Tema 1. Biología Molecular -...
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Germán Tenorio Biología NS-Diploma BI Tema 1. Biología Molecular 1.1 Moléculas para el metabolismo DP/PAU Idea Fundamental: Los organismos vivos controlan su composición mediante una compleja red de reacciones químicas.
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Germán Tenorio
Biología NS-Diploma BI
Tema 1. Biología Molecular1.1 Moléculas para el metabolismoDP/PAU
Idea Fundamental: Los organismosvivos controlan su composición medianteuna compleja red de reacciones químicas.
Biología molecularDP
El descubrimiento de la estructura del ADN en 1953 fue el inicio de larevolución sufrida por la Biología, transformando nuestro entendimientode los seres vivos.
Muchas moléculas son importantes paralos seres vivos, desde las más simplescomo el agua, hasta las más complejascomo los ácidos nucleicos y proteínas.
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Actividad conocimientos previos
Biología molecularDP
Aunque esta aproximaciónreduccionista del estudiode los componentes porseparado ha sido muyproductiva, tiene variosdetractores quemantienen que cuando loscomponentes se combinanaparecen propiedadesemergentes que solopueden ser investigadascuando se estudia el alsistema en su conjunto.
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La aproximación de la biología molecular es reduccionista, es decir,investiga por separado los distintos componentes de los procesosbioquímicos. Es decir, la biología molecular explica los procesosvivos aludiendo a las sustancias químicas implicadas.
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Metabolismo: Conjunto de todas las reacciones químicas catalizadas porenzimas que tienen lugar en una célula u organismo.
Consta de dos tipos de reacciones, lascuales no ocurren ni de forma simultáneani en el mismo lugar de la célula, peroque están acoplados.
MetabolismoDP/PAU
Catabolismo o fasedegradativa: Conjunto dereacciones metabólicas en las quelas moléculas orgánicas complejasy reducidas son descompuestas(degradadas) a moléculas mássimples y oxidadas (incluida lahidrólisis de macromoléculas enmonómeros) para la obtención deenergía y poder reductor.
El catabolismo incluye los procesos de respiración celular aerobia,fermentación, y digestión de moléculas complejas del alimento.
Anabolismo o fase constructora: Conjunto de reacciones bioquímicasmediante las cuales las células sintetizan moléculas complejas yreducidas, mediante el consumo de energía y poder reductor, a partir demoléculas sencillas y oxidadas (incluida la formación de macromoléculasa partir de monómeros, por reacciones de condensación).
El anabolismo incluye los procesos de sintesis de proteínas, síntesis deADN (replicación), síntesis de polisacáridos complejos como el almidón,glucógeno o celulosa, y la síntesis de glucosa (fotosíntesis).
MetabolismoDP/PAU
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La materia constituyente de los seres vivos está compuesta porbiomoléculas, que están a su vez formadas por la unión de ciertoselementos químicos. A los elementos químicos presentes en los seresvivos se les llama bioelementos.
Estos elementos químicos fueron seleccionados para la vida por sercapaces de construir estructuras y realizar funciones capaces de aumentarla supervivencia de las células que los incorporaron.
Elementos químicos de la vida: BioelementosPAU
Puesto que la vida parece que surgió enel seno de los mares primitivos,muchos de los elementos esencialespara la vida fueron seleccionados pordos parámetros:
1) Su comportamiento en el medioacuoso. Es decir, si son insolubles osolubles y, en este caso, el número decargas que tienen en forma iónica.
2) La reactividad de los átomos y lostipos de enlaces que pueden formarpara construir moléculas orgánicas.
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Elementos químicos de la vida: BioelementosPAU
Existen unos 70 bioelementos y, al igual que el resto de elementos queforman la materia general del Universo, todos ellos están presentes en latabla periódica.
Elementos químicos de la vida: BioelementosPAU
Sin embargo, al comparar la composición química de los seres vivos con lade la corteza terrestre (inerte), los bioelementos mayoritarios nocoinciden, salvo el oxígeno, con los elementos más abundantes en lacorteza.
Se puede observar que los elementos químicos más frecuentes en losseres vivos son solo cuatro: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.
Principales bioelementosPAU
Los bioelementos se clasifican en dos grupos, en función de su presenciay abundancia:
1) Biolementos mayoritarios. Están en todos los seres vivos y formanmás del 98% del total de la materia viva. Los primarios son C,H,O,N,P yS y constituyen los ladrillos con los que se fabrican las biomoléculas oprincipios inmediatos. Los secundarios son Na, K, Cl, Mg y Ca, ydesempeñan funciones de vital importancia en la fisiología celular.
2) Oligoelementos. Se encuentran presentes en pequeñísimascantidades y se distinguen a su vez esenciales para todos los seresvivos, que son solo 5 (Fe, Mn, Cu, Zn y Co), y no esenciales, nopresentes en todos los seres vivos pero que cumplen funcionesimportantes en el metabolismo, como Al y Li.
Elementos químicos de la vida: bioelementosPAU
Los bioelementos secundarios y los oligoelementos, como los de la tabla,son necesarios para los organismos vivos.
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La vida contiene carbonoen grandes cantidades. Esinteresante destacar que,siendo el C y el Si delmismo grupo del sistemaperiódico y por tantotener propiedades físico-químicas muysemejantes, y ademássiendo el Si casi 150veces más abundante enla corteza terrestre, hasido el carbono elseleccionado.
Aunque el carbono es solamente el décimoquinto elemento másabundante en la Tierra, puede usarse para fabricar una amplia variedadde moléculas diferentes, lo que hace que la compocisión química de losseres vivos sea casi ilimitada.
Los compuestos de carbonoDP/PAU
Propiedades físico-químicas del CarbonoDP/PAU
Las propiedades del carbono que le dan su gran idoneidad y a las que sedebe la diversidad de compuestos de carbono existentes, son:
1) Puede formar 4 enlaces covalentes. Al poseer 6 protones suconfiguración electrónica es 1s2 2s2 2p2. En lugar de disponer de dos electronesdesapareados, el carbono desaparea en electrón del orbital 2s2, por lo queposee 4 electrones desapareados (valencia IV) que ocupan los orbitales 2s1
2p1x 2p1y 2p1z, formando cuatro orbitales híbridos orientados hacia los cuatrovértices de un tetahedro que le permite formar cuatro enlaces covalentessimples al aceptar electrones para compartir sus cuatro orbitales enlazantescon otros átomos, permitiendo así la existencia de toda una serie decompuestos estables.
2) Formación de largas cadenas. Los enlaces entre los átomos de carbonopueden ser simples (C-C), dobles (C=C) o triples y permiten construircadenas más o menos largas, lineales o ramificadas, anillos, etc. Además, sepueden construir moléculas tridimensionales muy diferentes, propiedad devital importancia en la función biológica (unión enzima-sustrato o antígeno-anticuerpo).
Propiedades físico-químicas del CarbonoDP/PAU
3) Formación de grupos funcionales. Las distintas combinaciones delcarbono con otros elementos, permiten la formación de gran cantidad degrupos que comunican a las moléculas que los portan unas propiedadescaracterísticas, como aldehídos, cetonas, aminas, alcoholes o hidrocarburos.
Propiedades físico-químicas del CarbonoDP/PAU
4) El dióxido de carbono, compuestode gran importancia biológica, esanormalmente estable, soluble en aguay permanece en estado gaseoso,indispensable para ser utilizado en lafotosíntesis.
Los inconvenientes del silicio, que lo hacen menos idóneo, son:
- Los enlaces Si-Si son más débiles e inestables que los de las cadenascarbonadas.
- Las cadenas Si-O-Si-O- existen, pero su reactividad es casi nula(siliconas).
- El análogo al CO2, el SiO2
es sólido, insoluble enagua y, por tanto, difícil decaptar por los seres vivos.
Propiedades físico-químicas del CarbonoDP/PAU
La vida se basa en los compuestos de carbono, entre ellosglúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, que al tenerdiferentes propiedades pueden usarse para propósitos diferentes.
Los glúcidos están compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno, con unratio hidrógeno:oxígeno de 2:1, por lo que se les denomina carbohidratos.Los monosacáridos son los más simples, y constituyen los monómerospara la formación de los más complejos.
Clasificando los compuestos de carbonoDP/PAU
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Los lípidos son un grupo heterogéneo de moléculascaracterizadas por su insolubilidad en agua y queestán compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno, yen menor proporción nitrógeno y fósforo.
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Las proteínas son compuestos de carbono, hidrógeno, oxígeno ynitrógeno, siendo los aminoácidos sus monómeros constituyentes.
Los ácidos nucleicos están compuestos de carbono, hidrógeno, oxígeno,nitrógeno y fósforo, siendo los nucleótidos sus monómerosconstituyentes.
Clasificando los compuestos de carbonoDP/PAU
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Las moléculas de carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos sondiferentes unas de otras, por lo que pueden distinguirse fácilmente.
HABILIDAD: Identificación de compuestos bioquímicosDP/PAU
Las proteínas y los ácidos nucleicos contienennitrógeno, a diferencia de los glúcidos y loslípidos.
Muchas proteínas contienen azufre, pero no asílos glúcidos, los lípidos y los ácidos nucleicos.
Algunos lípidos y los ácidos nucleicos contienenfósforo, a diferencia de los glúcidos y lasproteínas.
Hay que saber realizar un diagrama molecular de:
- los monosacáridos alfa-D-glucosa, beta-D-glucosa, D-ribosa y fructosa.
- un ácido graso saturado.
- un aminoácido.
- un desoxirribonucleótido.
HABILIDAD: Dibujos de diagramas molecularesDP/PAU
Los distintos diagramas se irán realizando amedida que se expliquen las respectivasunidades.
Por otro lado, hay que saber reconocerdiagramas moleculares de la molécula deagua, monosacáridos, disacáridos, ácidosgrasos, triglicéridos, fosfolípidos, esteroides,aminoácidos, dipéptidos, péptidos (proteínas),nucleótidos y ácidos nucleicos.
Compuestos orgánicos e inorgánicosDP
La materia constituyente de los seres vivos está compuesta, además depor moléculas inorgánicas, por biomoléculas orgánicas.
Se consideran orgánicosaquellos compuestos de losorganismos vivos quecontienen carbono exceptolos:
- hidrogenocarbonatos obicarbonatos (NaHCO3);
- carbonatos (CaCO3);
- óxidos de carbono (CO/CO2).
Si bien se consideran orgánicos aquellos compuestos de carbonofabricados por los seres vivos, existen exepciones, como la urea.
APLICACIÓN: La ureaDP
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La urea es un compuesto nitrogenado de estructurarelativamente simple que forma parte de la orina, dondese descubrió por primera vez.
La urea se producecuando hay un exceso deaminoácidos en elcuerpo, como forma deexcretar el exceso denitrógeno debido a losmismos.
La urea se produce en elhígado mediante un ciclode reacciones catalizadasenzimáticamente.
La urea producida estransportada por la sangrea los riñones, donde sefiltra y pasa a la orina.Web2
Sin embargo, la urea también puede sintetizarse artificialmente, aunquemediante un conjunto de reacciones químicas diferentes a las queocurren en el hígado que no están catalizadas por enzimas.
APLICACIÓN: La ureaDP
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Cerca de 100 millones de toneladas son producidasanualmente, en su mayoría para ser utilizados comofertilizantes nitrogenados para las cosechas de cereales.
Por tanto, ¿qué implica elque los compuestosorgánicos, característicosde los seres vivos,puedan ser obtenidosartificialmente?
IMAGEN: edalatsowda.com
La urea fue descubierta en la orina a comienzos del siglo XVIII,asumiéndose que era producida por los riñones. Por aquel entonces secreía, en base a la teoría del vitalismo, que los compuestos orgánicosde las plantas y los animales, solo podían fabricarse con ayuda de un“Principio vital”, diferente de fuerzas puramente químicas o físicas.
NATURALEZA CIENCIAS: Refutación de teoríasDP
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Un siglo más tarde (en 1828), el químico alemánFriedrich Wöhler sintetizó urea artificialmentea partir de cianato de amonio, siendo así elprimer compuesto orgánico en ser sintetizado.
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Dado que Whöler no usó ningún principio vital, la síntesis artificial dela urea ayudó a refutar el vitalismo.
NATURALEZA CIENCIAS: Refutación de teoríasDP
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Aunque actualmente estátotalmente aceptado quelos procesos en los seresvivos están gobernadospor las mismas fuerzasfísicas y químicas que en lamateria inerte, siguehabiendo algunoscompuestos orgánicos queno han podio sersintetizados artificialmente.
Así, proteínas complejascomo la hemoglobina nopueden sintetizarse sin losribosomas y otroscomponentes celulares.
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Las biomoléculas orgánicas, atendiendo a la longitud y complejidad de sucadena, se pueden clasificar como monómeros o polímeros.
Los monómeros son moléculas pequeñas (aminoácidos onucleótidos), unidades moleculares que forman parte de una moléculamayor, y están formados por la combinación de bioelementos unidosentre sí mediante enlaces químicos.
Los polímeros son agrupaciones de monómeros (proteínas o ácidosnucleicos), iguales o distintos, unidos entre sí mediante otros enlacesquímicos para formar una molécula de mayor tamaño.
Enlaces químicos que unen las biomoléculasPAU
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Los enlaces químicos tienen por tanto una gran importancia enbiología, distinguiéndose diversos enlaces químicos en función de sudureza o estabilidad.
El enlace covalente es el enlace químico por excelencia, y hace posiblela enorme diversidad molecular que integra la materia viva. Este enlacetiene lugar por la compartición de electrones entre dos átomos. Lasmoléculas así formadas no pierden estabilidad en el ambiente acuosopropio de toda célula.
Enlaces químicos que unen las biomoléculasPAU
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Los enlaces C-C o los enlaces entre elC y el O, H y N son covalentes, asícomo los que unen el O y el H en lamolécula de agua. Igualmente, losenlaces O-glucosídicos y peptídicosque unen los monosacáridos,aminoácidos y nucleótidos soncovalentes.
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El enlace iónico se forma entre átomos que exhiben carga positiva porhaber perdido electrones (cationes) y átomos que exhiben carga negativaporque los han ganado (aniones). Los átomos se mantienen unidosdebido a las fuerzas de atracción electrostática entre cargas opuestas.
Enlaces químicos que unen las biomoléculasPAU
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Este tipo de unión no seencuentra entre los átomosque predominan en lacomposición de los seresvivos (CHONPS), pero sonmuy importantes desde elpunto de vista biológico,dado que posibilitan que lasproteínas adquieran suestructura o el grado decompactación de lacromatina.
Entre los enlaces débiles, destaca elenlace o puente de hidrógeno,que a pesar de su debilidad es deextraordinaria importancia en laestructura química de la materia viva.
Este enlace se forma cuando el H seune covalentemente a un átomo muyelectronegativo, de manera que elpar de electrones compartidos sesitúan lejos del H, quedando éste conuna carga parcial positiva y el otroátomo con una parcial negativa.
Enlaces químicos que unen las biomoléculasPAU
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La carga positiva del H es atraída por la negativa de otra molécula, demanera que el H queda formando un puente entre dos moléculas.
Esta atracción es muy débil, pero si son muchas las regiones de las dosmoléculas atraídas, pueden quedar establemente unidas; es el caso de ladoble hélice de ADN, proteínas o las moléculas de agua.
Las fuerzas de Van der Waals, son atracciones eléctricas débilesentre diferentes átomos, resultado de las fuerzas atractivas y repulsivasque se establecen al acercarse los átomos, de manera que existe unadistancia en que la atracción es máxima.
Enlaces químicos que unen las biomoléculasPAU
Estas fuerzas se deben a que cadaátomo posee una nube electrónicaque puede fluctuar, creando deesta manera dipolos temporales.
Estos dipolos transitorios provocanuna atracción electrostática débil:las fuerzas de Van der Waals.
Estas atracciones de Van derWaals, aunque transitorias ydébiles son un componenteimportante en la estructura de lasproteínas porque su número esimportante.
Las interacciones hidrofóbicas se dan entre las regiones no polares demoléculas, que suelen disponerse en el interior de la misma evitando deesta manera las interacciones con el agua.
Enlaces químicos que unen las biomoléculasPAU
Este tipo de fuerzas hidrofóbicasintervienen en el correctoplegamiento de las proteínas,donde las uniones hidrofóbicassuelen darse en el interior,corazón hidrofóbico de laproteína, donde la mayoría decadenas laterales puedeasociarse estrechamente y seencuentran protegidas de lasinteracciones con el disolvente.
