Biología Guía 1-Niveles de Organización y Biomoléculas

Biología, Sesión 1 | pág. 1

Organización de la Materia

La materia se encuentra organizada en diferentes estructuras, desde las más pequeñas hasta las más grandes, desde las más complejas hasta las más simples. Esta organización determina niveles que facilitan la comprensión de nuestro objeto de estudio: la vida.

Cada nivel de organización incluye a los niveles inferiores y constituye, a su vez, los niveles superiores. Y lo que es más importante, cada nivel se caracteriza por poseer propiedades que emergen en ese nivel y no existen en el anterior: las propiedades emergentes.

Así, una molécula de agua tiene propiedades diferentes de la suma de las propiedades de sus átomos constitutivos -hidrógeno y oxígeno-. De la misma manera, una célula cualquiera tiene propiedades diferentes de las de sus moléculas constitutivas, y un organismo multicelular dado tiene propiedades nuevas y diferentes de las de sus células constitutivas. De todas las propiedades emergentes, sin duda, la más maravillosa es la que surge en el nivel de una célula individual, y es nada menos que la vida.

La interacción entre los componentes de un nivel de organización determina sus propiedades. Así, desde el primer nivel de organización con el cual los biólogos habitualmente se relacionan, el nivel subatómico hasta el nivel de la biosfera, se producen interacciones permanentes. Durante un largo espacio de tiempo estas interacciones dieron lugar al cambio evolutivo. En una escala de tiempo más corta, estas interacciones determinan la organización de la materia viva.

Biosfera

Todas las organismos que habitan la Tierra constituyen la biosfera. La biosfera es la parte de la Tierra en la que existe vida; es sólo una delgada película de la superficie de nuestro planeta.

La Tierra es el único planeta conocido en el que hay vida.

Bioma

La superficie de la Tierra se puede dividir en diferentes biomas. Los biomas son áreas geográficas que se diferencian por su vegetación característica.

Uno de los biomas de la Tierra es la sabana

Aprendizajes Esperados

• Identificar los diferentes niveles de organización de los seres vivos. • Comprender el concepto de propiedad emergente.


Ecosistema

Los distintos componentes de cada bioma se encuentran en permanente interacción; analizándolo desde este punto de vista, constituyen un ecosistema. Los ecosistemas están formados por componentes bióticos y abióticos que interactúan entre sí. A través de esos componentes fluye la energía proveniente del Sol y circulan los materiales. Dentro de un ecosistema hay niveles tróficos.

En la sabana se pueden encontrar diferentes tipos de ecosistemas.

Comunidades

Los ecosistemas están fomados por comunidades. Las comunidades están constituidas por los componentes bióticos de un ecosistema. En términos ecológicos, las comunidades incluyen a todas las poblaciones que habitan un ambiente común y que interactúan entre sí. Estas interacciones son las fuerzas principales de la selección natural.

En el ecosistema terrestre de la sabana, hay una comunidad constituida por jirafas, leones, acacias, gramíneas y descomponedores, entre otros.

Poblaciones

Las comunidades están formadas por poblaciones. Las poblaciones son grupos de organismos de la misma especie que se cruzan entre sí y que conviven en el espacio y en el tiempo. El conocimiento de la dinámica de poblaciones es esencial para los estudios de las diversas interacciones entre los grupos de organismos.

Una de las poblaciones de esta comunidad del ecosistema terrestre de la sabana es la de las jirafas.

Individuos

Las poblaciones están formadas por individuos. Los individuos multicelulares pueden alcanzar el nivel de organización de tejidos, de órganos o de sistemas de órganos. En cada caso, están formados por grupos de estructuras que trabajan en forma coordinada.

Entre los muchos individuos que componen esta población de jirafas, podemos distinguir una jirafa en particular.

Sistemas de órganos

Los individuos multicelulares están formados por sistemas de órganos. Los sistemas de órganos trabajan en forma integrada y desempeñan una función particular. Los sistemas de órganos, en conjunto, forman el organismo completo, que interactúa con el ambiente externo. Sin embargo, no todos los organismos multicelulares alcanzan el nivel de organización de sistemas de órganos o de órganos.

Uno de los sistemas de órganos presentes en esta jirafa particular, es el sistema circulatorio.

Órganos

Los sistemas de órganos están constituidos por órganos particulares. Los órganos tienen una estructura tal que les permite realizar diversas funciones en forma integrada. Estas funciones contribuyen al funcionamiento del sistema y del organismo completo.

Uno de los órganos del sistema circulatorio de esta jirafa es el corazón.


Tejidos

Los órganos están formados por distintos tipos de tejidos. Los tejidos se encuentran unidos estructuralmente y funcionan de manera coordinada. Algunos organismos sólo alcanzan el nivel de organización de tejidos.

Un tejido que forma parte de este corazón es el tejido muscular, de un tipo especial, llamado cardíaco.

Células

Los tejidos están formados por células. La célula es la unidad estructural y funcional de los seres vivos. Muchos organismos son unicelulares. Las propiedades características de los sistemas vivos no emergen gradualmente a medida que aumenta el grado de organización. Aparecen súbita y específicamente en forma de una célula viva, algo que es más que sus átomos y moléculas constituyentes y que es diferente de ellos. Nadie sabe con exactitud cuándo o cómo comenzó su existencia este nuevo nivel de organización: la célula viva. Sin embargo, cada vez son más las evidencias en favor de la hipótesis que postula que las células vivas se autoensamblaron espontáneamente a partir de moléculas más simples.

El músculo cardíaco está compuesto por millones de células similares a la de la figura.

Complejos de Macromoléculas

Las células contienen numerosos complejos macromoleculares. Las macromoléculas constituyen estructuras complejas tales como las membranas y las organelas. Algunas estructuras están presentes tanto en procariotas como en eucariotas, pero difieren en ambos tipos de organismos.

Una complejo de macromoléculas que se encuentra en todas las células es la membrana plasmática.

Macromoléculas

Las estructuras complejas macromoleculares están formadas por distintas macromoléculas. Las macromoléculas cumplen funciones esenciales en la célula. Algunas son componentes estructurales, otras cumplen funciones reguladoras y otras actúan como directoras de toda la actividad celular.

Un tipo de macromolécula que se encuentra en todas las membranas plasmáticas es la glucoproteína.

moléculas

Las macromoléculas pueden estar constituidas por moléculas semejantes o diferentes. Las moléculas son los componentes fundamentales de las células. Existen moléculas orgánicas e inorgánicas. En los seres vivos se encuentran una gran variedad de moléculas de estructura y función diversas.

Una molécula que compone a todas las glucoproteínas es el aminoácido.

átomos

Las moléculas están constituidas por átomos. Los átomos son las partículas más pequeñas de un elemento –una sustancia que no puede ser desintegrada en otra sustancia por medios químicos ordinarios–. Los átomos están constituidos por partículas subatómicas. La búsqueda de partículas subatómicas es objeto de investigación permanente, lo que lleva a realizar otros nuevos descubrimientos que originan nuevas hipótesis, en un sinfín de preguntas y respuestas.

Todos los aminoácidos están formados, por lo menos, por átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.


Biomoléculas Inorgánicas

Agua Molécula sencilla, formada por dos átomos de hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O), unidos por enlaces covalente polar Presenta una estructura angular con polos positivos en los hidrógenos y un polo negativo en el oxígeno, por ello la molécula de agua tiene características de dipolo.

La molécula de agua es el compuesto más abundante en los seres vivos (de un 65% a un 95% de su masa), este porcentaje varía dependiendo del metabolismo del organismo. El desarrollo y la mantención de la vida se deben gracias a la presencia de agua y a sus atípicas características físico-químicas que se presentan a continuación:

Aprendizajes Esperados • Identificar la composición química de los seres vivos. • Comprender, a través de sus propiedades, la importancia del agua. • Reconocer las principales sales minerales presentes en los seres vivos.


Propiedades Físico-químicas del agua y sus funciones en los seres vivos


Sales Minerales. En los sistemas vivos, las sales inorgánicas se encuentran básicamente de tres modos diferentes: -Disueltas La mayor parte de las sales se hallan disueltas en medios acuosos, formando electrolitos tal es el caso del Sodio (Na+), Potasio (K+), Calcio (Ca2+), Cloruro (Cl-), Bicarbonato (HCO 3-) o Fosfato (PO4-3), iones que participan en diversas reacciones químicas en función de su afinidad eléctrica. Por ejemplo, regulación de la acidez (pH) y formación de potenciales eléctricos. Además es muy importante considerar que sales como el Sodio (Na+) y el Cloruro (Cl-) mantienen el equilibrio hidrosalino. -Precipitadas Otras sales se encuentran precipitadas formando, de este modo, estructuras sólidas y rígidas; tal es el caso del fosfato cálcico (Ca3 (P04)2), que al precipitar sobre una matriz de proteínas fibrosas forma los huesos. El caparazón de los moluscos y de los crustáceos y la dentina de los dientes están formados por carbonato cálcico (CaCO3) y las espículas de algunas esponjas están formadas por sílice (SiO2). -Combinadas Otras moléculas inorgánicas, por último, se encuentran combinadas con alguna molécula orgánica. El ejemplo más llamativo es el hierro (Fe2+) en la molécula de hemoglobina y el magnesio (Mg2+) en la clorofila. También algunos iones se asocian a enzimas. En un organismo vivo, la mayoría de las reacciones químicas ocurren por la existencia de unas sustancias que las catalizan denominadas enzimas. Sin estos catalizadores, dichas reacciones se desarrollarían a velocidades tan bajas que apenas rendirían cantidades apreciables del producto. Muchas enzimas necesitan para su funcionamiento la presencia de algunas sales (cofactores enzimáticos). Algunos minerales esenciales en la nutrición humana:


Probemos lo aprendido hasta ahora:

1. El calcio como catión (Ca2+) tiene por función

A) constituir a los tejidos óseos y dientes.

B) participar en la conducción del impulso nervioso.

C) participar en la fatiga muscular.

D) constituir a las proteínas de membrana.

E) participar en la síntesis de hormonas tiroídeas

2. El agua forma parte de aproximadamente dos tercios del peso corporal de los animales. ¿Qué

situación o situaciones justifica (n) esta proporción?

I. El agua es el medio en el que ocurren principalmente las reacciones del metabolismo.

II. El agua es un excelente termorregulador, ya que es capaz de absorber grandes cantidades de calor.

III. El agua permite la circulación de un gran número de sustancias a través de todo el organismo.

A) Sólo I

B) Sólo II

C) Sólo III

D) Sólo I y II

E) I, II y III

3. Los minerales como el calcio, hierro, flúor o iodo, entre otros, son necesarios en la dieta, puesto que tienen por función

I. ser material de construcción de las estructuras orgánicas.

II. ser cofactores para varias enzimas, ayudando en la función de éstas.

III. formar parte constitutiva de varias macromoléculas.

A) Sólo I

B) Sólo III

C) Sólo I y III

D) Sólo II y III

E) I, II y III

4. El agua es una molécula dipolar. Esta característica determina su

I. alta tensión superficial.

II. alto calor específico.

III. gran poder disolvente.

A) Sólo I

B) Sólo II

C) Sólo III

D) Sólo I y III

E) I, II y III

5. Este elemento mineral se encuentra en la sangre y almacenado en el hígado. Participa del transporte de oxígeno en

el organismo. Esta descripción corresponde al

A) sodio.

B) calcio.

C) potasio.

D) hierro.

E) yodo.


Biomoléculas Orgánicas

En los organismos se encuentran cuatro tipos diferentes de moléculas orgánicas en gran cantidad: carbohidratos, lípidos, proteínas y nucleótidos. Todas estas moléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Además, las proteínas contienen nitrógeno y azufre, y los nucleótidos, así como algunos lípidos, contienen nitrógeno y fósforo. A escala molecular, muchas de estas moléculas de la vida son gigantescas y se les denomina macromoléculas. Las células construyen la mayor parte de sus moléculas grandes (polímeros) a partir de moléculas pequeñas (monómeros). Una de las características más extraordinarias de la vida es que una célula construye todas sus diversas macromoléculas a partir de 40 a 50 monómeros comunes. Las proteínas por ejemplo, están hechas de sólo 20 aminoácidos. El DNA se construye a partir de cuatro tipos de monómeros llamados nucleótidos. La variedad de polímeros justifica la exclusividad de cada organismo. Sin embargo, los monómeros que se usan para construir los polímeros son esencialmente universales. Tus proteínas, las de una bacteria y las de un pez están constituidas por los mismos 20 aminoácidos y solamente están unidas en diferentes secuencias. La células unen monómeros entre sí para formar polímeros por medio de un proceso llamado síntesis por deshidratación ó condensación (figura de abajo izquierda). Todos los monómeros sueltos tienen átomos de hidrógeno y grupos hidroxilo (OH). Por cada monómero que se une a la cadena, se libera una molécula de agua. Nótese que son dos monómeros los que contribuyen a formar la molécula de H2O. Cuando esto ocurre, se forma un enlace covalente que une a los dos monómeros y a este enlace se le asigna un nombre dependiendo del tipo de molécula que estemos formando.

(figura a) Síntesis por deshidratación de un polímero. (figura b) Hidrólisis de un polímero.

Las células no sólo fabrican macromoléculas, sino que también las rompen en sus partes. Por ejemplo el alimento que ingiere un organismo está a menudo bajo la forma de macromoléculas. Para digerir estas sustancias y permitir que sus monómeros sean de utilidad para la célula, ésta debe llevar a cabo una hidrólisis, en esencia lo opuesto a la síntesis por deshidratación. Hidrólisis significa romper con agua, y las células rompen uniones entre monómeros agregándoles agua, como muestra la figura superior derecha.


Los carbohidratos son la fuente primaria de energía química para los sistemas vivos. Los más simples son los monosacáridos ("azúcares simples"). Los monosacáridos pueden combinarse para formar disacáridos ("dos azúcares") y polisacáridos (cadenas de muchos monosacáridos).

Los lípidos son moléculas hidrofóbicas que, como los carbohidratos, almacenan energía y son importantes componentes estructurales. Incluyen las grasas y los aceites, los fosfolípidos, los glucolípidos, las ceras, y el colesterol y otros esteroides.

Las proteínas son moléculas muy grandes compuestas de cadenas largas de aminoácidos, conocidas como cadenas polipeptídicas. A partir de sólo veinte aminoácidos diferentes usados para hacer proteínas se puede sintetizar una inmensa variedad de diferentes tipos de moléculas proteínicas, cada una de las cuales cumple una función altamente específica en los sistemas vivos.

Los nucleótidos son moléculas complejas formadas por un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos y una base nitrogenada. Son los bloques estructurales de los ácidos desoxirribonucleico (DNA) y ribonucleico (RNA), que transmiten y traducen la información genética. Los nucleótidos también desempeñan papeles centrales en los intercambios de energía que acompañan a las reacciones químicas dentro de los sistemas vivos. El principal portador de energía en la mayoría de las reacciones químicas que ocurren dentro de las células es un nucleótido que lleva tres fosfatos, el ATP.

Al estudiar la composición química de la materia viva se observa que los carbohidratos y lípidos no son los compuestos orgánicos más abundantes ni los más diversos. Pero los carbohidratos y lípidos han sido escogidos por la evolución biológica, en virtud de sus particulares propiedades químicas y físicas. Los carbohidratos sirven para formar ciertas estructuras celulares, como fuente y almacén de energía. Los lípidos son usados para almacenar energía, formar bicapas lipídicas, como mensajeros químicos (hormonas) y vitaminas.

Carbohidratos

Los carbohidratos son compuestos orgánicos formados por C, H, O. También son llamados glúcidos, azúcares e hidratos de carbono. Estos dos últimos nombres no son del todo apropiados, pues no todos son dulces ni se trata de moléculas cuyos carbonos estén hidratados. Químicamente hablando son aldehídos (R-CHO) o cetonas hidroxiladas (R-CO-R).

Los carbohidratos son las moléculas fundamentales de almacenamiento de energía en la mayoría de los seres vivos y forman parte de diversas estructuras de las células vivas. Los carbohidratos -o glúcidos- pueden ser moléculas pequeñas, (azúcares), o moléculas más grandes y complejas. Hay tres tipos principales de carbohidratos, clasificados de acuerdo con el número de moléculas de azúcar que contienen:

Los monosacáridos (“azúcares simples”): como la ribosa, la glucosa y la fructosa, contienen sólo una molécula de azúcar.

Los disacáridos (“dos azúcares”) consisten en dos moléculas de azúcar simples unidas covalentemente. Ejemplos familiares son la sacarosa (azúcar de caña), la maltosa (azúcar de malta) y la lactosa (azúcar de la leche).

Los polisacáridos (cadenas de muchos monosacáridos) como la celulosa y el almidón, contienen muchas moléculas de azúcar simples unidas entre sí.


En general, como habíamos visto, las moléculas grandes, como los polisacáridos, que están constituidas de subunidades idénticas o similares, se conocen como polímeros ("muchas partes") y las subunidades son llamadas monómeros ("una sola parte").

Los disacáridos y polisacáridos se forman por reacciones de condensación, en las que las unidades de monosacárido se unen covalentemente (enlace glucosídico) con la eliminación de una molécula de agua. Pueden ser escindidas nuevamente por hidrólisis, con la incorporación de una molécula de agua.

Dulzor de algunos carbohidratos y de la sacarina

Monosacáridos de importancia biológica:

Triosas: - Gliceraldehído-3-fosfato: Comúnmente llamado PGAL. Es un

intermediario de vías metabólicas como la glicólisis y la fotosíntesis (ciclo de Calvin), de modo que se puede usar para obtener energía o para fabricar diversos compuestos orgánicos presentes en los seres vivos (como por ejemplo glucosa). El PGAL es un derivado fosforilado del gliceraldehído.


Pentosas: - Ribosa: Forma parte de los ribonucleótidos (como por ejemplo, el ATP), de ciertos dinucleótidos

(como los coenzimas NAD y NADP) y del ácido ribonucleico (RNA). - Desoxirribosa: Forma parte de los desoxirribonucleótidos presentes en el ácido

desoxirribonucleico (DNA) que sirve de material genético para la gran mayoría de los seres vivos.

Hexosas: - Glucosa: Es la más importante fuente de energía del organismo (imagen

derecha). También cumple un rol estructural relevante al formar parte de carbohidratos de mayor tamaño (polisacáridos). El nivel de glucosa en la sangre se denomina glicemia y en la orina, glicosuria.

- Fructosa: Es el azúcar de la fruta; puede ser transformada en glucosa y como tal es usada en el organismo. Es interesante agregar que este carbohidrato está presente en el fluido seminal, sirviendo de nutriente a los espermatozoides durante su vigoroso desplazamiento para fecundar al ovocito femenino.

- Galactosa: Enzimáticamente puede ser transformada en glucosa. Por otra parte, ciertas células de las glándulas mamarias pueden sintetizar lactosa a partir de glucosa y galactosa.

Disacáridos de importancia biológica:

Maltosa: constituido por dos glucosas. Resulta de la degradación incompleta del almidón vegetal por efecto de la acción de la amilasa salival. Sirve como fuente de glucosas para obtener energía tanto en los embriones de plantas como en los animales que ingieren plantas.

Sacarosa: formado por una glucosa y una fructosa. Se obtiene de la remolacha, betarraga y la caña de azúcar. Sirve tanto como reserva energética y como transporte de la glucosa en los vegetales (Savia elaborada). Es la que conocemos como “azúcar de mesa”.

Lactosa: Disacárido de glucosa y galactosa. Principal componente de la leche animal y sirve como fuente de energía para el lactante.

Polisacáridos de importancia biológica:

De reserva energética: el almidón en los vegetales y el glucógeno en los animales. Ambos sirven como un modo de almacenar monosacáridos de glucosa dentro de la célula. Se trata, en ambos casos de polisacáridos muy ramificados (Figura a la derecha). Sin embargo el mayor grado de ramificación del glucógeno permite, mediante su hidrólisis, una mayor y más fácil entrega de las glucosas almacenadas.

Estructura del glucógeno y almidón. Se observa claramente

la mayor ramificación del glucógeno con respecto al almidón.


Estructurales: La celulosa forma la pared celular vegetal, en cambio la quitina forma la pared celular de los hongos y el esqueleto externo (exoesqueleto) de los artrópodos, son polisacáridos extracelulares formados por la unión de miles de unidades de glucosa. Son moléculas de gran tamaño y muy insolubles, características que son usadas para formar con ellas estructuras que otorgan gran rigidez. La celulosa tiene el honor de ser la molécula orgánica extracelular más abundante en la naturaleza ( Madera que contiene 50 % de celulosa).

Tabla resumen de los carbohidratos


Lípidos

Son una familia bastante heterogénea de compuestos orgánicos, formados principalmente por C, H y O unidos por enlaces covalentes apolares, que casi lo único que tienen en común es su gran insolubilidad en agua (hidrofóbicas). Esta propiedad permite a los lípidos ser extraídos desde los tejidos y órganos mediante solventes orgánicos apolares (éter, benceno, bencina, cloroformo, acetona, etc.). Además no forman polímeros y presentan en su estructura una menor proporción de oxígeno que los carbohidratos. Los Ácidos Grasos son moléculas que en general, no se encuentran libres en la célula debiendo obtenerlos por hidrólisis desde los lípidos en donde están almacenados.Presentan un grupo carboxilo polar e hidrofílico (-COOH) unido a una cadena hidrocarbonada apolar e hidrofóbica (que puede ser saturada o insaturada). Es esta doble naturaleza la que permite considerarlos moléculas anfipáticas. Es por ello que, al aumentar el tamaño de la cadena apolar hidrofóbica disminuye notablemente su solubilidad en agua, haciendo de los ácidos grasos naturales muy poco solubles en agua. Como muestra la figura, algunos ácidos grasos contienen dobles enlaces entre los carbonos del hidrocarburo (insaturaciones), que causan que la cadena se flexione e impide que las moléculas se empaqueten fuertemente entre sí y que solidifiquen a la temperatura ambiente (menor punto de fusión).Por lo tanto los ácidos grasos que poseen dobles enlaces se denominan insaturados a diferencia de los que presentan enlaces simples denominados saturados, los cuales al tener un mayor punto de fusión hace que sean sólidos a temperatura ambiente.

Esquema de 2 ácidos grasos. El ácido palmitico es un ejemplo de una ácido graso del tipo saturado (no presenta dobles enlaces entre los carbonos) y el ácido linoleico es un ejemplo de un ácido graso, insaturado.

Los ácidos grasos insaturados y de cadena corta forman estructuras más fluidas


Los Acilglicéridos también llamados glicéridos. Son lípidos constituidos por una molécula de glicerol (alcohol) a la cual se le pueden unir; uno (monoglicérido), dos (diglicéridos) o tres moléculas de ácidos grasos (triglicéridos). Los triglicéridos se clasifican según su estado físico, en aceites y grasas.

Aceites: Son líquidos a temperatura ambiente pues los ácidos grasos presentes en el lípido son del tipo insaturado y de cadena corta. Son de origen vegetal.

Grasas: Son sólidos a temperatura ambiente pues los ácidos grasos presentes en el lípido son del tipo saturado y de cadena larga. Son de origen animal.

Diagrama que muestra la formación de un triglicérido a partir de una molécula de glicerol más tres ácidos grasos del tipo

saturado. El enlace se llama tipo éster o estérico y el proceso, esterificación o condensación. De derecha a izquierda se indica la

hidrólisis.

Los glicéridos son de importancia biológica debido a sus múltiples funciones entre ellas:

Reserva energética: A diferencia de muchas plantas, los animales sólo tienen una capacidad limitada para almacenar carbohidratos. En los vertebrados, cuando los azúcares que se ingieren sobrepasan las posibilidades de utilización o de transformación en glucógeno, se convierten en grasas. De modo inverso, cuando los requisitos energéticos del cuerpo no son satisfechos por la ingestión inmediata de comida, el glucógeno y posteriormente la grasa son degradados para llenar estos requerimientos. Las grasas y los aceites contienen una mayor proporción de enlaces carbono-hidrógeno ricos en energía que los carbohidratos y, en consecuencia, contienen más energía química. En promedio, las grasas producen aproximadamente 9,3 kilocalorías por gramo, en comparación con las 3,79 kilocalorías por gramo de carbohidrato, o las 3,12 kilocalorías por gramo de proteína.

Aislantes térmicos contra las bajas temperaturas. El tejido adiposo (que almacena grasa) esta particularmente bien desarrollado en los mamíferos marinos.

Amortiguador: Grandes masas de tejido graso rodean a algunos órganos como, por ejemplo, a los riñones de los mamíferos, y sirven para protegerlos de una conmoción física. Estos depósitos de grasa permanecen intactos, aun en épocas de inanición.


Los Fosfolípidos corresponden a una familia de lípidos anfipáticos que por sus particulares propiedades físicas estructuran membranas celulares. Se trata de lípidos polares que, en presencia de agua, espontáneamente adoptan la estructura de bicapas lipídicas. Poseen un grupo fosfato y dos ácidos grasos unidos a una molécula de glicerol en su estructura. Las "colas" de ácido graso son no polares y por lo tanto, hidrofóbicas; la "cabeza" polar que contiene a los grupos fosfato (con carga negativa) y R es soluble, hidrofílica.

Esta figura muestra la formacion de bicapas de forsfolípidos, parte importante de la estructura de las membranas biológicas:

Los Terpenos son lípidos que resultan de la unión de muchas unidades pequeñas, llamadas isoprenos. Son terpenos las vitaminas liposolubles:

Vitamina A: que participa de la fisiología de la visión, al formar parte de la rodopsina, un pigmento fotosensible presente en los bastones retinianos.

Vitamina E: es un antioxidante intracelular que impide el deterioro prematuro de los tejidos. Vitamina K: forma parte de una enzima que interviene en la coagulación sanguínea.

Los Esteroides son una familia de lípidos que no se asemejan estructuralmente a los otros lípidos, pero, se les agrupa con ellos porque son insolubles en agua. Pertenecen a este grupo el colesterol, la vitamina D, los ácidos biliares, las hormonas de la corteza suprarrenal (aldosterona, cortisol y andrógenos corticales), las hormonas sexuales femeninas (progesterona y estrógenos) y masculina (testosterona).


En general las funciones desempeñadas por los lípidos son

- formar parte de las membranas celulares. - regular la actividad de las células y tejidos (Hormonas). - constituir las principales formas de almacén de energía en los seres vivos. - Constituir las vitaminas liposolubles (A, D, E, K)

Probemos lo aprendido:

1. ¿Cuál es la principal función que cumplen los

carbohidratos dentro de los seres vivos?

A) Energética a largo plazo.

B) Energética a corto plazo.

C) Reparación de tejidos.

D) Crecimiento.

E) Aislante térmico.

2.La (s) diferencia (s) entre glucosa y almidón radica en

I.la cantidad de unidades constituyentes en cada caso.

II. el origen que tiene cada una en los seres vivos.

III. la función que desarrollan a nivel celular.

A) Sólo I

B) Sólo II

C) Sólo III

D) Sólo I y II

E) I, II y III

3. La celulosa es un polisacárido de glucosa, de estructura rígida,

lineal e insoluble y los organismos animales no pueden

digerirlas. ¿Cómo explica estas características?

I. Las glucosas que forman la celulosa están unidas por enlaces

ß, lo que le da a la molécula una estructura rígida.

II. Al organizarse linealmente en forma paralela, queda poco

espacio intramolecular, por lo que es una molécula rígida e

insoluble.

III. No puede ser digerida por animales porque estos carecen de

enzimas que reconozcan los enlaces ß.

A) Sólo I B) Sólo II.

C) Sólo III D) Sólo I y III E) I, II y III

4.Aunque en nuestra sociedad se considera a los lípidos como

un enemigo, dado las alzas de peso que pueden provocar por su

consumo exagerado, son nutrientes esenciales porque

A) son una fuente de energía, aislante térmico, forman parte de

la estructura celular y sustancias reguladoras.

B) son la única fuente de energía para que el metabolismo

orgánico funcione.

C) son utilizadas en la síntesis de hormonas que regulan la

función metabólica del organismo.

D) los carbohidratos y proteínas son convertidos en grasa para

su almacenamiento.

E) cada kilogramo de grasa contiene aproximadamente 8000

calorías.


Proteínas

Las proteínas son los principales componentes de los seres vivos: constituyen más de la mitad de la masa seca de una célula y son responsables de una gran cantidad de funciones. Todas están formadas por la misma estructura básica: son polímeros formados por la unión de aminoácidos. Éstos últimos son moléculas constituidas por C, H, O, N y en algunos casos poseen también átomos de azufre (S).

Aminoácidos. Son moléculas formadas por un grupo amino (-NH2), que tiene características básicas, y un grupo carboxilo (-COOH), con propiedades ácidas. Ambos grupos unidos a un mismo carbono. En las proteínas hay 20 aminoácidos diferentes, comunes a todos los seres vivos existentes en la tierra, son los que están codificados en los ácidos nucleicos; no obstante, en las células se encuentran otros que resultan de transformaciones de uno o más de los 20 aminoácidos que se presentan comúnmente. Los aminoácidos son las unidades básicas que estructuran las proteínas, por lo tanto, son sus monómeros. (monómero: mono=uno; mero= unidad). Fórmula general de un aminoácido:

R es el radical, cadena lateral que diferencia a los aminoácidos en cuanto a tamaño, forma, carga eléctrica, etc., dando origen a alrededor de 20 aminoácidos diferentes que se encuentran formando parte estructural de las proteínas. Al pH del plasma sanguíneo (7,2) o del líquido intracelular (7,1) el grupo amino y el grupo carboxilo están ionizados.

Los aminoácidos son anfóteros, es decir pueden actuar como ácidos (dadores de protones) o como bases (aceptores de protones) dependiendo del medio.


Un individuo necesita de un aporte constante de aminoácidos para la síntesis de sus proteínas. En los organismos heterótrofos algunos de éstos pueden ser sintetizados por el propio organismo a partir de otras moléculas; otros, en cambio, tienen que ser incorporados en la dieta. Los aminoácidos que deben ser incorporados se conocen como aminoácidos esenciales. En el caso de la especie humana son diez (Arginina, Histidina, Isoleucina, Leucina, Lisina,Metionina, Fenilalanina, Treonina, Triptófano, Valina).

Los veinte aminoácidos proteicos y sus características estructurales:

Necesidades diarias de aminoácidos esenciales (g)


Polipéptidos: Los aminoácidos se unen entre sí mediante enlaces peptídicos para construir los polipéptidos. Estas uniones son enlaces covalentes tipo amida, formados entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de otro, liberándose una molécula de agua (síntesis por deshidratación). Los enlaces peptídicos son idénticos a lo largo de las cadenas peptídicas. Al formarse estos enlaces desaparece el carácter anfótero de los aminoácidos. La unión de dos aminoácidos origina un dipéptido; de tres, un tripéptido y desde 4 o más aminoácidos unidos se les denomina oligopéptidos . A mayores oligomerizaciones se les llama polipéptidos (200 a 300 residuos aminoacídicos). Las proteínas son consideradas cadenas polipeptídicas, que pueden estar conformadas por una o varias cadenas dispuestas en una configuración espacial definida. La cadena polipeptídica puede mostrar propiedades ácidas o básicas por los grupos presentes en las cadenas laterales de sus aminoácidos. Existe un pH particular para cada proteína en el que su carga neta es cero.

Formación de un dipéptido, mediante síntesis por deshidratación. La ruptura de este enlace se realiza agregando H2O, proceso llamado hidrólisis.

Estructura de las proteínas

Las proteínas son largas cadenas de aminoácidos. Cada una de ellas podría adoptar en principio, infinidad de formas, pero in vivo sólo presenta una, la más estable y la única que permite el desarrollo de su función; por lo que si experimentalmente se modifica la forma de la proteína ésta inmediatamente pierde su función

Estructura primaria, es la secuencia de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. El orden de colocación de estos aminoácidos viene determinado genéticamente, es decir, está “escrito” en el material hereditario.


La estructura primaria es importante porque determina la conformación tridimensional específica de la proteína, necesaria para su función. Además, como es la traducción lineal de la secuencia de nucleótidos de los ácidos nucleicos, proporciona información sobre la contribución genética para la síntesis de proteínas.

Estructura secundaria, es la forma en que la cadena lineal de aminoácidos puede plegarse. Está condicionada por las interacciones entre las cadenas laterales de aminoácidos y por las posibilidades de rotación alrededor de los enlaces. Resulta de la formación de enlaces puentes de hidrógeno de manera regular entre las cadenas de aminoácidos. Existen dos conformaciones más comunes alfa-hélice o beta-plegada.

Estructura terciaria, resulta de las interacciones entre los grupos R de la molécula de proteína y entre los grupos R y el medio circundante. Estas interacciones pueden ser puentes disulfuro, puentes de hidrógeno, e interacciones hidrofílicas o hidrofóbicas. Se han identificado estructuras terciarias formadas exclusivamente por alfa-hélice, por lámina beta y combinaciones entre ambas. En los dos primeros tipos se forman proteínas fibrosas (muy resistentes e insolubles en agua), como la miosina del músculo, el colágeno y la elastina del tejido conectivo, las que realizan funciones estructurales. La combinación de hélices alfa y láminas beta origina proteínas globulares (solubles en agua).

Estructura cuaternaria, para ser funcionales algunas proteínas requieren de la asociación de varias cadenas polipeptídicas o subunidades; se dice que presentan estructura cuaternaria, refiriéndose a la disposición espacial de los polipéptidos para formar una proteína de mayor complejidad. Se suelen mantener unidos por enlaces químicos débiles (interacciones hidrofóbicas o fuerzas de van der Waals). El número de polipéptidos que puede formar parte de una proteína varía en cada caso. Un ejemplo clásico es la hemoglobina, que es un tetrámero formado por cuatro cadenas polipeptídicas relacionadas entre sí, ligadas a un átomo central de hierro.


Propiedades de las proteína Sus propiedades físico-químicas dependen de su composición aminoacídica y de su conformación. Las propiedades comunes a todas las proteínas son dos:especificidad y desnaturalización.

Especificidad: Cada proteína tiene una función exclusiva, por ejemplo las enzimas. Cada individuo posee ciertas proteínas con una secuencia aminoacídica determinada, como se pone en evidencia en el rechazo de los órganos transplantados.

Desnaturalización: Este fenómeno ocurre cuando la proteína es sometida a condiciones diferentes a las que naturalmente tiene. La desnaturalización se puede hacer mediante diversos medios físicos y químicos, por ejemplo, cambios de temperatura, valores extremos de pH, etc.

Funciones de las proteínas Las proteínas dirigen prácticamente la totalidad de los procesos vitales, incluso aquellos destinados a la producción de ellas mismas. Determinan la forma y la estructura de las células. Sus funciones se relacionan con sus múltiples propiedades, que son el resultado de la composición de aminoácidos, de la secuencia y del modo en que la cadena se pliega en el espacio


Clasificación de las proteínas Las proteínas se pueden clasificar según diversos criterios, por ejemplo:

Según su configuración espacial pueden ser: - Fibrosas: Son insolubles en agua; presentan gran resistencia física, por lo cual están generalmente

vinculadas con acciones mecánicas o de protección, por ejemplo, colágeno (en tejidos conjuntivos, cartilaginosos, parte orgánica de los huesos), elastina (en tendones y vasos sanguíneos), queratina (piel, pelos, uñas, plumas, pezuñas, etc.).


- Globulares: Formadas por cadenas plegadas que pueden adquirir formas esféricas o globulares, generalmente son solubles en agua. Las proteínas globulares desempeñan papeles muy dinámicos en el organismo; pertenecen a esta categoría todas las enzimas, anticuerpos, algunas hormonas (insulina, somatotrofina (GH), prolactina, etc.).

Según su composición química se pueden clasificar en: - Proteínas simples (holoproteínas): cuando su hidrólisis produce solamente aminoácidos. Por

ejemplo; insulina, colágeno, albúminas, histonas, etc.

- Proteínas conjugadas (heteroproteínas): presentan un grupo proteico simple y otro componente, llamado grupo prostético, que pueden ser aniones, cationes, carbohidratos, lípidos, etc. Ejemplos de heteroproteínas:

• Glucoproteínas: poseen hidratos de carbono como grupo prostético. Ej. mucoproteína con función protectora; anticuerpos con función defensiva.

• Cromoproteínas: poseen un pigmento como grupo prostético. Ej. hemoglobina, hemocianina y mioglobina, que transportan oxígeno; los citocromos que transportan electrones.

• Fosfoproteínas: posee fósforo como grupo prostético. Ej. caseína. • Lipoproteínas: tienen un lípido como grupo prostético. Ej. HDL (“colesterol

bueno”), LDL (“colesterol malo”) que transportan lípidos en la sangre. • Nucleoproteínas: son proteínas asociadas a ácidos nucleicos. Ej. nucleosomas de la

cromatina; los ribosomas.

Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos son las únicas moléculas biológicas que poseen la capacidad de autoduplicación. Sus macromoléculas están formadas por C, H, O, N y P. Los ácidos nucleicos, como su nombre lo indica, son moléculas ácidas y actúan como depositarios y transmisores de la información genética de cada célula, tejido y organismo. Gran parte del desarrollo físico de un organismo a lo largo de su vida está programado en estas moléculas. Las proteínas que elaborarán sus células y las funciones que realizarán están todas registradas en estas “cintas” moleculares. Existen dos tipos de ácidos nucleicos, el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Cada uno de ellos está formado por la unión de unos monómeros (nucleótidos) similares formando una cadena polimérica, conectados entre sí por enlaces químicos. Todos los seres vivos contienen ambos tipos de ácidos nucleicos. Los virus contienen sólo ADN o ARN.

Nucleótido Constituyen la unidad monomérica de los ácidos nucleicos. Formados por una base nitrogenada unida a una azúcar la que a su vez puede estar enlazado con 1 a 3 grupos fosfatos.


Estructura de un Nucleótido:

Los componentes de los nucleótidos son:

Bases Nitrogenadas: Son compuestos cíclicos formados por cadenas de carbono. Se clasifican en bases púricas (adenina y guanina) y pirimídicas (citosina, timina y uracilo).

Azúcar: es una molécula de cinco carbonos, por lo cual, se llama pentosa. Se puede utilizar desoxirribosa (en ADN) o ribosa (en ARN y nucleótidos libres)

Grupo fosfato


Los nucleótidos se pueden encontrar dentro de la célula como unidades libres; participando en numerosos procesos metabólicos o unidos entre sí formando polímeros de desoxirribonucleótidos (ADN) o polímeros de ribonucleótidos (ARN).

Funciones de los nucleótidos libres: Los Nucleótidos libres no estructuran ácidos nucleicos, pero desempeñan importantes funciones:

a) Mensajeros intracelulares: En las membranas plasmáticas existen numerosos receptores a los que se unen compuestos del medio extracelular. Estas uniones inducen la síntesis de segundos mensajeros en el interior celular, es decir, compuestos sintetizados en respuesta de una señal externa, los cuales activan o inhiben enzimas. Lo descrito anteriormente es el mecanismo utilizado por las hormonas de tipo proteico. Muchos de los segundos mensajeros son nucleótidos, por ejemplo el AMPc (adenosin monofosfato cíclico)

b) Transportadores de energía en el metabolismo celular: Algunos nucleótidos pueden estar

unidos a una, dos o tres moléculas de ácido fosfórico y dan lugar a un grupo de compuestos ricos en energía. Cuando los enlaces de estos compuestos se rompen, la energía liberada se utiliza en las reacciones endergónicas. Es el caso del ATP (un nucleósido trifosfato) que se forma a partir del AMP, al cual hay que agregarle dos fosfatos más. Los enlaces fosfatos del ATP son relativamente débiles y pueden romperse por hidrólisis, liberando 7-10 kilocalorías de energía por mol de ATP hidrolizado. La reacción puede ocurrir en sentido contrario si se aportan las 7-10 kilocalorías por mol.

Con la adición de una molécula de agua al ATP, un grupo fosfato se separa de la molécula. Los productos de la reacción son el ADP, un grupo fosfato libre y energía. Alrededor de unas 7 Kcalorías de energía se liberan por cada mol de ATP hidrolizado. La reacción puede ocurrir en sentido contrario si se aportan las 7 Kcalorías por mol necesarias.


c) Favorecer la actividad catalizadora de las enzimas: Algunas enzimas requieren la presencia de sustancias llamadas coenzimas para poder realizar su actividad catalizadora. Su principal función es la transferencia de grupos de átomos aceptando o donando electrones, protones o grupos funcionales en las reacciones químicas. Las más comunes son las derivadas del dinucleótido de nicotinamida adenina (NAD+ y NADP), los derivados de la flavina (FMN y FAD) y la coenzima A (CoA).

Polinucleótidos: ADN y ARN Dado que todos los ácidos nucleicos pueden considerarse polímeros de nucleótidos, se les designa al ADN y ARN como polinucleótidos; cuya hidrólisis genera:

ADN (ácido desoxirribonucleico)

Es el material genético que los organismos heredan de sus padres. En él están los genes, porciones específicas de la macromolécula de ADN que programan las secuencias de aminoácidos y que corresponde a la estructura primaria de las proteínas. De este modo, y a través de las acciones de las proteínas, el ADN controla la vida de la célula y del organismo. Se ha demostrado que el orden y disposición de sus bases nitrogenadas constituyen el medio por el cual la información es codificada y transmitida para el proceso de la herencia. Estructura Modelo postulado por Watson y Crick, con el cual ganaron el Premio Nobel de Medicina en 1962, donde describen al ADN como una macromolécula compuesta de dos cadenas polinucleotídicas que se disponen alrededor de un eje central imaginario formando una doble hélice, capaz de autorreplicarse y dirigir la síntesis de ARN. Dentro de cada cadena de ADN, el grupo fosfato de un nucleótido se enlaza con el azúcar (pentosa) del siguiente nucleótido de la cadena. Esta modalidad de enlazamiento produce un “esqueleto” de azúcares y fosfatos alternados unidos por enlaces covalentes. Las bases nitrogenadas conforman los “peldaños “de esta escalera de caracol. Estas dos hebras de ADN se mantienen unidas por puentes hidrógenos entre las bases. Los pares de bases están formados siempre por una purina y una pirimidina, por lo tanto, son complementarias entre si, de esta forma ambas cadenas están siempre equidistantes, a unos 11 Å una de la otra. Los pares de bases adoptan una disposición helicoidal y hay 10 pares de bases por cada vuelta de la hélice. En cada extremo de la doble hélice, una cadena de ADN termina en un fosfato libre y la otra en un azúcar libre, por lo tanto se dice que están orientadas en sentidos opuestos.


La adenina forma puente de hidrógeno sólo con la timina (doble enlace) y la guanina con la citosina (triple enlace). Cada puente de hidrógeno tiene una energía muy débil, pero las cadenas se encuentran fuertemente unidas por el conjunto de puentes establecidos. Los pares A-T y G-C son bases complementarias, y su presencia explica los resultados de Chargaff que indican que el número de bases de adenina es igual al de timina, así como el número de guanina es igual a las de citosina, por lo tanto:

Almacenamiento de la molécula de ADN en procariontes y eucariontes Las bacterias contienen una sola molécula de DNA bicatenaria (doble hélice), desnuda (no asociada a proteínas histonas) que tiene forma circular. En las mitocondrias y cloroplastos de las células eucariotas, el DNA presenta la misma estructura. El DNA de los eucariontes, que desplegado mediría como un centímetro, debe empaquetarse para caber en un espacio de un micrómetro. Para conseguir el máximo empaquetamiento se une a proteínas de dos tipos: histonas y proteínas cromosómicas no histonas. Estas últimas incluyen miles de proteínas con funciones muy diversas, como la síntesis de RNA o de DNA, entre otras. La asociación DNA-proteínas forma una unidad estructural y funcional llamada cromatina. La forma en que se pliega la molécula de DNA en el núcleo de las células eucariontes es importante por dos razones: permite disponer de grandes moléculas en poco espacio y determina la actividad de los genes. Las histonas son proteínas estructurales que contienen gran cantidad de aminoácidos con carga positiva, por lo que se unen estrechamente al DNA. También se ha demostrado que son reguladoras de la actividad de muchos genes, es decir, son capaces de promover su expresión.


Replicación

La replicación consiste en la formación de dos moléculas de DNA con una secuencia de bases idénticas a partir de una molécula de DNA inicial. De acuerdo al modelo de Watson y Crick, la replicación del DNA se basa en la complementariedad de las bases. Si una cadena de la molécula de DNA tiene una secuencia de bases, la otra cadena debe tener las bases complementarias. Por ejemplo, si una cadena tiene la secuencia – ATTCGG –, la cadena complementaria es de –TAAGCC – . Esta complementariedad de la molécula de DNA provee un medio fiel de replicación. A esta forma de replicación se le denomina semiconservativa, ya que se conserva la secuencia de cada una de las hebras de la macromolécula doble original. Se separan las dos hebras originales y cada una sirve como molde para construir una nueva cadena. De esta forma, la secuencia de nucleótidos se duplica con exactitud y la información genética permanece constante. En la replicación participan varias enzimas, una de ellas es la ADN polimerasa que sintetiza una nueva cadena de ADN. Para esto utiliza como molde una de las hebras, a la que se le agreganlos nuevos nucleótidos. La ADN polimerasa agrega nucleótidos en la cadena en crecimiento.

Estas nuevas dobles hélices se mantienen unidas mientras la célula se prepara para dividirse. El cromosoma recibe ahora el nombre de duplicado, que se separará en sus cromátidas hermanas durante la división celular.


ARN (ácido ribonucleico)

Existen tres tipos principales de ARN en las células eucariontas y procarionticas. Todos ellos son sintetizados a partir del ADN. Cada tipo de ARN desarrolla una función característica relacionada con la síntesis proteica.

Composición

El RNA es un polirribonucleótido formado fundamentalmente por los ribonucleótidos de adenina, guanina, citosina y uracilo (en vez de la timina del DNA). La pentosa es la ribosa. Los RNA suelen ser monocatenarios y pueden presentar regiones de apareamiento intracatenarias.

Aun cuando cada molécula de ARN tiene una sola cadena de nucleótidos, eso no significa que se encuentra siempre como una estructura lineal simple. En las moléculas de ARN suelen existir tramos con bases complementarias, lo que da lugar a puentes de hidrógeno, es decir, a la formación de pares de nucleótidos A-U y C-G entre varias regiones de una misma molécula.Las estructuras tridimensionales de los ARN tienen importantes consecuencias biológicas. Presente en las células procariontes y en las eucariontes se les encuentra en el núcleo y en el interior de mitocondrias y cloroplastos

Tipos de ARN

Existen 3 tipos principales de ARN los cuales se distinguen por su estructura y función


Flujo de información a partir del ADN

La información del ADN se encuentra codificada en la secuencia de sus bases nitrogenadas. Esta información fluye y se transmite en dos sentidos:

A partir del ADN se obtienen nuevas moléculas de ADN por replicación. Este proceso tiene lugar en la etapa de S del ciclo celular y permite la transmisión de la información célula a célula, mediante la mitosis.

Por transcripción, se obtienen moléculas de ARNm que contienen información del ADN. Mediante la traducción del ARNm, esta información determina la síntesis de las proteínas.

El dogma central de la Biología molecular afirma que la información genética debe fluir desde los ácidos nucleicos a las proteínas.

Preguntas!

1. En relación a los ácidos nucleicos, es correcto afirmar que

I. desarrollan funciones inmunológicas.

II. permiten la mantención de la información de las

características de una especie.

III. participan de los procesos energéticos.

A) Sólo I

B) Sólo II

C) Sólo III

D) Sólo I y II

E) Sólo II y III

2. ¿Qué tienen en común las proteínas y los ácidos nucleicos?

I. La presencia de nitrógeno en su estructura.

II. La presencia de azufre en su estructura.

III. Las funciones de herencia que desarrollan.

A) Sólo I

B) Sólo II

C) Sólo III

D) Sólo I y II

E) Sólo II y III

3. En un determinado laboratorio, se analizó una muestra de

una sustancia de la que se conocía su naturaleza biológica, la

categoría química a la que pertenecía. Al realizar el análisis

correspondiente, se obtuvo el siguiente resultado:

• 18% de Carbono.

• 16% de Hidrógeno.

• 19% de Oxígeno.

• 29% de Nitrógeno.

• 24% de Fósforo.

De acuerdo con estos resultados, la sustancia analizada

corresponde a

A) una proteína. B) un ácido nucleico.

C) un carbohidrato. D) un lípido.

E) una vitamina.

4. El ATP se relaciona con los ácidos nucleicos, porque

A) posee un grupo fosfato.

B) posee ribosa como monosacárido.

C) posee una base nitrogenada en su estructura.

D) es un nucleótido modificado.

E) participa en la expresión del mensaje genético.

Biología Guía 1-Niveles de Organización y Biomoléculas

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