Química de la vida

Niveles de organización abióticos

• 1.- Nivel subatómico:

• Integrado por las partículas más pequeñas de la materia, como son los protones, los neutrones y los electrones.

• 2.- Nivel atómico:

• Conformado por los átomos, que son la parte más pequeña de un elemento químico que puede intervenir en una reacción. Ejemplo:

• Na, Fe, C, O, N, H, Ca, Cl

3.- Nivel Molecular-Los bioelementos forman las biomoléculas.

-Las moléculas orgánica son todas aquellas constituidas, básicamente, por átomos de carbono-Ejemplo de moléculas: NaCl, HCl.

a) Macromoléculas- Unión de muchas moléculas orgánicas

en un polímero- Cada unidad del polímero se denomina

monómero.Ejemplo:- El almidón (macromolécula) es un

polímero de glucosa (monómero). - Las proteínas son macromoléculas

creadas por polímeros de aminoácidos. - - Los ácidos nucleicos son polímeros de

nucleótidos.

b) Complejos supramoleculares • - Formados por moléculas. Por ejemplo, la union de

glúcidos y proteínas para dar glicoproteínas.• Ejemplo: cromosomas, Ribosomas, Virus.

c) Los organelos celulares• - Formados por varios complejos supramoleculares• - Aunque tengan una entidad propia, no se consideran

como seres vivos, por no cumplir las características de nutrición, relación y reproducción.

• - Dentro de la célula se encuentran varios organelos celulares como las mitocondrias, los peroxisomas, el retículo endoplasmático, etcétera.

Los virus son complejos macromoleculares que están constituidos por dos tipos de macromoléculas: proteínas y ácidos nucleicos y, en algún caso, también lípidos.

B) Niveles de organización bióticos 1.- Nivel celular:

• Unidades anatómicas y fisiológicas de los seres vivos

• Unidades de materia viva constituidas por una membrana y un citoplasma

• Los seres vivos. están formados por células, y sean unicelulares o pluricelulares proceden de una célula inicial.

• Pluricelulares:

• Aquellos seres vivos que están constituidos por más de una célula.

• Tejidos:

• Conjunto de células expertas y muy parecidas, que poseen una misma función y origen

• Aparato: conjunto de órganos con estructuras y funciones distintas pero que colaboran en una función común. Ejemplo: aparato digestivo.

• Sistema: conjunto de órganos con estructuras y funciones similares. Ejemplo: Sistema nervioso

• Población: conjunto de organismos de la misma especie en un mismo lugar, en un mismo espacio.

• Ecosistema: comunidades en conjunto con el medio ambiente.

• Biosfera: parte de la Tierra que tiene vida.

Célula• 1665: Robert Hooke descubre la célula• 1831: Robert Brown descubre el núcleo• 1838-39: Schleider y Schwan plantean la teoría celular• Teoría Celular• Todos los seres vivos están formados por células, por lo tanto, la célula es

la unidad estructural• La célula es la unidad funcional• El funcionamiento de los organismos multicelulares como un todo armónico

es el resultado de las actividades independientes, pero coordinada de sus unidades celulares.

• Toda célula proviene de otra preexistente • La célula es la unidad de herencia y reproducción• La célula es la unidad de vida que puede vivir libremente de otro sistema

vivo• * 1846: Van Mohl describe el contenido celular denominándolo materia viva

(protoplasma). Al protoplasma que está dentro del núcleo se le denominó carioplasma y al que está afuera de él, citoplasma

Toda célula o ser vivo posee:• Maquinaria metabólica que le permita:

– Obtener materia orgánica, ya sea de manera autótrofa o heterótrofa– Obtener energía de la degradación de moléculas orgánicas, ya sea en

forma aeróbica o anaeróbica– Sintetizar sus propias partes (autopoyesis)

• Centro de almacenamiento de la información genética (ácidos

nucleicos)

• Delimitación que lo aísle de su ambiente (membrana)

• Los virus no son seres vivos, por lo que no se encuentran en ninguno de los reinos debido a que no poseen maquinaria metabólica

• Composición Química de los seres vivos• 1) Compuestos inorgánicos: -Agua• -Sales minerales• 2) Compuestos orgánicos: -Proteínas• -Lípidos• -Hidratos de Carbono• -Ácidos nucleicos• • Compuestos inorgánicos• A) Agua• Es el componente más abundante en los seres vivos y

es especial ya que todas las reacciones metabólicas ocurren exclusivamente en un medio acuoso donde el agua pueda ser un reactante, un producto, un solvente o un vehículo de transporte.

• El agua químicamente es una molécula covalente polar y sus moléculas permanecen unidas entre sí mediante Puentes de Hidrógeno, lo que les otorga una gran fuerza de cohesión o alta tensión superficial. El agua solubiliza a las moléculas que presentan carga eléctrica, si son covalentes polares lo hacen mediante Puentes de Hidrógeno (ejemplo: agua y azúcar). Si son iónicas lo hacen mediante hidratación

• Para poder romper los Puentes de Hidrógeno del agua hay que aplicar mucho calor y esto explica que regulemos la temperatura mediante transpiración

• El agua posee un alto calor específico lo que significa que es necesario aplicar mucho calor apara elevar un poco su temperatura, pero a su vez, si adquiere una temperatura se demora mucho en perderla. Esto permite que en los seres vivos el agua sea un estabilizador térmico.

• La densidad del agua disminuye al pasar del estado líquido al sólido, esto es debido a que aumenta e ángulo de los Puentes de Hidrógeno, lo que explica que el hielo flote y el congelamiento superficial de ríos y lagos.

• B) Sales minerales• Se encuentran principalmente

solubilizados en agua, excepto hueso y dientes

• Se encuentran formando parte de moléculas orgánicas, por ejemplo: fierro en la hemoglobina, el magnesio en la clorofila

• Macromineral: se utilizan en alta cantidad• Micromineral: se utiliza en baja cantidad

Funciones• Sus soluciones constituyen electrolitos, por lo que

conducen la corriente eléctrica, esto explica en los seres vivos la generación y conducción de impulsos nerviosos

• Forman estructuras de sostén como endoesqueletos (huesos) y exoesqueletos ( conchas, caparazones)

• Las sales se hidratan reteniendo agua por lo cual regulan el equilibrio osmótico

• Algunas actúan como cofactores enzimáticos

• Algunas sales minerales actúan como tampón o buffers regulando el pH

•

Compuestos Orgánicos

• A Proteínas

• B Carbohidratos

• C Lípidos

• D Ácidos nucleicos

A) ProteínasFormadas por C, H, O, N y algunas poseen S

• Funciones

• Forman las enzimas

• Forman algunas hormonas, por ejemplo la insulina

• Forman anticuerpos o inmunoglobulinas

• Participan en la coagulación de la sangre

• Participan en la contracción muscular

• Forman elementos estructurales, por ejemplo: colágeno y elastina

• Forman membranas

• Forman Puentes de Hidrógeno con el agua, por lo que regulan su contenido en el organismo (equilibrio coloidoosmótico)

• Son elementos de transporte en la membrana, en el plasma (transportan lípidos y oxígeno)

• Actúan como tampón o buffers, regulando pH

• Son una reserva nutritiva, ejemplo: ovoalbumina (clara de huevo)

• Son una fuente energética de reserva de último recurso

Estructura-Están formadas por aminoácidos (aa)

-Los aminoácidos en nuestro organismo son 20 y estos difieren entre sí por el radical que se une a ellos. Los aminoácidos se dividen en esenciales y no esenciales

-El enlace que une los 2 aminoácidos se denomina Peptídico y se realiza mediante síntesis por deshidratación ya que en su formación se libera agua. Para romper este enlace es necesario hidrolizar (agregar agua)

-El orden de los aminoácidos en una proteína se denomina estructura primaria y ésta determina la función que la proteína va a realizar

-La estructura primaria a su vez es determinada por el ADN

-Los aminoácidos que constituyen una proteína interactúan entre sí ya sea por atracciones o repulsiones de sus cargas otorgándole una forma específica a la proteína. A esta forma se le denomina estructura superior y es la que otorga funcionalidad a la proteína

Estructuras superiores

• A) Estructura Secundaria: la forma de la proteína se determina por Puentes de Hidrógeno y puede originarse una forma espiral o en lámina

• B) Estructura Terciaria: la forma de la proteína está dada por Puentes de Hidrógeno y de Azufre, pueden originar una estructura fibrilar, ejemplo: colágeno, o globular, ejemplo: enzimas

• C) Estructura Cuaternaria: Su forma está dada por la presencia de puentes de Hidrógeno, Azufre y uniones hidrofóbicas. Es la unión de 4 terciarias globulares, ejemplo: hemoglobina

• Cuando una proteína es cambiada bruscamente de su medio, cambio de pH o calor, ésta altera su estructura superior y deja de funcionar, lo que se denomina desnaturalización.

B) Hidratos de Carbono• Poseen C,H,O• 1:2:1• Funciones

• 1) Rol Energético

• -Glucosa: fuente energética de uso inmediato• -Glucógeno: fuente energética de reserva en animales• -Almidón: fuente energética de reserva en plantas o

vegetales• 2) Rol Estructural

• -Celulosa: forma paredes celulares en células vegetales• -Oligosacáridos: forma el glicocálix de las membranas

celulares• -Quitina: forma pared celular en hongos y exoesqueleto de

insectos

I) Monosacáridos

-Son las unidades estructurales (monómeros) de oligosacáridos y polisacáridos

- Son solubles en agua-Según el número de átomos de carbono se

dividen en• Triosas: 3 carbonos• Tetrosas: 4 carbonos• Pentosas: 5 carbonos• Hexosas: 6 carbonos

II Oligosacáridos• Contienen de 2 a 10 monómerosDisacáridos• Poseen 2 monómeros

• Son solubles en agua

• El enlace que une los monosacáridos es covalente y se denomina glucosídico y se forma mediante síntesis por deshidratación

• Maltosa: Se forma por la unión de 2 glucosas. Se obtiene de la alimentación de semillas y de la hidrólisis parcial del almidón

• Sacarosa: Se forma por la unión de 1 glucosa + 1 fructosa. Se obtiene del azúcar de caña, de la remolacha, de frutas. Es transportada por el vegetal como savia elaborada

• Lactosa: Se forma por la unión de 1 glucosa + 1 galactosa. Se obtiene de la leche

III Polisacáridos

Grandes cadenas de monosacáridos insolubles en agua. También forma el enlace glucosídico

Celulosa: Son cadenas de glucosa que forman pared celular en vegetales. Se disponen en paralelo por fuerza de la membrana y se unen por Puentes de Hidrógeno. La especie humana no posee la enzima necesaria para hidrolizar la celulosa

Almidón: Son cadenas de glucosa en forma de espiral que se almacenan en raíces, tallos, tubérculos. Pueden almacenarse durante toda la vida del vegetal. Es una fuente de energía de reserva

Glucógeno: Son cadenas de glucosa de harta ramificación que se forma en hígado y músculo. Son una fuente energética de reserva y el hígado la almacena en promedio 12 horas.

C) Lípidos

• Poseen C, H, O, pero el O está bajo en cantidades, por lo que son insolubles en agua

• Funciones:• a) Forman el esqueleto base de las membranas celulares• b) Los lípidos bajo la piel actúan como aislante térmico• c) Son una fuente energética de reserva• d) Forman vitaminas liposolubles de reserva: A, D, E, K.• e) Forman la vaina de mielina en los axones de las

neuronas• f) Forman hormonas esteroidales• g) Forman sales biliares que son componentes de la bilis

Lípidos Saponificables

• A) Glicéridos: formados por la unión de 1 glicerol mas 1, 2 ó 3 ácidos grasos para formar mono, di o triglicéridos Ácidos grasos: son cadenas hidrocarbonadas que en el extremo poseen un grupo carboxilo.

• Varían según la longitud de cadena (larga si presenta 12 o más átomos de carbono o corta si presenta menos) y tipo de enlace (saturada si sólo presentan enlaces simples entre los átomos de carbono o insaturada presenta enlaces dobles o triples)

• El punto de fusión (Tº a la cual un sólido pasa a líquido) aumenta con la longitud de la cadena y disminuye con la instauración. Los ácidos grasos saturados se muestran sólidos a Tº ambiente y se denominan grasas y los insaturados se muestran líquidos a Tº ambiente y se denominan aceites

• En nuestro organismo los lípidos de membrana que deben ser fluidos son más insaturados que los de almacenamiento

• El glicerol se une al ácido graso mediante un enlace covalente llamado lipídico el que mediante síntesis por deshidratación

• De los glicéridos los más importantes son los triglicéridos ya que constituyen una reserva energética y un aislante térmico

• Saponificación

• Es la formación de sales de ácidos grasos a partir de lípidos

• Si se trata de una grasa con una base fuerte (hidróxido de Na) se obtiene una sal de ácido graso (jabón).

• La función del jabón consiste en posibilitar la mezcla de sustancias aceitosas con el agua, esto debido a que uno de los extremos es hidrofobito (apolar) y el otro hidrofilito (polar) por lo que la molécula que se origina es anfipatica

• Con el agua no forman una emulsión verdadera, pero si gotitas que llevan las cabezas hidrofílicas del jabón en contacto con el agua y las colas hidrofóbicas hacia el interior en contacto con el aceite.

• Tales gotas constituyen una emulsión o micelas. En nuestro organismo las sales biliares son anfipáticas y forman micelas con los lípidos en el intestino lo que facilita su digestión y absorción

B) Lípidos de membrana:

• Poseen fosfato por lo que en general se denominan fosfolípidos

• Glicerolípidos o fosfolípidos:

• forma el esqueleto base de la membrana celular. Por su carácter anfipático deben disponerse en una bicapa lipídica quedando los segmentos polares hacia los líquidos intra y extracelular

• Esfingolípidos:

• forman partes específicas de membranas dentro de ellos el mas importante es la esfingomielina la que forma la vaina de mielina de los axones

2) Lípidos Insaponificables A) Esteroides: formados por 4 anillos de carbono

Ergosterol: sólo en vegetales y levaduras. Es un precursor de la vitamina D, la que es

esencial para absorber el calcio de los alimentos

Colesterol: sólo en animales. Es un constituyente normal de todas nuestras membranas

celulares donde aumenta el rango de Tº en el cual las membranas se mantienen fluidas y otorga resistencia mecánica a los tejidos. En exceso produce endurecimiento de la arteria. Es transportado por 2 proteínas: LDL, HDL

• HDL: saca el exceso de colesterol de la sangre y lo lleva al hígado para su eliminación

• LDL: mantiene el colesterol circulando en la sangre

Hormonas esteroidales: Se sintetizan a partir de colesterol y corresponden a las hormonas

sexuales (estrógeno y progesterona, testosterona) y hormonas de la corteza suprarrenal llamada corticoides

B) Terpenos:

Es un tipo de lípidos que permite formar las vitaminas A, E y K

• C) Prostaglandinas:

• son derivados de ácidos grasos producidos por todas nuestras células. Principalmente inducen contracciones, por ejemplo contracciones del útero para desmoronar el endometrio o para el trabajo de parto, o vibraciones del útero para guiar el movimiento de los espermios

D) Ácidos nucleicos

• Poseen C, H, O, N, P• Formado por nucleótidos• Nucleótidos:• Base nitrogenada • Púricas: Adenina-Guanina• Pirimídicas: Citosina-Timina- Uracilo• Pentosa: Ribosa• Desoxirribosa• Fosfato : (P)

Funciones

• I) Mononucleótidos

• Son transportadores de energía ya que forman ATP. Los enlaces P-P son de alta energía, al hidrolizar el ATP se rompen estos enlaces y la energía liberada se utiliza en el metabolismo

• Forman segundos mensajeros que conducen información al interior de la célula, ejemplo: AMP, GMP

• II) Dinucleótidos

• Forma coenzimas. Estas moléculas se relacionan con las vitaminas. Ej: FAD, NAD, NADP, CoA, FMN, las cuales son utilizadas en el metabolismo y todas poseen como base nitrogenada adenina y como pentosa, la ribosa

• III) Polinucleótidos

• Son grandes cadenas de nucleótidos. Forman ADN y ARN

• ADN

• Contiene la información genética

• En virus puede ser cadena simple o doble

• En procariontes cadena doble sin proteínas que se une a la membrana celular. También puede tomar un plásmido

• En eucariontes cadena doble asociada a proteína (histonas) presente en el núcleo, mitocondrias y cloroplastos. El ADN de cloroplastos y mitocondrias es de carácter procarionte

Estructura del ADN

• Cadena doble de nucleótidos• Base Nitrogenada: Adenina• Timina• Guanina• Citosina• Desoxirribosa• Fosfato• Las 2 cadenas de ADN se unen apareando sus bases nitrogenadas por puentes de

hidrógeno• A-T -----2 puentes• C-G ------3 puentes• Estructura primaria: secuencia de nucleótidos

• Estructura secundaria: cuando se dispone en forma de escalera de caracol

• Estructura terciaria: es como se empaqueta el ADN, en procariontes a la membrana a través de sus extremos, o en eucariontes a histonas formando cromatina

Enzimas de la replicación

• Como todo proceso metabólico utiliza varias enzimas• Primasas: sintetiza el ARN cebador que ayuda a la enzima ADN

polimerasa a leer la cadena que va de 5` a 3`

• ADN polimerasa: permite la formación del enlace fosfodiéster entre nucleótidos agregando el nucleótido complementario a la hebra molde. Utiliza trifosfatos que aportan energía a la replicación

• ADN girasa (topoisomerasa): desenrolla el ADN

• Helicasa: separa las 2 hebras de ADN

• Proteína SSB: mantiene separadas las 2 hebras de ADN

• Ligasa: une trozos de nucleótidos adyacentes

Tipos de ARN

• ARN mensajero: transcribe la clave genética del ADN y la transporta desde el núcleo al citoplasma para la síntesis de proteínas

• ARN ribosómico: se une a proteínas para formar las subunidades ribosomales que luego dan origen a los ribosomas

• ARN transferencia: conduce aminoácidos específicos a los ribosomas

Metabolismo Es la suma de los procesos fisicoquímicos que ocurren en la célula

y que permiten su funcionamiento, por medio de éste la célula usa y obtiene materia y energía para realizar trabajo y reproducirse. Las reacciones metabólicas se dividen en dos: anabolismo y catabolismo

Anabolismo: Son reacciones de síntesis donde se consume energía, por ejemplo: fotosíntesis

Catabolismo: son reacciones de degradación donde se libera energía, por ejemplo: respiración celular

Todas las reaccione metabólicas requieren ser iniciadas mediante la entrega de energía llamada energía de activación. Siempre las reacciones metabólicas son mediadas por enzimas que disminuyen la energía de activación requerida para iniciar una reacción

Enzimas

Proteínas que catalizan reacciones químicas. Existe una enzima llamada ribozima que no es proteína, químicamente es un ARN

Características

– Actúan en pequeñas concentraciones– No influyen en el producto final. Sólo catalizan reacciones

que ocurrirían en su ausencia– Pueden volver a utilizarse

Enzima + reactante = complejo [Ez-S] producto mas enzima

– Algunas requieren cofactor o co enzima Enzima inactiva + pareja = enzima activa

– Son específicas• Especificidad relativa: la enzima cataliza las reacciones de

un conjunto de sustratos químicamente similares, por ejemplo: la lipasa hidroliza triglicéridos saturados, insaturados, de cadena larga o corta; esto se debe a que la enzima reconoce partes de sustratos (grupos químicos específicos)

• Especificidad absoluta: la enzima cataliza la reacción de solo 1 sustrato ya que reconoce la totalidad de él y no sólo grupos químicos, por ejemplo: la sacarosa hidroliza sólo sacarosa

• Mecanismos de acción

• Teoría llave-cerradura

• Explica especificidad absoluta. La enzima posee un sitio activo (zona de unión enzima-sustrato) fijo y que no cambia y que sólo aquel sustrato que encaje en el sitio activo como lo hace una llave y su cerradura se unirá a él. Una vez formado el producto, éste ya no es afín al sitio activo y es liberado

• Teoría de Encaje Inducido

• Explica especificidad relativa. Plantea que el sitio activo es adaptable y que una vez que ha reconocido una parte del sustrato modifica la forma de su sitio activo para adaptarse ala totalidad de él. Una vez formado el producto, éste es liberado

Enzimas de la replicación

• Como todo proceso metabólico utiliza varias enzimas• Primasas: sintetiza el ARN cebador que ayuda a la enzima ADN

polimerasa a leer la cadena que va de 5` a 3`

• ADN polimerasa: permite la formación del enlace fosfodiéster entre nucleótidos agregando el nucleótido complementario a la hebra molde. Utiliza trifosfatos que aportan energía a la replicación

• ADN girasa (topoisomerasa): desenrolla el ADN

• Helicasa: separa las 2 hebras de ADN

• Proteína SSB: mantiene separadas las 2 hebras de ADN

• Ligasa: une trozos de nucleótidos adyacentes

Factores que Regulan la Actividad Enzimática

• Concentración del sustrato A medida que aumentamos la concentración del sustrato la

actividad Enzimática también aumenta hasta llegar aun máximo donde la enzima se satura, por lo tanto aunque sigamos aumentando el sustrato la actividad Enzimática se mantiene constante

• Temperatura Cada enzima es especifica en la temperatura que actúa, cuando

una enzima se encuentra en su temperatura óptima su actividad es máxima, si comenzamos a aumentar la temperatura la actividad Enzimática disminuye hasta que se detiene por desnaturalización, es irreversible. Si descendemos la temperatura la actividad Enzimática disminuye hasta que se detiene por inhibición, es reversible

• PH

• Cada enzima tiene su pH óptimo, por ejemplo las enzimas del citoplasma es 7, para las del estomago es de 1 a 3. Si una enzima es sacada de su pH óptimo disminuye su actividad hasta que se detiene por desnaturalización, es irreversible

• Inhibidores

• Disminuyen o bloquean la actividad Enzimática. Se clasifican en reversibles competitivos o no competitivos y en irreversibles o inactivadotes

• Reversibles

• - Competitivos: son agregados desde el ambiente, se unen al sitio activo, similitud estructural entre sustrato e inhibidor. La enzima presenta especificidad relativa. El inhibidor es desplazado al aumentar el sustrato. Ej: antibióticos

• - No competitivos: son naturales del organismo. No hay similitud estructural entre sustrato e inhibidor. No compiten por el sitio activo, el inhibidor se une al sitio alostérico. Son regulaciones propias de nuestro organismo. Ej: feed back o retroalimentación negativa

• Irreversibles o inactivadores

• Son venenos metabólicos. Se unen al sitio activo u otro sitio de la enzima. No lo afecta el cambio de concentración del sustrato. Ej: los insecticidas organofosforados inhiben a la acetil colinesterasa, el cianuro inhibe a las mitocondrias