: GLUCOSA + 2 ADP + 2 Pi à 2 ÁCIDO LÁCTICO + 2 ATP

-        Fermentación Alcohólica: GLUCOSA + 2 ADP + 2 Pi à 2 ETANOL + 2 CO₂ + 2 ATP

La Fotosíntesis

     Es llevada a cabo por los organismos fotoautótrofos como las plantas, las algas y algunas bacterias. Consiste en la fabricación de una hexosa (glucosa o fructosa) a partir de compuestos inorgánicos como el dióxido de carbono y el agua, en la que se utiliza como fuente de energía la radiación solar. Como producto secundario se genera oxígeno. Al igual que la respiración se trata de un proceso conformado por reacciones rédox, pero en este caso la coenzima que interviene es el NADP. Se divide en dos etapas:

Fotoquímica: en las células eucariotas ocurre en los tilacoides de los cloroplastos y en las células procariotas en la membrana plasmática. Es una sucesión de rédox en las que se toman y liberan electrones activadas por la luz del sol. Se producen 16 ATP.

Bioquímica: en las células eucariotas ocurre en el estroma de los cloroplastos y en las células procariotas en la membrana plasmática. En esta etapa se sintetiza glucosa a partir del dióxido de carbono. El proceso se desarrolla a través de una vía cíclica llamada Ciclo de Calvin.

               La ecuación que resume el proceso es:

6 CO₂ + 6 H₂O + Energía Solar à GLUCOSA + 6 O₂

      Si bien se produce ATP durante la primera parte de la fotosíntesis, este se utiliza para la síntesis de glucosa en la segunda. Por lo tanto, para obtener energía que puedan utilizar en sus funciones, los organismos fotosintetizadores deben respirar. El sustrato de la respiración es la glucosa obtenida en la fotosíntesis, que se oxida.