Biología

Estudio de los seres vivos

Los seres vivos se caracterizan por su capacidad de nutrirse, relacionarse y reproducirse.

Bioquímica

Parte de la biología que estudia la composición y las reacciones químicas de los seres vivos

La bioquímica estudia los componentes del ser vivo (átomos, moléculas) y cómo estos reaccionan, así como las funciones que se derivan de estas interacciones. La bioquímica no es una simple química, trasciende a la química ya que en el ser vivo las moléculas, los iones, etc. siguen todas las leyes de la química y de la física, pero además siguen otras leyes más complejas y amplias, como la lógica molecular de la vida que hace posible que el ser vivo cumpla otras funciones.

Lógica molecular de la vida

Son principios comunes a todos los seres vivos, también llamados rutas metabólicas:

• Principio de máxima economía de materiales.
• Principio de máxima estabilidad.

Bioelementos

Bioelementos primarios: C, O, N, H (95%)

Se presentan en su orbital electrónico incompleto, es decir, pueden formar enlaces covalentes entre sí y con otros átomos (los átomos C, N y O pueden formar enlaces covalentes dobles =, y los átomos C y N pueden formar enlaces covalentes triples; esto implica la posibilidad de formar gran variedad de sustancias diferentes: diversidad de la vida). Son enlaces estables debido a la poca masa atómica que poseen. Al ser los de menor masa pueden formar muchos enlaces, pero con todo, reaccionan con cierta facilidad y es importante porque la vida depende de constantes reacciones.

El C y el N se oxidan (ganan O y pierden E) y reducen (ganan H y ganan E) con facilidad. Mediante este tipo de reacciones se libera o se almacena energía en el ser vivo (son uno de los tipos de reacciones que se dan en el ser vivo). El otro tipo de reacciones son reacciones de polimerización-hidrólisis. La conclusión es que estos son los cuatro átomos idóneos para la vida.

Bioelementos secundarios: Ca, P, S, Na, K, Fe, Mg, Cl (4,25%)

Oligoelementos: Si, Mo, Cu (0,75%)

Biomoléculas o Principios Inmediatos

Enlaces o interacciones

Enlace covalente

Enlace que se establece entre dos átomos con orbital incompleto con el fin de compartir electrones y completar el orbital. Pueden ser homopolares (cuando los átomos que comparten tienen igual electronegatividad) o heteropolares (los átomos que intervienen en el enlace tienen distinta electronegatividad).

Enlace salino o iónico

Puente de hidrógeno

• Interacción electrostática.
• Se produce entre moléculas o partes de una misma molécula que presenta cargas parciales.
• Interacción débil (se hace y se deshace con facilidad), cooperativa y direccional.
• Cuanto menor ángulo tengan los enlaces, más débil es.
• Son las que mantienen las dos hileras de ADN unidas.
• Causa: Movimientos dipolares variables en el tiempo debido a los movimientos de los electrones alrededor de sus núcleos.

Grupo funcional

Parte de la molécula donde reside la función de la misma.

Biomoléculas Inorgánicas

Agua

Es el componente mayoritario de la materia viva, constituye aproximadamente el 80% del peso del individuo si este es bebé, o el 63% si es adulto. Comparada con otras sustancias semejantes que son líquidas a temperatura ambiente, sus principales características son:

Permite la existencia de la materia orgánica

Permite que los átomos formen moléculas orgánicas, ya que necesitan un medio acuoso para construirse.

Gran poder de disolución

Al ser el agua la sustancia que más variedad de otras sustancias disuelve, resulta indispensable para el intercambio nutritivo, ya que solo las sustancias disueltas pueden atravesar la membrana plasmática, y actúa como vehículo de transporte de diferentes productos de un punto a otro del organismo. Además, el agua actúa como medio de reacción en cuyo seno se producen las reacciones vitales.

Elevada capacidad calórica

El agua absorbe más calorías que cualquier otro compuesto, lo que permite actuar como regulador térmico ya que el calor producido por las reacciones vitales es absorbido por el agua y así la temperatura del cuerpo no aumenta. El agua también interviene en la refrigeración de muchos organismos evaporándose en la superficie del cuerpo, para lo que necesita absorber calor.

Causa de estas diferentes propiedades

La molécula del agua es un dipolo, esto hace que tenga una alta capacidad de cohesión. Una molécula de H₂O puede llegar a tener cuatro puentes de hidrógeno.

Sales minerales

Son biomoléculas inorgánicas que se encuentran en el ser vivo en dos formas:

Precipitadas

Forman parte de las estructuras esqueléticas (dientes, huesos, caparazones…) a los que aportan dureza. Ej: CaCO₃, Ca₃(PO₄)₂…

En disolución ionizada

Iones disueltos en agua. Cationes (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) y aniones (Cl^–, SO₄^2-, CO₃^2-, PO₄^2-).

Funciones generales

Estabilización de los coloides

Las sustancias están dispersas en el disolvente formando un fluido. Cuando este fluido se asemeja más a un sólido se llama gel y cuando se parece a un líquido se llama sol. Las sales minerales ayudan a estabilizar el citoplasma.

Regulación de la acidez-basicidad o pH

El pH es una escala que mide la acidez-basicidad del medio. Cada salto en la escala es x10 o :10 que la anterior o posterior.

• pH 0: medio ácido (-OH + protones H⁺)
• pH 14: medio básico (-OH – protones H⁺)

Se regula mediante disoluciones de pares de sales (sistemas reguladores o tampones). Si en el medio se eleva la cantidad de protones, las retiran del medio, y si se eleva la proporción de OH^–, liberan protones para formar H₂O neutra.

Regulación de la presión osmótica

Difusión: Tendencia de un soluto a repartirse homogéneamente por toda la masa del disolvente.

Conclusión: De las funciones generales de las sales se deduce que cualquier medio líquido que se ponga en contacto con una célula debe tener la misma concentración de dicha célula (3,5%) porque si no habría serios problemas (desestabilización de los coloides, imposible regulación del equilibrio ácido-base y efecto de los fenómenos osmóticos) que serían incompatibles con la vida.

Funciones específicas de los cationes

• Ca²⁺: Interviene en la coagulación de la sangre, en la contracción muscular y en la transmisión del impulso nervioso.
• Na⁺: Interviene en la transmisión del impulso nervioso.
• K⁺: Interviene en la transmisión del impulso nervioso.
• Fe²⁺: Es cofactor en muchas reacciones químicas (forma parte de los catalizadores) y forma parte de la hemoglobina (sin él no se produce la transmisión de O₂).
• Mg²⁺: Forma parte de la clorofila.
• Cu²⁺: Forma parte de la hemocianina (proteína que transporta O₂ en ciertos invertebrados).

Biomoléculas Orgánicas

Glúcidos

Monosacáridos

Definición física

Son los glúcidos más pequeños, no hidrolizables (el agua no puede romperlos en moléculas más pequeñas) que forman los disacáridos y polisacáridos. Son blancos, de aspecto cristalino y sabor dulce.

Definición química

Químicamente son compuestos de 3 a 7 carbonos en los que uno de los átomos de carbono está unido por un doble enlace a un átomo de oxígeno formando un grupo carbonilo, y cada uno de los demás átomos posee un grupo alcohol.

Tipos más importantes de monosacáridos

• Glucosa: Aldohexosa. Frutas y miel. Única fuente de energía del cerebro.
• Fructosa: Cetohexosa. Frutas y miel.
• Galactosa: Aldohexosa. Componente de la lactosa.
• Ribosa y desoxirribosa: Aldopentosa. ADN.
• Ribulosa: Cetopentosa. Interviene en la fotosíntesis.

Disacáridos

Resultan de la unión de dos moléculas de monosacárido, liberándose una molécula de agua, por lo que son sustancias hidrolizables.

• Maltosa: glucosa + glucosa (azúcar de malta).
• Lactosa: glucosa + galactosa (azúcar de la leche).
• Sacarosa: glucosa + fructosa.

Polisacáridos

Resultan de la unión de n moléculas de monosacáridos liberándose n-1 H₂O. El tipo de polisacárido varía según el número y el tipo de monosacáridos y las ramificaciones que lo formen. Según su función se clasifican en:

• Polisacáridos de reserva: Actúan como energía de reserva a corto plazo. Vegetales: almidón; animales: glucógeno. Ambos están formados por numerosas glucosas unidas por ramificaciones.
• Polisacáridos estructurales: Celulosa (es el principal componente de la pared celular de las células vegetales a las que aporta resistencia y estructura. Está formado por glucosa, sin ramificaciones).

Lípidos

Son compuestos orgánicos formados principalmente por C, O y H, pero algunos tienen N y P en su molécula. Son poco densos, insolubles en agua pero sí en disolventes orgánicos como el alcohol, tienen brillo craso y se adhieren fácilmente a superficies. Químicamente pertenecen a grupos químicos y muchos de ellos tienen ácidos grasos en su molécula.

Ácidos grasos

Larga cadena de carbonos unidos por enlace simple, doble o triple. Todos están saturados con H salvo el último formado por un grupo funcional carboxilo. Si están unidos únicamente por enlaces sencillos: saturado (elevan el colesterol); si tienen algún enlace doble o triple: insaturado (reducen el colesterol).

Acilglicéridos

Son ésteres de la glicerina y diferentes ácidos grasos. Se unen mediante un enlace éster, en cuya formación se libera una molécula de H₂O, son sustancias hidrolizables. Los acilglicéridos más abundantes tienen los tres grupos alcohólicos de la glicerina esterificados por ácidos grasos y reciben el nombre de triglicéridos.

Tipos de acilglicéridos

• Grasas: Si son sólidos a temperatura ambiente. Ácidos grasos saturados (enlaces simples).
• Aceites: Si son líquidos a temperatura ambiente. Ácidos grasos insaturados (enlaces dobles o triples).

Función de los acilglicéridos

• Reserva energética a largo plazo: 9 kcal/g, por lo que son más adecuados para el almacenamiento. Los seres vivos utilizan como fuente de energía los glúcidos y después las grasas almacenadas.
• Aislante térmico: Muchos animales poseen una capa de grasa para protegerse del frío.

Fosfolípidos

Forman monocapas, bicapas y liposomas. Están formados por glicerina, dos ácidos grasos, un grupo fosfórico y un alcohol aminado.

Esfingolípidos

Tienen un alcohol aminado (esfingosina), un ácido graso, un ácido fosfórico y otro alcohol aminado.

Glucolípidos

Tienen glicerina, dos ácidos grasos y un glúcido. Participan en el reconocimiento célula-célula y en la transmisión del impulso nervioso.

Terpenos o isoprenoides

Características:

• No son saponificables.
• Son responsables de las esencias de las plantas.
• Dan color a las flores, frutos (rojos, naranjas y amarillos).
• Son pigmentos fotosintéticos (carotenos o xantofilas).
• Ayudan a la fotosíntesis.
• Función muy importante como vitamina A, E y K.
• Látex y resinas (función cicatrizante y defensiva).

Esteroides

Son lípidos insaponificables que aportan elasticidad a las membranas celulares (colesterol). Pentágono.

Proteínas

Constituidas por unas moléculas no hidrolizables, los aminoácidos, los cuales se unen entre sí para formar polímeros de gran tamaño.

Aminoácidos

Ácidos orgánicos que tienen un grupo amino en el carbono anterior al grupo carboxilo, el cual es terminal. Las proteínas están constituidas entre sí formando cadenas. Todos ellos tienen una parte común y un grupo R variable. Los aminoácidos se unen entre sí mediante enlaces peptídicos, que se forman por reacción entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de otro, liberándose H₂O. Así se forman polímeros hidrolizables llamados cadenas peptídicas o péptidos.

n aminoácidos → péptido + (n-1) H₂O. Enzima peptidasa.

Cada molécula de proteína está formada por una o varias cadenas peptídicas formadas por centenares de aminoácidos cuyo orden en la cadena o secuencia peptídica varía de unas a otras.

Estructuras de la proteína

• Primaria: Simple secuencia de aminoácidos.
• Secundaria: Conformación o estructura en hélice β o lámina quebrada (son proteínas insolubles, tienen una función estructural. Proteínas fibrilares) o conformación o estructura en hélice α.
• Terciaria: Es un grado más para conseguir estabilidad propia en las hélices α. No sigue una hélice perfecta sino con codos. Proteínas globulares.
• Sitio activo: Ahí se reúnen radicales de aminoácidos muy alejados de la estructura primaria para hacer la función de enzima. Ej: Insulina (regula la cantidad de glucosa en sangre).
• Cuaternaria: Varias cadenas peptídicas con estructura terciaria se reúnen como en un puzle tridimensional para construir uno o varios sitios activos entre todas. Están unidas por fuerzas de Van der Waals. Hemoglobina.

Tipos de proteínas

• Proteínas simples: Formadas por cadenas peptídicas.
• Heteroproteínas: Cadenas peptídicas + moléculas no proteicas (grupo prostético).

Propiedades de las proteínas

• Son desnaturalizables: Con los cambios de temperatura, pH. Supone pérdida de estructura 2ª, 3ª, 4ª. Solo se mantiene la estructura 1ª. A causa de esto se destruyen los sitios activos, lo que implica pérdida de función.
• Especificidad: Las proteínas que realizan la misma función pueden no tener el mismo orden exacto de aminoácidos. La estructura varía algo. La especificidad nos indica el grado de parentesco entre dos individuos o especies. La incompatibilidad provoca rechazo de órganos y tejidos y alergias. Puede ser de grupo, de especie y de individuo.

Funciones de las proteínas

• Función estructural: Forman parte de organismos (proteínas de la membrana celular, queratina).
• Función reguladora: Regulan las reacciones del organismo (enzimas, insulina).
• Función defensiva: (Mucoproteínas, anticuerpos).
• Función transportadora: Llevan las sustancias de un sitio a otro del organismo (hemoglobina).
• Función contráctil: (Actina, miosina).
• Función energética: Solo algunas (ovoalbúmina y caseína).

Enzimas

Proteínas que cumplen la función reguladora que actúan como catalizadores en las reacciones químicas del organismo. Aumentan la velocidad de la reacción sin aparentemente intervenir en ella. Catálisis enzimática.

S + E → S x E → P + E

Para que reaccionen dos sustancias tienen que encontrarse de una determinada manera y orientación para unir sus grupos funcionales y se tienen que desestabilizar para que puedan formar otras combinaciones. El enzima hace que las sustancias se reúnan correctamente orientadas.

Principales enzimas

• Maltasa: glucosa + glucosa → maltosa.
• Peptidasa: n aminoácidos → péptidos.

Propiedades de las enzimas

• Son desnaturalizables.
• Especificidad: De sustrato (solo con algunos sustratos) y de reacción.
• Saturables por el sustrato: Cuando todas las enzimas están actuando con sus sustratos.