Estructura y Función del Agua

El agua es una molécula esencial para la vida. Su estructura y propiedades físico-químicas únicas le permiten desempeñar una variedad de funciones biológicas cruciales.

Estructura de la Molécula de Agua

La molécula de agua (H₂O) está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, lo que significa que atrae con mayor fuerza los electrones compartidos en los enlaces covalentes. Esto genera una distribución desigual de la carga eléctrica, con una carga parcial negativa (δ-) en el oxígeno y cargas parciales positivas (δ+) en los hidrógenos.

Esta polaridad hace que la molécula de agua sea asimétrica y bipolar, con una gran tendencia a formar puentes de hidrógeno con otras moléculas de agua y con otras moléculas polares.

Propiedades Físico-Químicas y Funciones Biológicas del Agua

A continuación, se describen tres propiedades físico-químicas clave del agua y su relación con las funciones biológicas:

1. Naturaleza Polar y Formación de Puentes de Hidrógeno:

   • Función biológica: El agua actúa como un excelente disolvente para muchas sustancias polares e iónicas, lo que facilita las reacciones metabólicas y el transporte de nutrientes y desechos en los organismos.

2. Elevado Calor Específico y Calor de Vaporización:

   • Función biológica: El agua actúa como un regulador de la temperatura, absorbiendo o liberando grandes cantidades de calor con pequeños cambios de temperatura. Esto ayuda a mantener la homeostasis térmica en los organismos y en los ecosistemas acuáticos. El elevado calor de vaporización permite la refrigeración por evaporación (por ejemplo, la sudoración).

3. Elevada Cohesión y Tensión Superficial:

   • Función biológica: La alta cohesión interna del agua, debida a los puentes de hidrógeno, permite la capilaridad, que es crucial para el transporte de agua en las plantas. La alta tensión superficial permite que algunos insectos se desplacen sobre la superficie del agua. Además, en estado sólido (hielo), el agua es menos densa que en estado líquido, lo que permite que el hielo flote y aísle los cuerpos de agua, protegiendo la vida acuática en climas fríos.
   • El agua actua como reactivo químico.

Diferencias entre Células Procariotas y Eucariotas

Las células se clasifican en dos tipos principales: procariotas y eucariotas. A continuación, se presenta una comparación de sus características:

Células Procariotas

• No existe compartimentación en el citoplasma.
• Un solo cromosoma circular.
• Sin núcleo definido.
• De menor tamaño que la célula eucariota.
• Enzimas respiratorios localizados en los mesosomas de la membrana plasmática.
• Ribosomas de 70S.
• División simple por fragmentación (fisión binaria).

Células Eucariotas

• Citoplasma compartimentado mediante membranas (orgánulos).
• Varios cromosomas lineales.
• ADN separado del citoplasma por una envoltura membranosa (núcleo).
• De mayor tamaño que la célula procariota.
• Enzimas respiratorios localizados en las mitocondrias.
• Ribosomas de 80S.
• División por mitosis o meiosis.

Ácidos Nucleicos: ADN y ARN

Composición y Estructura del ADN

a) La molécula representada es ácido desoxirribonucleico (ADN). Está compuesta por unidades de desoxirribonucleótidos, que a su vez están formados por:

• Una molécula de desoxirribosa (un azúcar de cinco carbonos).
• Un grupo fosfato.
• Una base nitrogenada: adenina (A), guanina (G), citosina (C) o timina (T). Las bases A y G son purinas (de doble anillo), mientras que C y T son pirimidinas (de un solo anillo).

Se identifica como ADN por su composición (presencia de desoxirribosa y timina) y por su estructura de doble hélice, donde las bases nitrogenadas se aparean de forma complementaria: A con T y C con G.

Enlaces en la Molécula de ADN

b) Los enlaces que se establecen entre los distintos componentes del ADN son:

• Enlace fosfodiéster: Une los desoxirribonucleótidos entre sí, formando la cadena principal del ADN. Este enlace se forma entre el grupo fosfato de un nucleótido y el carbono 3′ de la desoxirribosa del siguiente nucleótido.
• Enlace N-glucosídico: Une la base nitrogenada a la desoxirribosa.
• Puentes de hidrógeno: Unen las bases nitrogenadas complementarias de las dos cadenas del ADN. Se forman dos puentes de hidrógeno entre A y T, y tres puentes de hidrógeno entre C y G.

Tipos de Ácidos Nucleicos y sus Diferencias

c) Existen dos tipos principales de ácidos nucleicos: ADN y ARN (ácido ribonucleico). Sus diferencias clave son:

• Composición química:
  • Azúcar: El ADN contiene desoxirribosa, mientras que el ARN contiene ribosa.
  • Bases nitrogenadas: El ADN contiene timina (T), mientras que el ARN contiene uracilo (U) en lugar de timina. Las otras tres bases (A, G y C) son comunes a ambos.
• Estructura:
  • El ADN es típicamente bicatenario (doble hélice).
  • El ARN suele ser monocatenario (una sola cadena), aunque puede adoptar estructuras secundarias complejas.
• Función:
  • ADN: Es el material genético que almacena la información hereditaria y la transmite de generación en generación. Contiene la información codificada para la síntesis de proteínas.
  • ARN: Desempeña diversas funciones en la expresión génica. El ARN mensajero (ARNm) lleva la información del ADN a los ribosomas para la síntesis de proteínas. El ARN de transferencia (ARNt) transporta los aminoácidos a los ribosomas. El ARN ribosómico (ARNr) forma parte de la estructura de los ribosomas.

Estructura y Función del ARN

Se trata de una molécula de ácido ribonucleico, ARN. Los ácidos nucléicos son polinucleótidos. Cada nucleótido está formado por tres componentes: ácido fosfórico, ribosa y una base nitrogenada (adenina, guanina, uracilo o citosina). Es un polímero de ribonucleótidos unidos mediante enlace fosfodiéster que se establece entre el grupo fosfato de un nucleótido y el carbono 3’ de la pentosa del siguiente nucleótido. La función del ARN mensajero es recoger la información genética del ADN (transcripción) y transportarla a los ribosomas donde será traducida (traducción) a proteínas. El ARN de transferencia es el encargado de portar los aminoácidos durante el proceso de traducción. El ARN ribosómico es uno de los componentes de los ribosomas.

Aminoácidos y Enlace Peptídico

Fórmula General de un Aminoácido

La fórmula general de un aminoácido es:

  H
  |
  N - C - COOH
  |   |
  H   R

Donde:

• NH₂: Grupo amino.
• COOH: Grupo carboxilo.
• R: Cadena lateral (variable, que define las propiedades específicas de cada aminoácido).
• H: Átomo de hidrógeno
• C: Carbono alfa

Su propiedad más importante es la de ser un electrólito anfótero, pudiendo reaccionar como ácido o como base.

Enlace Peptídico

El compuesto resultante de la unión de tres aminoácidos es un tripéptido.

b) El enlace que se establece entre dos aminoácidos es un enlace amida, denominado enlace peptídico. Este enlace se forma entre el grupo carboxilo (-COOH) de un aminoácido y el grupo amino (-NH₂) del siguiente aminoácido, liberando una molécula de agua.

Lípidos: Clasificación, Estructura y Función

Pregunta Obligatoria

En relación con los lípidos representados en las figuras A y B, responde a las siguientes cuestiones:

a) ¿A qué tipo de lípido pertenece A? ¿Y B?

• A: Fosfolípido (también llamado fosfoglicérido o glicerofosfolípido). Está formado por una molécula de glicerina esterificada con dos ácidos grasos y un grupo fosfato, que a su vez está unido a un alcohol (o aminoalcohol).
• B: Triglicérido (también llamado acilglicérido o grasa). Está formado por una molécula de glicerina esterificada con tres ácidos grasos.

b) ¿Son lípidos saponificables? ¿Son moléculas anfipáticas?

• Saponificabilidad: Ambos son lípidos saponificables porque contienen ácidos grasos en su molécula. Al someterlos a hidrólisis alcalina (reacción con una base fuerte como NaOH o KOH), los ácidos grasos se separan del glicerol y forman jabones (sales de ácidos grasos).
• Anfipaticidad: Solo el fosfolípido (A) es una molécula anfipática. Esto significa que tiene una región polar (hidrofílica, «afín al agua») y una región apolar (hidrofóbica, «que repele el agua»). La cabeza del fosfolípido, que contiene el grupo fosfato y el alcohol, es polar. Las colas de ácidos grasos son apolares.

c) ¿Cuál de ellos es un lípido de membrana?

El fosfolípido (A) es un lípido de membrana. Otros lípidos de membrana importantes son:

• Colesterol.
• Esfingolípidos.
• Glucolípidos.

Disposición en las membranas celulares: Los fosfolípidos se organizan en una bicapa lipídica, con las cabezas polares hacia el exterior (en contacto con el medio acuoso) y las colas apolares hacia el interior. El colesterol se intercala entre los fosfolípidos, regulando la fluidez de la membrana.

Lugar de síntesis: Los lípidos de membrana se sintetizan principalmente en el retículo endoplasmático liso.

d) ¿Cuál de ellos tiene función energética?

El triglicérido (B) tiene principalmente una función energética. Los triglicéridos son la principal forma de almacenamiento de energía en los animales y en muchas plantas.

Beta-oxidación: La beta-oxidación es el proceso catabólico principal mediante el cual los ácidos grasos se degradan para producir energía. Es un proceso catabólico (degradativo) que ocurre en la matriz mitocondrial. Los productos iniciales son los ácidos grasos activados (acil-CoA grasos), y los productos finales son acetil-CoA, FADH₂ y NADH + H⁺. El acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs, y el FADH₂ y NADH + H⁺ se utilizan en la cadena de transporte de electrones para generar ATP.

Enzimas: Cinética y Regulación

a) Indica el significado de E, S, ES y P

• E: Enzima.
• S: Sustrato.
• ES: Complejo enzima-sustrato.
• P: Producto(s).

b) ¿Cómo influye la concentración de sustrato en la velocidad de las reacciones enzimáticas? Haz una representación gráfica señalando las constantes cinéticas.

La velocidad de una reacción enzimática aumenta a medida que aumenta la concentración de sustrato, hasta que se alcanza un punto de saturación. En este punto, todos los sitios activos de la enzima están ocupados por el sustrato, y la velocidad de la reacción se vuelve máxima (V_max). La constante de Michaelis-Menten (K_m) es la concentración de sustrato a la cual la velocidad de la reacción es la mitad de la V_max. Una K_m baja indica una alta afinidad de la enzima por el sustrato.

c) ¿De qué modo afecta la temperatura y el pH a la actividad enzimática?

• Temperatura: La actividad enzimática generalmente aumenta con la temperatura hasta alcanzar un óptimo. Por encima de este óptimo, la enzima se desnaturaliza (pierde su estructura tridimensional) y pierde su actividad.
• pH: Cada enzima tiene un pH óptimo en el que su actividad es máxima. Cambios en el pH pueden alterar la ionización de los grupos funcionales de la enzima y del sustrato, afectando la unión enzima-sustrato y la catálisis. Valores extremos de pH pueden desnaturalizar la enzima.

d) ¿Qué es una enzima alostérica?

Una enzima alostérica es aquella que tiene uno o más sitios reguladores (sitios alostéricos) distintos del sitio activo. La unión de una molécula reguladora (efector alostérico) a un sitio alostérico induce un cambio conformacional en la enzima, que puede aumentar o disminuir su actividad catalítica.

e) Explica el papel de los cofactores y las coenzimas en las reacciones enzimáticas.

Los cofactores son componentes no proteicos necesarios para la actividad de algunas enzimas. Pueden ser iones metálicos (como Zn²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺) o moléculas orgánicas. Las coenzimas son cofactores orgánicos, a menudo derivados de vitaminas, que actúan como transportadores transitorios de grupos funcionales o electrones durante la reacción enzimática. Por ejemplo, el NAD⁺ y el FAD son coenzimas que participan en reacciones de óxido-reducción.