Bioelementos y Biomolculas

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS SERES VIVOS

BIOELEMENTOS BIOMOLÉCULAS

Uno de los retos de la Biología actual es la descripción de los complejos mecanismos químicos y físicos que sustentan la vida

Elementos químicos de la materia viva

Moléculas que componen a los seres vivos

MAPA CONCEPTUALLa materia

viva

Bioelementos

Primarios Secundarios

Oligoelementos

Está formada por

Enlaces químicos

Por su abundancia son

Establecen

Biomoléculas

Formando

Inorgánicas

Orgánica

Sales minerales

Agua

Proteínas

Glúcidos

Nucleótidos

Lípidos

Son

Son

Estructural

Energética

Dinámica

De funciónDe tipo

Si su proporción es muy pequeña

BIOELEMENTOS

(a) Primarios o macroelementos

(b) Secundarios o microelementos

(c) Oligoelementos o elementos traza

Elementos químicos de la materia viva

Bioelementos

Primarios Secundarios

Oligoelementos

Por su abundancia son

Si su proporción es muy pequeña

(a) BIOELEMENTOS PRIMARIOS

Imprescindibles para formar los tipos principales de moléculas biológicas

Son los más abundantes 95% de la masa total de un ser vivo

Carbono (C)

Oxígeno (O)

Hidrógeno (H)

Nitrógeno (N)

Fósforo (P)

Azufre (S)

(b) BIOELEMENTOS SECUNDARIOS

En menor porcentanje (3,3%), pero imprescindibles para seres vivos

Calcio (Ca2+)

Cloro (Cl-)

Magnesio (Mg2+)

Contracción muscular

Movimiento celular

Regulación del funcionamiento enzimático, etc.

Constituyente de huesos y dientes

Coagulación sanguínea

Constituyente de la clorofila

Otras funciones

Sodio (Na+)

Potasio (K+)Conducción del impulso nervioso

Balance de agua en sangre y fluido intersticial

(c) OLIGOELEMENTOS

Presentes en organismos en cantidades muy pequeñas (menos del 0,1%), pero indispensables para el desarrollo armónico del organismo

Manganeso (Mn)Hierro (Fe)

Cobalto (Co)Cobre (Cu)

Zinc (Zn)

Boro (B)

Aluminio (Al)

Vanadio (V)

Molibdeno (Mo)

Yodo (I)

Silicio (Si)

Fluor (F)

Selenio (Se)

Funciones catalíticas imprescindibles

BIOMOLÉCULAS

(a) Inorgánicas

(b) Orgánicas

Moléculas que componen a los seres vivos

Distintas formas de asociación entre bioelementos

Biomoléculas

Inorgánicas

Orgánica

De tipo

(a) BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS

No son formadas sólo por los seres vivos, pero son muy importantes para ellos

(1) Agua

(2) Sales minerales

Biomoléculas

InorgánicasSales

minerales

Agua Son

De tipo

(a) BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS AGUA

Núcleo= protones + neutrones

Electrones de valencia

Niveles energéticos

O

H H

Oxígeno

Hidrógeno

O

H H

Enlaces covalentes

MOLÉCULA DE AGUA

MOLÉCULA DE AGUA

Mayor electronegatividad

Menor electronegatividad

O

H H

O

H H

Extremo parcialmente negativo

Extremo parcialmente positivo

MOLÉCULA DE AGUA

Extremo positivo sobre átomos de hidrógeno, y extremo negativo sobre el átomo de oxígeno

POLARIDAD DE LA MOLÉCULA DE AGUA

DIPOLO

Al existir un dipolo en la molécula, ésta puede atraer a sus vecinas por fuerzas de atracción entre cargas de diferente signo. Estas fuerzas se denominan atracción dipolo-dipolo

POLARIDAD DE LA MOLÉCULA DE AGUA

PUENTES DE HIDRÓGENO

La atracción dipolo-dipolo, que es inusualmente fuerte, se

denomina puente de hidrógeno

Enlaces covalentes

ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DEL AGUA

ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DEL AGUA

EL AGUA

75% de la superficie de la tierra

65% a 95% de la masa de los seres vivos

Surgió la vida

Extraordinarias propiedades físicas y químicas

PROPIEDADES DEL AGUA

Tensión superficial

PROPIEDADES DEL AGUA

Capilaridad

Movimiento ascendente de un líquido en un tubo estrecho

fuerzas entre moléculas de agua

fuerzas entre las moléculas de agua y paredes del capilar

atracción cohesiva

Alto calor específico

Cantidad de calor que necesita una sustancia para subir 1ºC la temperatura de 1 gramo de dicha sustancia

Calor específico

se necesita mucho calor para que el agua aumente su temperatura

no es fácil que el agua se caliente ni que se enfríe

se desprende mucho calor cuando ésta se enfría

Gran parte del calor es usado para romper los puentes de hidrógeno. Una vez conseguido esto, el calor se invierte en aumentar el movimiento de las moléculas, aumentando con ello la Tº

Congelación y Densidad

grandes porciones flotantes de glaciares muy frecuentes en las regiones polares

Icebergs

En estado sólido (hielo), el agua es menos densa que en estado líquido

Densidad =

MasaVolumen

> 4ºC

0 - 4ºC

Disminuye el movimiento

Moléculas se acercan

Moléculas se distancian

- T°C

Aumenta el volumen y por lo tanto disminuye la densidad

Disminuye el volumen

EL AGUA COMO DISOLVENTE

Uniones ion-dipolo

> Enlace iónico de la sal> Puentes de hidrógeno del agua

De compuestos iónicos

De compuestos polares

Como

AlcoholesAldehidosCetonas

Establece puentes de hidrógeno con ellos

Capacidad de solvatar: separar o disolver iones

(b) BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS

Sintetizadas exclusivamente por seres vivos

Se estructuran a base de átomos de carbono

(1) Carbohidratos

(2) Proteínas

(3) Lípidos

(4) Moléculas hechas de nucleótidos

Biomoléculas

OrgánicaProteínas

Glúcidos

Nucleótidos

Lípidos

Son

De tipo

Grupos de átomos unidos a una cadena de carbonos e hidrógenos


Las moléculas orgánicas van a tener determinadas agrupaciones características de átomos que reciben el nombre de grupos funcionales

Hidroxilo (OH)

Carboxilo (COOH)

Amino (NH2)

Grupos funcionales de importancia en Biología:

Fosfato (H3PO4)

HIDROXILO (OH)

CARBOXILO (COOH)

AMINO (NH2)

Hace que las moléculas sean hidrosolubles Abundante en azúcares

Moléculas que lo poseen se llaman ácidos liberan un protón (H+) En aminoácidos y ácidos grasos

En aminoácidos

FOSFATO (H3PO4)

En fosfolípidos y en nucleótidos Se representa como P


(1) Carbohidratos

(2) Proteínas

(3) Lípidos


(1) CARBOHIDRATOS (CH2O)n

(Construidos de azúcares simples)

Se clasifican según el número de unidades de azúcar que contienen:

Monosacáridos

Disacáridos

Polisacáridos

Carbohidratos

Unidad (azúcar)

Enlace glucosídico (covalente)

Enlace glucosídico

Triosas

Pentosas

Hexosas

Monosacáridos

De 3 átomos de carbono (C3H6O3)



Gliceraldehído

Dihidroxiacetona

Ejemplos:

Participan en el metabolismo de los azúcares

Ribosa

Desoxirribosa

Ejemplos:

Parte de la estructura de nucleótidos

Glucosa

Fructosa

Galactosa

Ejemplos: Por contener muchos grupos hidroxilo son muy hidrosolubles

Unidad (azúcar)

Disacáridos

Sacarosa

Lactosa

Maltosa

Glucosa + Fructosa

Glucosa + Galactosa

Glucosa + Glucosa

Sintetizada por plantas, es la responsable del sabor dulce de los frutos

Es el azúcar de la leche

Polisacáridos

Almidón

Glucógeno

Celulosa

Forma en que las plantas almacenan glucosa en semillas y otras estructuras “Harina” forma saludable de consumir carbohidratos (como alternativa a dulces)

Forma en que los animales almacenan glucosa, principalmente en el hígado

No sirve para almacenamiento, sino que cumple un papel estructural, ej. pared celular

FUNCIONES DE CARBOHIDRATOS

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energía

Función energética fuente de energía inmediata para la célula

Función estructural por algunos polisacáridos entre los que destacan:

Función protectora

Función de reconocimiento

electrones

Se oxida

Reduce a “otros”

Celulosa

Quitina principal componente de exoesqueleto de artrópodos

Ciertos polisacáridos estructurales se asocian con proteínas y recubren los epitelios respiratorio y digestivo (mucinas de secreción)

Debido a la presencia de algunos oligosacáridos sobre la superficie de la membrana celular


(1) Carbohidratos

(2) Proteínas

(3) Lípidos


(2) PROTEÍNAS

Constituyen el 50% de masa seca de seres vivos

Responsables de características de células

Una célula difiere de otra por el tipo de proteína que predomina en ella, especialmente en lo que a su función se refiere

ESTRUCTURA

Polímeros de aminoácidos (aa)

Se caracterizan por poseer un grupo carboxilo (-COOH) y un grupo amino (-NH2)

Las otras 2 valencias del carbono se saturan con un átomo de H y un grupo variable denominado radical R

Se distinguen 20 tipos de aa

Los aa se unen por enlace covalente formado por deshidratación

Enlace peptídico

Entre el grupo carboxilo de un aa y el grupo amino del siguiente con desprendimiento de una molécula de agua

Hay 20 tipos de aa en las proteínas

Alanina

Valina

Leucina

Isoleucina Metionina

Fenilalanina Triptófano

No polares

Glicina Serina

Treonina

Cisteína

Asparina Glutamina

Tirosina

Polares sin carga

Ácido aspártico

Ácido glutámico

Ácidos

Lisina Arginina

Histidina

Básicos

NIVELES DE ORGANIZACIÓN

(a) Estructura primaria

Es la secuencia lineal de aa, es decir, el orden en que están colocados los aa en una proteína

La función de una proteína depende de su secuencia y de la forma que ésta adopte

(b) Estructura secundaria

Corresponde a plegamientos que se forman debido a interacciones entre aa no adyacentes

Entre las interacciones responsables de la e. secundaria están los puentes de hidrógeno

Forma helicoidal

Existen 2 tipos de estructura secundaria:

Forma laminar

Forma helicoidal

La estructura primaria se enrolla helicoidalmente sobre sí misma. Se debe a la formación de puentes de hidrógeno entre –C=O de un aa y el –NH- del cuarto aa siguiente

Predomina en proteínas fibrosas (ej. colágeno, elastina, queratina y seda). Estas fibras son elásticas debido a que los puentes de H se forman y se destruyen

Forma laminar

Se forma una cadena en forma de zigzag

(c) Estructura terciaria

Es la forma tridimensional, generalmente globular, de una proteína cuya estructura secundaria se ha plegado sobre sí misma, debido a interacciones entre aa no adyacentes

Se mantiene estable gracias a enlaces entre radicales R de aa:

Puentes disulfuro entre radicales de aa que tienen S Puentes de hidrógeno

Puentes eléctricos

Interacciones hidrófobas

La estructura terciaria es esencial para la función de una proteína

en un anticuerpo no se une al antígeno

en un receptor de membrana no captará la señal que corresponde

Alteración desnaturalización

en una enzima no calzará con reactantes

(d) Estructura cuaternaria

Unión, mediante enlaces débiles (no covalentes), de más de una cadena polipeptídica (subunidad o protómero) con estructura terciaria, para formar un complejo proteico

Ejemplos:

Hexoquinasa con 2 subunidades

Hemoglobina con 4 subunidades globulares

Los genes determinan el orden de aa en la proteína (E. primaria)

El orden de aa en la proteína determina la forma en que se pliega el polipéptido (E. secundaria y terciaria)

FORMA FUNCIÓN

Los genes determinan la función de las proteínas

FUNCIÓN ESTRUCTURAL

Algunas proteínas constituyen estructuras celulares

Glucoproteínas forman parte de membranas celulares y actúan como receptores o facilitan el transporte de sustancias

Histonas forman parte de cromosomas que regulan la expresión de genes

Principales componentes estructurales de células (crecimiento, desarrollo y reparación de

tejidos)

FUNCIÓN ESTRUCTURAL

Otras proteínas confieren elasticidad y resistencia a órganos y tejidos

Colágeno del tejido conjuntivo fibroso (tendones, cartílagos, pelos)

Elastina del tejido conjuntivo elástico

Queratina de la epidermis

Fibroina segregada por arañas y gusanos de seda para fabricar telas de araña y capullos de seda, respectivamente

Son las más numerosas y especializadas

FUNCIÓN ENZIMÁTICA

Biocatalizadores de reacciones químicas del metabolismo celular

Ácido graso sintetasa cataliza síntesis de ácidos grasos

Consideremos que todas las enzimas son proteínas (hacen posible las reacciones químicas)

FUNCIÓN HORMONAL

Insulina y glucagón regulan niveles de glucosa en la sangre

Hormona del crecimiento

Adrenocorticotrópica regula síntesis de corticosteroides

Calcitonina regula metabolismo del calcio

Acción hormonal en células

adyacentes

Acción hormonal en células lejanas

FUNCIÓN DEFENSIVA

Inmunoglobulinas actúan como anticuerpos frente a posibles antígenos

Trombina y fibrinógeno contribuyen a formación de coágulos sanguíneos para evitar hemorragias

Mucinas efecto germicida y protegen a las mucosas

Algunas toxinas bacterianas (Botulismo), o venenos de serpientes son proteínas con funciones defensivas

Todos los anticuerpos son proteínas

FUNCIÓN DE TRANSPORTE

Hemoglobina transporta oxígeno en la sangre de vertebrados

Hemocianina transporta oxígeno en la sangre de invertebrados

Mioglobina transporta oxígeno en los músculos

Lipoproteínas transportan lípidos por la sangre

Citocromos transportan electrones

Estructuras encargadas del transporte de sustancias a través de la membrana plasmáticas ( canales, transportadores y bombas)

FUNCIÓN CONTRÁCTIL

miofibrillas responsables de la contracción muscular

Dineina relacionada con movimiento de cilios y flagelos

Casi todos los movimientos se deben a la acción de combinaciones de proteínas

Actina

Miosina

Tubulina en microtúbulos, filamentos responsables de movimiento de cilios y flagelos

FUNCIÓN DE RESERVA

Ovoalbúmina clara de huevo

Gliadina del grano de trigo

Hordeína de la cebada

Lactoalbúmina de la leche

Reserva de aa para desarrollo de embrión

FUNCIÓN REGULADORA

Regulan la expresión de ciertos genesRegulan división celular Ciclina

FUNCIÓN HOMEOSTÁTICA

Mantienen el equilibrio osmótico y actúan con otros sistemas amortiguadores para mantener constante el pH del medio interno

Estructuras receptoras de señales en la membrana plasmática


(1) Carbohidratos

(2) Proteínas

(3) Lípidos


(3) LÍPIDOS

Grupo diverso de moléculas, con 2 características importantes: Contienen regiones extensas formadas casi exclusivamente por H y C, con enlaces C ― C

C ― HNo polares

Regiones no polares lípidos son hidrofóbicos

Aceites, grasas y ceras

Fosfolípidos

Esteroides

Lípidos

ACEITES, GRASAS Y CERAS

Sólo contienen C, H y O

Contienen una o más subunidades de ácido graso

Largas cadenas de C e H con grupo carboxilo en extremo

Grupo carboxilo

En general, no tienen estructuras en forma de anillo

GRASAS Y ACEITES

Deshidratación

Nombre químico: Triglicéridos

Se utilizan como almacén de energía a largo plazo, tanto en plantas como animales almacenan cierta cantidad de energía en menos masa que los carbohidratos

GRASAS Y ACEITES

Con enlaces sencillos en cadenas de C está saturado porque está “lleno” de átomos de H: tiene el mayor N° posible de átomos de H

Si hay dobles enlaces entre algunos átomos de C está insaturado, tiene menos átomos de H

GRASAS ACEITES

Sin dobles enlaces

cadena de ácido graso es recta ácidos grasos pueden acomodarse muy juntos , por lo que forman un sólido a T° ambiente

Con dobles enlaces

Dobles enlaces producen flexiones en la cadena de ácido graso

Flexiones mantienen separadas las moléculas de aceite, por lo que son líquidos a T° ambiente

CERAS

Se forman por la unión de un ácido graso y un monoalcohol, mediante un enlace éster

CERAS

Químicamente similares a grasas altamente saturadas, por lo que son sólidas a T° ambiente

En plantas terrestres:

En animales:

Impermeabilizantes para el pelo de mamíferos y pluma de aves

Impermeabilizantes para exoesqueletos de insectos

Construcción de complejas estructuras como colmenas

Recubrimiento impermeable en hojas y tallos

Molécula completamente apolar, hidrófoba función típica consiste en servir de impermeabilizante

FOSFOLÍPIDOS

Similares a aceites con excepción de que uno de los 3 ácidos grasos es reemplazado por un grupo fosfato que tiene unido un grupo funcional polar corto, el cual generalmente contiene N

Colas hidrofóbicas insolubles en agua

Cabeza polar tiene carga eléctrica y es soluble en agua (hidrofílica)

FOSFOLÍPIDOS

FOSFOLÍPIDOS

Importantes componentes estructurales de las membranas celulares

ESTEROIDES

Estructuralmente diferentes de todos los demás lípidos

4 anillos de C fusionados, de los cuales se proyectan diversos grupos funcionales

Las diferencias en los grupos funcionales unidos a los anillos pueden dar como resultado, grandes diferencias en la función de los esteroides

FUNCIONES

F. de reserva: son la principal reserva energética del organismo

F. estructural: forman las bicapas lipídicas de membranas celulares. Recubren y proporcionan consistencia a los órganos, y protegen mecánicamente estructuras o son aislantes térmicos como el tejido adiposo. Forman cubiertas impermeables en plantas o animalesF. catalítica: aportan vitaminas que facilitan el trabajo de enzimas en las reacciones biológicas. En ausencia de la vitamina, la enzima no puede funcionar con todos los perjuicios que puede ocasionar. Ej. retinoides (vitamina A), tocoferoles (vitamina E), naftoquinonas (vitamina K) y calciferoles (vitamina D).

F. informativa: muchas hormonas tienen estructura lipídica (esteroides, prostaglandinas, leucotrienos, calciferoles, etc) y constituyen señales químicas que permiten la adaptación del organismo a diversas condiciones ambientales


(1) Carbohidratos

(2) Proteínas

(3) Lípidos


ACIDOS NUCLEICOS

Largas cadenas de subunidades similares llamadas nucleótidos

(1) Un azúcar (pentosa)

(2) Un grupo fosfato

(3) Una base nitrogenada

Ribosa

Desoxirribosa

NUCLEÓSIDOS

Azúcar

Base nitrogenada

NUCLEÓTIDOS

Fosfato

Azúcar

Base nitrogenada

RibosaDesoxirribosa

Ácido desoxirribonucleic

o ADN

Ácido Ribonuclei

co ARN

Los nucleótidos se enlazan en largas cadenas cuando el grupo fosfato de un nucleótido forma un enlace covalente (unión fosfodiester) con el azúcar de otro

Ácido desoxirribonucleic

o ADN

Ácido Ribonuclei

co ARN

CADENAS DE NUCLEÓTIDOS

Tipos de base

nitrogenada

Cadena de nucleótidos

CADENAS DE NUCLEÓTIDOS

ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO

ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO

El ADN se encuentra en los cromosomas de todos los seres vivos y sus sucesión de nucleótidos deletrea la información genética necesaria paraconstruir las proteínas de cada organismo

CÓDIGO GENÉTICO

regla de correspondencia entre la serie de nucleótidos de los ácidos nucleicos y las series de aminoácidos (polipéptidos) en que se basan las proteínas

DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA CELULAR

Coenzimas: NAD NADP FAD

NUCLEÓTIDOS LIBRES EN LAS CÉLULAS

Ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos forman los ácidos nucleicos ARN, ADN

Transportadores de energía: ATP ADP

Mensajeros intracelulares:AMP cíclico (receptores hormonales)

Bioelementos y Biomolculas

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