Composición química de los sistemas vivos
Los seres vivos al igual que todo en el universo son materia y energía y los materiales de los que están constituidos son elementos químicos. A pesar de que existen casi 100 elementos en el entorno, la materia viva utiliza entre 20 y 25, los cuales, por cierto, son los más abundantes en la Tierra y su atmósfera: C, N, O, H, Ca, P, K, S, Na, Cl, Cu, Mn, Mg, Co, Zn, etc., de esta forma, la vida no depende de “elementos especiales” sino de las complejas relaciones que se establecen entre estos elementos, los más comunes y abundantes.
El carbono es uno de los elementos de la tabla periódica que es capaz de formar compuestos con la mayor parte del resto de los elementos; por sus características el carbono se constituye en uno de los elementos que mayor número y variedad de compuestos puede formar, es probable que ésta sea una de las razones por las que el carbono es el centro de nuestra química, la de los seres vivos.
El carbono además, además presenta un orbital híbrido que permite establecer enlaces covalentes muy estables y sus átomos son capaces de combinarse entre sí para formar cadenas y anillos, esta característica debe haber sido crítica en la historia de la materia viviente. De todos los posibles compuestos de carbono, sin duda, son esenciales para la vida estas cinco variedades:
Carbohidratos (especialmente los de 5 carbonos y 6 carbonos)
Glicerol (3 carbonos y un grupo hidroxilo - OH)
Ácidos grasos (cadenas de carbono con terminación carboxilo -COOH)
Aminoácidos (cadena de carbono con un grupo carboxilo –COOH y un grupo amino –NH2)
Bases nitrogenadas (estructura de un anillo = pirimidinas y dos anillos = púricas).
Estas formas relativamente simples, combinables e interconvertibles de compuestos de carbono se consideran los bloques formadores de biomoléculas, es decir, todos aquellos compuestos que tienen una función específica en la estructura y el metabolismo de los seres vivos. La formación y procesamiento de estas biomoléculas es el resultado de cinco reacciones básicas: transferencia de grupos funcionales, transferencia de electrones (óxido - reducción), reordenamiento molecular, condensación o deshidratación (unión de dos moléculas con el desprendimiento de una molécula de agua) y escisión o rompimiento hidrólisis).
Las biomoléculas pueden clasificarse en dos grupos:
Con base de carbono u orgánicos: carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y vitaminas
Los compuestos inorgánicos: agua, sales minerales y iones metálicos
Moléculas orgánicas y su importancia biológica
CARBOHIDRATOS
Los carbohidratos simples son compuestos de carbono derivados de alcoholes polivalentes que contienen en su estructura grupos aldehídicos (aldosas) o cetónicos (cetosas), son también llamados glúcidos o sacáridos, y son solubles en agua porque pueden formar puentes de hidrógeno entre sus grupos hidroxilo y el hidrógeno del agua, sin embargo, conforme se alargan las cadenas al unirse un mayor número de monómeros la solubilidad se pierde al presentarse cadenas cada vez más largas de hidrocarburos.
Puede haber muchos tipos de carbohidratos dependiendo del número de átomos de carbono que incluyan, a partir de tres; pero el carbohidrato más conocido y utilizado por las células, la glucosa, así como sus formas isoméricas como la fructuosa y la galactosa, son los principales monómeros o unidades que al unirse mediante enlaces glucosídicos, pueden dar origen a un número mayor y más diverso de carbohidratos.
Las biomoléculas pueden clasificarse en dos grupos:
Con base de carbono u orgánicos: carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y vitaminas
Los compuestos inorgánicos: agua, sales minerales y iones metálicos
Moléculas orgánicas y su importancia biológica
CARBOHIDRATOS
Los carbohidratos simples son compuestos de carbono derivados de alcoholes polivalentes que contienen en su estructura grupos aldehídicos (aldosas) o cetónicos (cetosas), son también llamados glúcidos o sacáridos, y son solubles en agua porque pueden formar puentes de hidrógeno entre sus grupos hidroxilo y el hidrógeno del agua, sin embargo, conforme se alargan las cadenas al unirse un mayor número de monómeros la solubilidad se pierde al presentarse cadenas cada vez más largas de hidrocarburos.
Puede haber muchos tipos de carbohidratos dependiendo del número de átomos de carbono que incluyan, a partir de tres; pero el carbohidrato más conocido y utilizado por las células, la glucosa, así como sus formas isoméricas como la fructuosa y la galactosa, son los principales monómeros o unidades que al unirse mediante enlaces glucosídicos, pueden dar origen a un número mayor y más diverso de carbohidratos.
Además del grupo funcional que incluyan (aldosas o cetosas), una forma de clasificar a los carbohidratos puede ser de acuerdo al número de monómeros que los constituyen, y esto inclusive se relaciona con su función biológica:
Monosacáridos (1): glucosa, fructuosa, galactosa, ribosa.
Oligosacáridos (2-9) : maltosa, lactosa.
Polisacáridos (3 o millones): almidón, glucógeno, celulosa, con estructuras lineales, enrollables y ramificadas.
En cuanto a sus funciones e importancia biológica podemos resumir que:
Monosacáridos
fuente de energía a corto plazo (hexosas: glucosa, fructuosa) y.
formadores de ácidos nucleicos y de ATP (pentosas: ribosa y desoxirribosa).
Oligosacáridos
Receptores de señales en membranas celulares, combinados con proteínas formando glucoproteínas
Parte de la respuesta inmune natural, formando mucosacáridos
Polisacáridos
Materiales de reserva (almidón, glucógeno).
Formadoras de estructuras (celulosa, quitina).
LÍPIDOS
Se trata de un grupo muy diverso de compuestos de carbono con una proporción menor de oxígeno que los carbohidratos y cuyas largas cadenas de hidrocarburos los hace insolubles en agua, pero pueden disolverse en solventes orgánicos o no polares.
El primer tipo de lípidos, los glicéridos, se forma con ácidos grasos y glicerol, del tamaño de la cadena del ácido graso depende si el resultado es un aceite o una grasa; el segundo tipo de lípidos son las denominadas grasas derivadas, porque en ellos se incorporan otros elementos como en los fosfolípidos y los cerebrósidos, de este grupo también es posible distinguir los esteroles y sus derivados, con grupos funcionales muy diversos pero que tienen en común una estructura un conjunto de cuatro anillos de carbonos fusionados, de éstos el más común es el colesterol que puede ser transformado en hormonas esteroides, vitaminas y sales biliares; el último tipo de lípidos biológicamente importantes son las ceras, que se forman de ácidos grasos fuertemente empacados y unidos a alcoholes de cadena larga o anillos de carbono, esta estructura les da una consistencia firme y los hace repelentes al agua.
En general las funciones biológicas de los lípidos pueden resumirse:
Reserva de energía a mediano plazo que reditúan el doble que los glúcidos (lecitina, ácido oleico).
Formadores de la membrana celular (fosfolípidos y colesterol).
Se trata de un grupo muy diverso de compuestos de carbono con una proporción menor de oxígeno que los carbohidratos y cuyas largas cadenas de hidrocarburos los hace insolubles en agua, pero pueden disolverse en solventes orgánicos o no polares.
El primer tipo de lípidos, los glicéridos, se forma con ácidos grasos y glicerol, del tamaño de la cadena del ácido graso depende si el resultado es un aceite o una grasa; el segundo tipo de lípidos son las denominadas grasas derivadas, porque en ellos se incorporan otros elementos como en los fosfolípidos y los cerebrósidos, de este grupo también es posible distinguir los esteroles y sus derivados, con grupos funcionales muy diversos pero que tienen en común una estructura un conjunto de cuatro anillos de carbonos fusionados, de éstos el más común es el colesterol que puede ser transformado en hormonas esteroides, vitaminas y sales biliares; el último tipo de lípidos biológicamente importantes son las ceras, que se forman de ácidos grasos fuertemente empacados y unidos a alcoholes de cadena larga o anillos de carbono, esta estructura les da una consistencia firme y los hace repelentes al agua.
En general las funciones biológicas de los lípidos pueden resumirse:
Reserva de energía a mediano plazo que reditúan el doble que los glúcidos (lecitina, ácido oleico).
Formadores de la membrana celular (fosfolípidos y colesterol).
Protección contra cambios de temperatura (grasa corporal).
Reguladores del metabolismo (algunas hormonas como las esteroides y las vitaminas A, D, E).
Son formadores de pigmentos fotosintéticos.
Protección de fibras nerviosas y eficiencia en transmisión del impulso nervioso (mielina).
Formadores de estructuras como las cutículas de plantas, panales de abejas.
Aislante del agua, evitando que se mojen las plumas de las aves.
PROTEÍNAS
Se denominan también polipéptidos, se trata de un tipo de co-polímero formado por largas cadenas de distintos aminoácidos, por tanto se trata de compuestos de C, H, O, N y S, esencialmente y que tienen en su estructura básica un grupo amino -NH2 y un carboxilo –COOH y que se unen por medio de enlaces peptídicos, un enlace formado por el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del otro.
Los sistemas vivos utilizamos básicamente los mismos 20 aminoácidos que combinados pueden construir una gama muy diversa de proteínas. Organismos como bacterias y plantas pueden abastecerse de todos estos aminoácidos mediante rutas metabólicas de síntesis, sin embargo, otros organismos, entre los sobresalen los mamíferos y en particular el humano tienen la necesidad de tomar algunos de estos aminoácidos en su dieta, ante la imposibilidad de sintetizarlos. A estos aminoácidos que bajo el modelo humano deben ser parte de la dieta, se les denomina indispensables y son: triptófano, fenilalanina, lisina, valina, treonina, metionina, leucina, isoleucina; se incluye la arginina porque se sintetiza en muy poca cantidad.
Reguladores del metabolismo (algunas hormonas como las esteroides y las vitaminas A, D, E).
Son formadores de pigmentos fotosintéticos.
Protección de fibras nerviosas y eficiencia en transmisión del impulso nervioso (mielina).
Formadores de estructuras como las cutículas de plantas, panales de abejas.
Aislante del agua, evitando que se mojen las plumas de las aves.
PROTEÍNAS
Se denominan también polipéptidos, se trata de un tipo de co-polímero formado por largas cadenas de distintos aminoácidos, por tanto se trata de compuestos de C, H, O, N y S, esencialmente y que tienen en su estructura básica un grupo amino -NH2 y un carboxilo –COOH y que se unen por medio de enlaces peptídicos, un enlace formado por el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del otro.
Los sistemas vivos utilizamos básicamente los mismos 20 aminoácidos que combinados pueden construir una gama muy diversa de proteínas. Organismos como bacterias y plantas pueden abastecerse de todos estos aminoácidos mediante rutas metabólicas de síntesis, sin embargo, otros organismos, entre los sobresalen los mamíferos y en particular el humano tienen la necesidad de tomar algunos de estos aminoácidos en su dieta, ante la imposibilidad de sintetizarlos. A estos aminoácidos que bajo el modelo humano deben ser parte de la dieta, se les denomina indispensables y son: triptófano, fenilalanina, lisina, valina, treonina, metionina, leucina, isoleucina; se incluye la arginina porque se sintetiza en muy poca cantidad.
La característica fundamental de las proteínas es que pueden presentar distintos niveles en su estructura: primaria (secuencia de aminoácidos), secundaria (dobleces por formación de puentes de hidrógeno y disulfuro entre los aminoácidos para originar alfa hélices o láminas plegadas), terciaria (por interacciones hidrofóbicas o hidrofílicas de los aminoácidos, para originar estructuras de globular, fibrosa,) y cuaternaria (cuando se unen varias subunidades). Aunque puede haber proteínas muy pequeñas, suelen ser moléculas muy complejas y de alto peso molecular.
Independientemente de su nivel estructural, todas las proteínas tienen un extremo llamado N-terminus, que indica el aminoácido inicial y un C-terminus, que indica el aminoácido final, que determina la posición y orientación de las proteínas en la membrana, los sitios que serán modificados durante la maduración, etc.
Su compleja estructura, sobre todo desde el nivel terciario establece en las proteínas la presencia de dominios o regiones que por el tipo de aminoácidos que incluye, toman una conformación particular y por tanto, una función particular, como unirse a la membrana, reconocer a otra proteína, hacer catálisis, entre otras. Si estos sitios tienen una estructura que nos habla de su función, entonces tendremos que pensar, y de hecho, así es en la realidad, que las proteínas con funciones similares tendrán partes de su estructura semejante o al menos equivalente, los motivos, que son secuencias de aminoácidos que reproducen una forma característica y muy probablemente una misma función, estas estructuras, hoy en día se utilizan para estudiar proteínas desconocidas, con base en las ya conocidas.
Respecto a sus funciones biológicas podemos señalar:
Reguladores metabólicos (hormonas como: insulina, oxitocina, prolactina y enzimas como: lipasa pancreática, amilasa salival).
Formadores de estructuras celulares como el citoesqueleto y las distintas maquinarias celulares que de el derivan: los microtúbulos, el aparato mitótico y los microfilamentos (actina, miosina, tubulina).
Permiten el movimiento, formando desde el citoesqueleto y flagelos hasta fibras musculares, (miosina, miosina cardiaca, colágeno, osteína),
Son reserva de energía en casos extremos (músculo: miosina).
Participan en la respuesta inmune (inmunoglobulinas).
identificadores celulares (proteínas receptoras de membrana).
Transportadoras: llevan a cabo el transporte activo en membrana: transportasas; de gases: hemoglobina; de electrones: citocromo C, ferredoxina.
Reguladores metabólicos (hormonas como: insulina, oxitocina, prolactina y enzimas como: lipasa pancreática, amilasa salival).
Formadores de estructuras celulares como el citoesqueleto y las distintas maquinarias celulares que de el derivan: los microtúbulos, el aparato mitótico y los microfilamentos (actina, miosina, tubulina).
Permiten el movimiento, formando desde el citoesqueleto y flagelos hasta fibras musculares, (miosina, miosina cardiaca, colágeno, osteína),
Son reserva de energía en casos extremos (músculo: miosina).
Participan en la respuesta inmune (inmunoglobulinas).
identificadores celulares (proteínas receptoras de membrana).
Transportadoras: llevan a cabo el transporte activo en membrana: transportasas; de gases: hemoglobina; de electrones: citocromo C, ferredoxina.
ÁCIDOS NUCLEICOS
Se trata de polímeros de nucleótidos (base nitrogenada + pentosa + fosfato), unidos por enlaces fosfodiéster, de peso molecular y estructura variable, se conocen básicamente dos tipos de ácidos nucleicos: el DNA y el RNA, cuyas diferencias estructurales fundamentales residen en el tipo de azúcar (pentosas) que forma cada uno de sus nucleótidos, para el DNA el azúcar es desoxirribosa y para el RNA es ribosa y en las bases nitrogenadas que los forman, en el primer caso, el DNA, contiene Adenina, Guanina Citosina, Timina; mientras que en la construcción del RNA se utiliza: Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo.
Se trata de polímeros de nucleótidos (base nitrogenada + pentosa + fosfato), unidos por enlaces fosfodiéster, de peso molecular y estructura variable, se conocen básicamente dos tipos de ácidos nucleicos: el DNA y el RNA, cuyas diferencias estructurales fundamentales residen en el tipo de azúcar (pentosas) que forma cada uno de sus nucleótidos, para el DNA el azúcar es desoxirribosa y para el RNA es ribosa y en las bases nitrogenadas que los forman, en el primer caso, el DNA, contiene Adenina, Guanina Citosina, Timina; mientras que en la construcción del RNA se utiliza: Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo.
En cuanto a su estructura y funciones el DNA suele formar largas cadenas dobles de nucléotidos, que sirven de almacenamiento de la información genética de cada célula, mientras que el RNA presenta variantes en su estructura desde una cadena sencilla (RNA mensajero), una cadena que se pliega en algunas regiones originando una estructura de estructura secundaria (RNA de transferencia) o bien una estructura tridimensional combinada con proteínas para formar ribosomas (RNA ribosomal); estos tres tipos de RNA se encargan de transcribir y traducir la información codificada por el DNA. Sus funciones biológicas: herencia, control celular y evolución.
Transcripción y traducción
VITAMINAS
Son compuestos orgánicos, de naturaleza y estructura diversa, pueden ser hidrosolubles y liposolubles, se requieren en pequeñas cantidades y la mayoría de ellas deben se ingeridas en la dieta como la molécula o como su precursor. Entre sus funciones biológicas puede mencionarse su importancia como:
Activadores de vías metabólicas con actividad de coenzimas: NAD, FAD, NADP, todas ellas derivados de las vitaminas del complejo B.
Antioxidantes: vitaminas C, A, D, E.
Moléculas inorgánicas y su papel biológico
AGUA
Esta molécula inorgánica constituye alrededor del 70% de la célula, sus moléculas no sólo fueron el soporte en donde se originó la vida, sino que sin lugar a dudas participaron activamente en las reacciones que formaron los agregados de moléculas orgánicas cada vez más complejas, entre sus funciones biológicas se pueden mencionar:
Es el disolvente universal y constituye el principal componente del citoplasma, constituyendo la matriz acuosa en donde se llevan a cabo todos los procesos metabólicos, pues es requisito que dos sustancias estén disueltas en el mismo medio para interaccionar.
Proporciona a las biomoléculas sus propiedades biológicas, mediante su interacción
Aporte de nutrientes y eliminación de desechos, todos se llevan a cabo por sistemas acuosos.
Esqueleto hidrostático, que mantiene la turgencia de las células.
La fuerza de cohesión de sus moléculas permite el fenómeno de la capilaridad, fundamental en el transporte de líquidos en estructuras de gran tamaño (árboles).
Su alto calor específico la convierte en un amortiguador térmico, para protección de las moléculas termolábiles.
Donadora de hidrógenos en el metabolismo energético.
Participa en reacciones de hidrólisis enzimáticas, en la ruptura de ciertos enlaces para degradar compuestos orgánicos (digestión).
SALES MINERALES
Se trata de moléculas inorgánicas, esto es, sales ácidas o básicas, como fosfatos, carbonatos, nitratos, sulfatos, que en general de disuelven en el agua, formando iones, entre sus funciones biológicas podemos mencionar:
Mantienen el equilibrio osmótico de la célula.
Participan en el control del potencial de membrana, manteniendo una diferencia de cargas entre el interior y el exterior de la célula.
Algunos iones participan en la contracción muscular y en la transmisión del impulso nervioso (Cl-, Na+, Ca++, K+).
IONES METÁLICOS
Se trata de formas iónicas de elementos que son requeridos en cantidades muy pequeñas, por lo que dentro de la dieta se consideran como micronutrientes, sin embargo, su papel biológico es de fundamental importancia porque:
Actúan como cofactores, similar a las coenzimas es decir, activan vías metabólicas (Fe, Zn, Mg).
Constituyen los núcleos prostéticos de las proteínas transportadoras de electrones en cadena respiratoria y en la fotosíntesis (Fe, Co, Cu).
Forman parte de los pigmentos fotosensibles y fotosintéticos (Mg, Fe).
Su alto calor específico la convierte en un amortiguador térmico, para protección de las moléculas termolábiles.
Donadora de hidrógenos en el metabolismo energético.
Participa en reacciones de hidrólisis enzimáticas, en la ruptura de ciertos enlaces para degradar compuestos orgánicos (digestión).
SALES MINERALES
Se trata de moléculas inorgánicas, esto es, sales ácidas o básicas, como fosfatos, carbonatos, nitratos, sulfatos, que en general de disuelven en el agua, formando iones, entre sus funciones biológicas podemos mencionar:
Mantienen el equilibrio osmótico de la célula.
Participan en el control del potencial de membrana, manteniendo una diferencia de cargas entre el interior y el exterior de la célula.
Algunos iones participan en la contracción muscular y en la transmisión del impulso nervioso (Cl-, Na+, Ca++, K+).
IONES METÁLICOS
Se trata de formas iónicas de elementos que son requeridos en cantidades muy pequeñas, por lo que dentro de la dieta se consideran como micronutrientes, sin embargo, su papel biológico es de fundamental importancia porque:
Actúan como cofactores, similar a las coenzimas es decir, activan vías metabólicas (Fe, Zn, Mg).
Constituyen los núcleos prostéticos de las proteínas transportadoras de electrones en cadena respiratoria y en la fotosíntesis (Fe, Co, Cu).
Forman parte de los pigmentos fotosensibles y fotosintéticos (Mg, Fe).
Grupo hem
