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TEMA 1: LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DE
LA MATERIA VIVA
1. BIOELEMENTOS La materia viva presenta unas características y propiedades distintas a las de la materia inerte. Estas
características y propiedades encuentran su origen en los átomos conforman la materia viva: los llamados
bioelementos.
La composición química de los seres vivos se encuentra presente solamente una parte, relativamente
pequeña, de los elementos químicos de la naturaleza; sin embargo, la frecuencia de los mismos en la materia
viva es muy diferente, clasificándolos en primarios, secundarios y oligoelementos.
BIOELEMENTOS % EN LA MATERIA VIVA ÁTOMOS
Primarios 96% C, H, O, N, P, S
Secundarios 3,9% Ca, Na, K, Cl, Mg, Fe
Oligoelementos 0,1% I, Cu, Zn, Mn, Co, Mo, Ni, Si.
1.1. BIOELEMNTOS PRIMARIOS
Representan el 96% de la materia de los seres vivos. El carbono (C) forma las estructuras básicas de
todas las moléculas orgánicas. Puede formar enlaces simples, dobles y triples, originando estructuras
tridimensionales de vital importancia para los seres vivos. El hidrógeno (H) y el oxígeno (O) aparecen en
todas las moléculas, siendo, además, los componentes de la molécula de agua, sustancia de vital importancia
en los seres vivos. El nitrógeno (N) interviene en la formación de aminoácidos, componentes de las proteínas,
composición del ADN, ARN, en lípidos y en las sales de fosfato de los huesos. El azufre (S) se encuentra en
algunos aminoácidos constituyentes de las proteínas.
1.2. BIOELEMENTOS SECUNDARIOS
Son elementos que se encuentran en menos proporción en los seres vivos, se presentan en forma iónica.
El calcio (Ca), forma estructuras como conchas, caparazones y huesos, siendo necesarios también en el
proceso de contracción muscular. El sodio (Na), potasio (K) y cloro (Cl), mantienen la salinidad de los
medios internos y permiten el impulso nervioso. El magnesio (Mg) forma parte de la estructura de la molécula
de clorofila y el hierro (Fe) forma parte de la estructura de proteínas como la hemoglobina.
1.3. OLIGOELEMENTOS
Los oligoelementos aparecen en muy baja proporción en la materia viva. Algunos de ellos solo en
determinados tipos de organismos.
2. BIOMOLÉCULAS Las biomoléculas son las moléculas que forman parte de los seres vivos, también llamadas principios
inmediatos. Pueden ser inorgánicas, si pueden formar parte de los seres inertes, y orgánicas, si solo se
encuentran en los seres vivos.
2.1. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS
Son el agua y las sales minerales, además de gases como el dióxido de carbono (CO2) y el oxígeno (O2)
2.1.1. El agua
El agua es el compuesto químico más abundante de los seres vivos, donde se renueva sin cesar, de tal
forma que existe un continuo aporte y eliminación de la misma, permaneciendo prácticamente constante la
cantidad de agua en cada ser vivo.
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La molécula de agua posee unas propiedades físicas y químicas que van a permitir unas funciones
indispensables para los seres vivos, poseyendo un gran número de funciones dentro de los mismos y
generándose como consecuencia de determinadas reacciones metabólicas.
ESTRUCTURA
La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por medio de dos
enlaces covalentes. El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones
de enlace. El resultado que la molécula de
agua, aunque tiene una carga total neutra,
presenta una distribución asimétrica de sus
electrones, lo que la convierte en una molécula
polar. Alrededor del oxígeno se concentra una
densidad de carga negativa, mientras que los
núcleos de hidrógeno quedan desprovistos
parcialmente de electrones y manifiestan, por lo tanto, una densidad de carga positiva. Por eso en la práctica
la molécula de agua se comporta como un dipolo.
Esta estructura permite que se establezcan interacciones dipolo-dipolo entres las propias moléculas de
agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno; la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula
ejerce atracción electrostática sobre las
cargas parciales positivas de los átomos
de hidrógeno de otras moléculas
adyacentes. Estas uniones, aunque
débiles, permiten a las moléculas de
agua formar una especie de red
responsable de alguna de sus
propiedades.
PROPIEDADES
El agua tiene propiedades especiales, derivadas de su singular estructura. Estas propiedades son:
➢ ALTO CALOR ESPECÍFICO: Para aumentar la temperatura del agua un grado centígrado es necesario
comunicarle mucha energía para poder romper los puentes de Hidrógeno que se generan entre las
moléculas.
➢ ALTA COHESIÓN. Las moléculas de agua están muy cohesionadas por la acción de los puentes de
hidrógeno. Esto produce una película de agua en la zona de contacto del agua con el aire (tensión
superficial) y permite al agua ascender por las paredes de un capilar.
➢ FORMACIÓN DE DIPOLOS. Como ya se ha mencionado, la mayor parte de las moléculas de agua
forman un dipolo, con un diferencial de carga negativa y un diferencial de cargas positiva.
➢ DENSIDAD DEL AGUA. En estado líquido el agua es más densa que en estado sólido, por ello, el
hielo flota en agua. Esto ocurre por la forma de cristalizar las moléculas que ocupan más volumen.
Muchas de estas propiedades se aprovechan en algunas de las funciones únicas de los seres vivos:
▪ Disolvente polar universal: el agua, al formar dipolos, es el mejor disolvente para todas aquellas
moléculas polares; sin embargo, las moléculas apolares no se disuelven en agua.
▪ Amplio intervalo de temperaturas en las que el agua permanece en estado líquido: el medio
líquido es donde se realizan las reacciones químicas características de los seres vivos.
▪ Función de transporte: por ser un buen disolvente, y por poder ascender por las paredes de un capilar,
por su elevada cohesión, los seres vivos utilizan el agua como medio de transporte por su interior.
▪ Función estructural: por su elevada cohesión, el agua confiere estructura, volumen y resistencia a las
células de los tejidos.
▪ Función termorreguladora: el alto calor específico y el elevado calor de vaporización, hace que el
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agua es el material ideal para mantener constante la temperatura, absorbiendo el exceso de calor o
cediendo energía si es necesario.
2.1.2. Sales minerales
Las sales minerales son biomoléculas inorgánicas que aparecen en los seres vivos de forma precipitada,
disuelta en forma de iones o asociada a otras moléculas.
➢ PRECIPITADOS: las sales en forma precipitada forman estructuras duras, que proporcionan
protección al organismo que las posee, el caso de las conchas, los caparazones o los esqueletos.
➢ DISUELTAS: Las sales disueltas en agua manifiestan cargas positivas o negativas. Los cationes
(positivas) son los más abundantes (sodio, potasio, calcio, magnesio…) Los aniones (negativos) son
el cloruro, fosfato, carbonato. Las sales disueltas tienen distintas funciones:
o Regulan la salinidad en el medio interno de los
organismos. Si tenemos dos disoluciones acuosas de
distinta concentración separadas por una membrana
semipermeable, dicha membrana deja pasar el
disolvente (agua) pero no el soluto (sal),
produciéndose un fenómeno llamado ósmosis. Es un
proceso de difusión pasiva donde el agua pasa de la
disolución más diluida (hipotónica) a la más
concentrada (hipertónica), atravesando la membrana
semipermeable; esto continuará hasta que las dos
soluciones tengan la misma concentración
(isotónicas). Las sales disueltas, por lo tanto,
provocan el movimiento de agua en el medio interno.
Como veremos más adelante, las células poseen membranas semipermeables, permiten el paso
de agua, pero no de sales; si la célula se encuentra en un medio hipotónico, absorberá agua
hinchándose, pudiendo llegar al extremo de estallar dando origen a la citólisis; en caso
contrario (medio hipertónico) el agua tiende a salir llevando a la deshidratación celular, en caso
extremos llegar a la muerte celular, proceso denominado crenación. En el caso de las células
vegetales y como consecuencia de la presencia de la pared celular, los procesos se denominan
turgencia (medio externo hipotónico) y plasmólisis (medio hipertónico).
o Amortiguan el pH de las disoluciones. El pH es una medida de la cidez de una disolución. La
presencia de sales hace que las disoluciones tengan un pH más cercano a la neutralidad.
o Acciones específicas de los iones. Los iones pueden asociarse a moléculas, permitiendo
realizar funciones, que no serían posible sin su presencia. Por ejemplo el Fe2+ que se asocia a
la hemoglobina y permite el trensporte de oxígeno, o el Na+ y el K+ que parcipan el la
transmisión del impulso nervioso por las neuronas.
2.2. BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS
Las moléculas orgánicas, atendiendo a la longitud y complejidad de su cadena, se pueden clasificar
como monómeros o polímeros. Los monómeros son moléculas pequeñas, los polímeros son agrupaciones de
monómeros, iguales o distintos, que componen una molécula mayor. Los grupos en los que se clasifican las
biomoléculas orgánicas son: hidratos de carbono o glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
3. HIDRATOS DE CARBONO O CARBOHIDRATOS O GLÚCIDOS Los hidratos de carbono están formados por C, O e H (estos dos últimos en la misma proporción que en el
agua), aunque a veces también se pueden encontrar nitrógeno o fósforo. Comprende los azúcares o sacáridos
y las sustancias directamente derivadas de ellos.
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3.1. CLASIFICACIÓN DE LOS HIDRATOS DE CARBONO.
Los hidratos de carbono se clasifican en osas o monosacáridos y ósidos. Los monosacáridos son azúcares
sencillos, sus moléculas contienen de tres a ocho átomos de carbono, clasificándose a su vez en triosas,
tetrosas, pentosas, hexosas, heptosas y octosas, según tengan 3, 4, 5, 6, 7 y 8 átomos de carbono. Los ósidos
pueden ser a su vez holósidos, unión de varios monosacáridos (disacáridos, trisacárido, polisacáridos), y
heterósidos, unión de monosacáridos y otro tipo de moléculas (glucoproteínas, glucolípidos, etc).
MONOSACÁRIDOS
(osas CnH2nOn)
(a partir de 5 C son
ciclos)
Triosas
Tetrosas
Pentosas
Hexosa
Heptosa
gliceraldehido
ribosa,desoxirribosa
glucosa, fructosa
GLÚCIDOS Holósidos
(unión
monosacáridos)
Oligosacáridos Disacáridos
Trisacáridos
ÓSIDOS Polisacáridos Homopolisacáridos
Heteropolisacáridos
Heterósidos
(monosacáridos
y otras
moléculas)
Glucoproteínas
Glucolípidos
Glúcidos de los AN
3.2.MONOSACÁRIDOS
Los monosacáridos son sustancias blancas, con sabor dulce, cristalizables y solubles en agua. Su
fórmula general es CnH2nOn, donde n puede tomar valores comprendidos entre 3 y 8. Químicamente son
polialcoholes, es decir cadenas de carbono con un grupo –OH en cada
carbono.
Los monosacáridos presentan isomerías, pues dos moléculas con
la misma fórmula presentan características diferentes. Un tipo de isomería
es la funcional, en la que los monosacáridos presentan o bien un grupo
aldehído o un grupo cetona, siendo aldosas y cetosas, respectivamente.
Existen otros tipos de isomería como la
isomería espacial, cuando algún
átomo de carbono está rodeado de cuatro
radicales distintos (carbono asimétrico),
pudiéndose disponerse en el
espacio en distintas posiciones; muchos
monosacáridos poseen carbono
asimétrico, el más alejado del
grupo funcional, en la que el –OH puede
estar a la izquierda o a la derecha, dando
lugar a los isómeros L o D. También los
monosacáridos presentan
isomería óptica que consiste que la
molécula desvía la luz polarizada
a la izquierda (-) o a la derecha (+).
Los monosacáridos más importantes son las triosas, las pentosas y las hexosas. Entre las triosas
destacan el gliceraldehido y la dihidroxiacetona.
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Las principales pentosas son la ribosa (forma
parte del ARN) y la desoxirribosa (del ADN).
También está la ribulosa (cetosa), que desempeña un
papel muy importante en la fotosíntesis.
Las hexosas más importantes son la glucosa, la
galactosa (ambas aldosas) y la fructosa (cetosas). La
glucosa es uno de los monosacáridos más importantes
y abundantes en los seres vivos.
Los monosacáridos de al menos 5 átomos de
carbono se cierran formando una estructura cíclica en
forma de anillo de 5 ó 6 lados (pentágono o hexágono). Esta estructura tridimensional produce dos nuevos
isómeros: α si el grupo –OH del carbono anomérico (carbono en el que se encuentra el grupo aldehído o
cetona) está por debajo del anillo y β se está por encima.
3.3.ÓSIDOS
Los ósidos son glúcidos formados por varios monosacáridos. La unión de monosacáridos se realiza a
través de un enlace especial (enlace glucosídico) que libera una molécula de agua. Los holósidos son ósidos
formados por varios monosacáridos, se clasifican en oligosacáridos y polisacáridos. Los heterósidos son
glúcidos formados por la unión de monosacáridos y moléculas no glucídicas.
3.3.1. Holósidos: oligosacáridos
Los oligosacáridos son glúcidos formados por un número pequeño de monosacáridos, entre 2 y 10. Se
denominan disacáridos, si están compuestos por dos monosacáridos, trisacáridos, si están formados por tres y
así sucesivamente.
Los disacáridos se forman por la unión de dos monosacáridos, mediante un enlace O-glicosídico y con
la producción de una molécula de agua. Esta reacción es reversible, es decir, un disacárido por incorporación
de una molécula de agua (hidrólisis) da lugar a dos moléculas de monosacáridos.
Los disacáridos más importantes son la sacarosa, la lactosa, la maltosa y la celobiosa. La sacarosa o
azúcar común es el azúcar de caña o de la remolacha, está formada por el enlace de una glucosa y de una
fructosa. La lactosa es el azúcar de la leche, está formada por la polimerización de una molécula de glucosa
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y otra de galactosa. La maltosa y la celobiosa, se obtienen por la hidrólisis de dos polisacáridos, el almidón
y la celulosa respectivamente; el primero formada por dos moléculas de α-glucosa y el segundo por dos de β-
glucosa.
Para nombrar un disacárido formado se debe indicar los monosacáridos que lo constituyen y el número
de los carbonos implicados en el enlace, añadiendo α o β en función de cómo sea el primer monosacárido. En
la figura adjunta, dos figuras de glucosa unidas por enlace α 1-4.
Los oligosacáridos con más de dos monosacáridos tienen una función de almacén de información,
encontrándose en el exterior de la célula asociados a lípidos y proteínas.
3.3.2. Holósidos: polisacáridos
Los polisacáridos son polímeros de gran cantidad de monosacáridos unidos por enlace glucosídico, no
son dulces, ni cristalizan, ni tienen poder reductor como los monosacáridos. Su importancia biológica reside
en que pueden servir como reservas energéticas o pueden formar parte de estructuras.
Los homopolisacáridos están compuestos por un mismo monosacáridos repetido multitud de veces.
Los más abundantes en la naturaleza son el almidón, el glucógeno, la celulosa y la quitina.
➢ Almidón: aparece en células vegetales como molécula de reserva energética sintetizado a partir de la
glucosa producida en la fotosíntesis. Son largas cadenas ramificadas y por hidrólisis parcial se obtienen
maltosas y por hidrólisis total glucosas.
➢ Glucógeno: se forma en el hígado de los animales, siendo su molécula de reserva. Es un polímero
formado por cadenas de glucosas ramificadas y por hidrólisis parcial se obtienen maltosas y por total
glucosas.
➢ Celulosa: Es un polisacárido formado por cadenas de glucosas no ramificadas unidas por enlace β. Es
muy típico de paredes celulares vegetales, dando resistencia y dureza a las mismas. Forma fibras
complejas y resistentes mediante puentes de hidrógeno.
➢ Quitina: Es un polisacárido con función estructural. Son cadenas no ramificadas de N-
acetilglucosamina, con enlaces β 1-4. Aparece en los exoesqueletos de artrópodos, ya que ofrece gran
resistencia y dureza. Forma parte también de la pared celular de los hongos.
Los heteropolisacáridos están formados por la unión de
diferentes tipos de monosacárido. Un ejemplo es el ácido hialurónico,
sustancia de gran viscosidad por lo que actúa como lubricante en las
articulaciones y que contrarresta el envejecimiento en la piel
(formación de arrugas), pues reemplaza el volumen del líquido perdido
e incrementa la producción de colágeno. Está constituido por cadenas
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de disacáridos formados por N-acetilglucosamida y ácido glucurónico (derivados de la glucosa, ver imagen).
3.3.3. Heterósidos
Son moléculas formadas por la unión de carbohidratos con otros componentes distintos. Cabe destacar
las glucoproteínas, que forman parte de las paredes bacterianas, los glucolípidos que forman parte de las
membranas celulares y los nucleótidos constituyentes de los ácidos nucleicos.
3.4. FUNCIONES DE LOS CARBOHIDRATOS
Los hidratos de carbono desempeñan en los seres vivos principalmente dos tipos de funciones:
energética y plástica:
➢ Función energética: La glucosa constituye para los seres vivos la principal fuente energética, su
oxidación durante la respiración celular provee al organismo la energía que necesita para realizar su
actividad vital. El almidón y el glucógeno, al producir glucosa fácilmente por hidrólisis, representan
las principales reservas energéticas vegetales y animales respectivamente, por lo que sirven para
guardar la energía excedente y utilizarla en momentos de necesidad.
➢ Función plástica: La celulosa forma parte de la pared celular vegetal; la quitina es el principal
componente del exoesqueleto de los artrópodos y de la pared de los hongos. La ribosa y la
desoxirribosa forman parte de la estructura de los ácidos nucleicos. Algunos carbohidratos situados en
el exterior celular forman parte de la interacción celular de éstas con otras células o partículas,
sirviendo como señal de reconocimiento en superficie para hormonas, anticuerpos, bacterias u otras
células.
4. LÍPIDOS Los lípidos son biomoléculas orgánicas formadas por C, H, O y en ocasional por P y N. Son un grupo de
biomoléculas con composición, estructura y funciones muy diversas, pero todos tienen en común varias
características:
▪ No se disuelven en agua, formando estructuras denominadas micelas.
▪ Se disuelven en disolventes orgánicos, tales como el cloroformo, benceno, aguarrás o acetona.
▪ Son menos densos que el agua.
4.1. CLASIFICACIÓN DE LOS LÍPIDOS
Los lípidos se clasifican en lípidos saponificables, lípidos no saponificables y ácidos grasos, aunque
realmente estos últimos son componentes de los lípidos saponificables.
ÁCIDOS GRASOS Saturados
Insaturados
SAPONIFICABLES Simples Acilglicéridos
Ceras
LÍPIDOS Complejos Fosfoglicéridos
Esfingolípidos
Glucolípidos
NO
SAPONIFICABLES
Esteroides
Isoprenoides
Prostaglandinas
4.1.1. Ácidos grasos
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Los ácidos grasos se encuentran en
grandes cantidades formando parte de la
estructura de los lípidos saponificables, sin
embargo, en estado libre se encuentran solo
en cantidades mínimas.
Están formado por una larga cadena
hidrocarbonada terminada en un grupo
carboxilo terminal (-COOH) y una larga
cadena hidrocarbonada con un número par de
átomos de carbono, entre 12 y 22. Por ello los
ácidos grasos son anfipáticos, ya que tienen
una cabeza polar (grupo –COOH) y una
cadena apolar
Se pueden clasificar en función del nivel
de saturación de sus carbonos: si todos están
saturados de hidrógeno, es decir, todo el
esqueleto está formado por enlaces simples, reciben el nombre de ácidos grasos saturados; si no lo están, es
decir, existen insaturaciones (dobles enlaces C=C), se clasifican como insaturados, pudiendo ser
monoinsaturados, si solo tienen un doble enlace, o poliinsaturados, si tienen más de uno.
Las sustancias anfipáticas, forman en medio acuoso micelas, liposomas y bicapas, estructuras donde los
grupos polares se exponen al medio
acuoso y los apolares se juntan en el
interior. Un hecho importantísimo en
la formación de estructuras de los
seres vivos.
Los ácidos grasos pueden sufrir
una serie de reacciones
características, por ejemplo la
esterificación, que es la unión de su
grupo carboxilo (-COOH) con un
grupo alcohol (-OH) y la de
saponificación proceso inverso, pues
reaccionan con bases y forman
jabones (sales de ácido grasos).
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4.1.2. Lípidos saponificables
Son moléculas que surgen de la esterificación de la glicerina con ácidos grasos y otras moléculas. En
función de la molécula con la que se produzca la esterificación tendremos los distintos tipos de lípidos
saponificables.
➢ ACILGLICÉRIDOS. Resultan de la unión de la glicerina con ácidos grasos, dependiendo del número
de éstos que tengan son mono, bi o triglicéridos. Si todos son iguales se dice que son acilglicéridos
simples, y si no mixtos. Si los ácidos grasos son saturados se forman molécula sólidas a temperatura
ambiente llamadas sebos o mantecas, y cuando llevan ácidos grasos insaturados se forman moléculas
líquidas o aceites. Son saponificables, obteniéndose jabones y glicerina. En los seres vivos realizan
funciones de reserva energética, protección y aislante térmico. Como sustancias de reserva poseen el
doble de energía almacenada que los azúcares con el mismo volumen.
➢ CERAS. Son ésteres de ácido graso con un alcohol
(-OH) de cadena larga con un único grupo alcohol.
Los extremos de la molécula de la cera son
hidrófobos, lo que las hace muy insolubles en agua,
por lo que su función es la impermeabilización de
superficies como la piel, plumas, frutos, hojas…
➢ FOSFOGLICÉRIDOS. Son otro tipo de lípidos
saponificables. Los fosfolípidos resultan de la
unión de un ácido fosfórico a un diacilglicerol
(glicerina unida a dos ácidos grasos). Son moléculas
anfipáticas (un extremo hidrófobo y otro hidrófilo) lo
que los hace idóneos para formar membranas celulares
formando bicapas. Existe otro tipo de fosfoglicérido,
son los fosfoaminolípidos, donde además de la
glicerina, los dos ácidos grasos y el ácido fosfórico hay
un una molécula de aminoalcohol que se une al fosfato.
➢ ESFINGOLÍPIDOS Y GLUCOLÍPIDOS. Los
primeros tienen una molécula llamada esfingosina y los segundos tienen glúcidos en su estructura.
4.1.3. Lípidos no saponificables
Los lípidos no saponificables se
clasifican en: esteroides, isoprenoides o
terpenos y prostaglandinas
▪ ESTEROIDES. Derivados de una
estructura llamada esterano. En este
grupo se encuentra la molécula de
colesterol, la vitamina D, algunas
hormonas y las sales biliares.
▪ ISOPRENOIDES O TERPENOS.
Son derivados del isopreno (2-metil-1,3-butadieno), entre ellos se encuentran algunos pigmentos y
esencias vegetales y las vitaminas A, E y K.
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▪ PROSTAGLANDINAS. Son un conjunto de sustancias de
carácter lipídico derivadas de los ácidos grasos de 20 átomos de
carbono (eicosanoides) y que contiene un anillo de ciclopentano.
Actúan sobre diferentes sistemas del organismo (sistema nervioso,
músculo liso, sangre) con acción reguladora sobre diferentes
funciones: presión sanguínea, coagulación, inflamación, etc.
4.2. FUNCIONES DE LOS LÍPIDOS
Los lípidos desempeñan en los seres vivos importantes funciones entre los que destacan:
➢ FUNCIÓN ENERGÉTICA. Las grasas representan para los seres vivos una fuente de energía,
recurren a ella cuando no poseen suficientes cantidades de carbohidratos, su oxidación proporciona
mayor cantidad de energía que éstos. El exceso de grasas es almacenado como sustancia de reserva
(semillas, tejido adiposo…)
➢ FUNCIÓN ESTRUCUTRAL. Muchos lípidos como los fosfolípidos, los glucolípidos y esteroides
como el colesterol forman parte de estructuras de los organismos como las membranas biolológicas.
➢ FUNCIÓN PROTECTORA Y AISLANTE. Las ceras, por su consistencia e insolubilidad en agua,
protegen e impermeabilizan hojas, tallos y frutos en las plantas. En los animales, las ceras producidas
en las glándulas sebáceas y conducto auditivo, desempeñan el mismo papel. Las grasa depositadas
bajo la piel de los animales constituyen un importante aislante térmico.
➢ FUNCIÓN DIGESTIVA. Los ácidos biliares producen la emulsión de las grasas posibilitando la
acción de enzimas digestivas para su posterior asimilación por el organismo.
➢ FUNCIÓN REGULADORA. Muchas hormonas y algunas vitaminas son de naturaleza lipídica:
esteroides.
5. PROTEÍNAS
5.1. INTRODUCCIÓN
Las proteínas son biomoléculas orgánicas formadas siempre por átomos de C, H, O y N, pueden llevar,
además, S, P, Fe, Cu y Mg entre otros. Son las biomoléculas que mayor número de funciones realizan. Se
forman por la unión de aminoácidos mediante enlace peptídico. La diversidad de las proteínas se debe tanto
al número y tipo de aminoácidos como al orden de éstos en la cadena, establecidos en último término por el
código genético.
Según el número de aminoácidos se clasifican en:
• Oligopéptidos: si tienen menos de 12 aminoácidos.
• Polipéptidos: si tienen más de 12 y menos de 60 aminoácidos.
• Proteínas: si tienen más de 60 aminoácidos.
Las proteínas son sustancias específicas, es decir, cada especie animal o vegetal sintetiza sus propias
proteínas, diferentes de las de otras especies; incluso dentro de una misma especie hay diferencias
significativas entre las proteínas de sus distintos individuos. Los carbohidratos y los lípidos son sustancias
comunes a todos los seres vivos. Las proteínas pueden ser solubles o no según el tipo de aminoácidos que la
constituyan. La estructura de la proteína depende frecuentemente del pH y de la temperatura de la disolución
en la que se encuentre; cuando cambian estas condiciones, puede cambiar la estructura de la proteína, a este
cambio se le denomina desnaturalización; si el proceso es reversible se llama renaturalización.
5.2. LOS AMINOÁCIDOS
Las proteínas se descomponen por hidrólisis originando sustancias sencillas llamadas aminoácidos,
siendo, por lo tanto, los componentes fundamentales de las proteínas. En la constitución de las proteínas entran
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únicamente veinte aminoácidos diferentes, la diferencia entre las proteínas
existentes estriba en el número de aminoácidos de cada clase que forman la
biomolécula y en el orden en el que se disponen en la misma, de ahí el
elevadísimo número de proteínas diferentes existentes y su especificidad.
Químicamente los aminoácidos se caracterizan por tener un grupo
funcional amino (-NH2) y un grupo carboxilo ácido (-COOH) unidos a un
átomo de carbono, por lo tanto es un carbono asimétrico, por lo que
presentan isomería espacial; todos los aminoácidos proteicos son L. R es un radical que varía según el
aminoácido de que se trate; puede ser lineal o cíclica, contener átomos de S o N, pude presentar otro grupo
amino o carboxilo….
Los aminoácidos son sólidos, cristalinos, con alto punto de fusión, solubles en agua y con comportamiento
anfótero (actúan como ácidos y como bases). Dependiendo del pH del medio (ácido si es bajo, básico si es
alto), los aminoácidos pueden estar ionizados, es decir, presentan carga eléctrica. Según el radical del
aminoácido pueden ser apolares, polares sin carga, polares con carga positiva y polares con carga negativa.
5.3. EL ENLACE PEPTÍDICO
Los péptidos y las proteínas se forman por la
unión de aminoácidos mediante el enlace
peptídico. Es un enlace covalente formado por el
grupo carboxilo de un aminoácido y el amino del
siguiente y con la producción de una molécula de
agua. Es un enlace rígido, haciendo que los
elementos unidos se encuentren en el mismo
plano, lo que condiciona la forma de los péptidos
o proteínas formados por este enlace.
Esta unión se puede repetir indefinidamente
formando tripéptidos, y en general polipéptidos y
proteínas.
Estas cadenas son zigzagueantes presentando
ramificaciones laterales (las correspondientes a
cada aminoácido que la forman); en uno de los extremos de esta cadena hay un grupo amino y en el otro un
grupo carboxilo.
5.4. CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS
Las proteínas, en función de su composición, se clasifican en dos grupos: holoproteínas y heteroproteínas.
Las holoproteínas están constituidas únicamente por aminoácidos; entre las más importantes se
encuentran las albúminas, las globulinas, las escleroproteínas (tejidos de sostén como el colágeno, la
queratina) y las histonas (asociadas a los ácidos nucleicos)
Las heteroproteínas, están formadas por una proteína (grupo proteico) y por una sustancia no proteica
(grupo prostético); según la naturaleza del grupo prostético se clasifican a su vez en glucoproteicos (con un
carbohidrato como la glucosa, como la mucina y las inmunoglobulinas), lipoproteicos (con un ácido graso),
cromoproteicos (el grupo prostético es un pigmento derivado de la porfirina como la hemoglobina, la clorofila
o los citocromos) y los nucleoproteicos (un ácido nucleico).
5.5. ESTRUCUTRA DE LAS PROTEÍNAS
La estructura de una proteína viene determinada por la secuencia de aminoácidos que forman su cadena
polipeptídica y por la disposición de éstas en el espacio. En las proteínas se distinguen cuatro niveles
estructurales que se denominan: estructura primaria, estructura secundaria, estructura terciaria y
estructura cuaternaria.
5.5.1. Estructura primaria
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Es la secuencia de aminoácidos en las cadenas polipeptídicas de una determinada proteína, es decir, qué
aminoácidos la componen y qué orden se encuentran. Los aminoácidos forman una cadena en zigzag, situando
sus radicales a uno y otro lado de la misma.
El análisis de la estructura primaria de un gran número de proteínas ha permitido descubrir el hecho de
que las proteínas con funciones similares tienen una estructura primaria muy parecida; así, por ejemplo, las
hemoglobinas de diferentes especies de animales difieren muy poco en sus estructuras primarias.
5.5.2. Estructura secundaria
Es la distribución espacial de la estructura primaria. Se conocen tres tipos
de estructuras secundarias: la α-hélice, la lámina β y la hélice del colágeno.
En la configuración α-hélice la cadena peptídica se dispone a modo de
tirabuzón debido a la rotación que experimenta el carbono unido al grupo
amino, carboxilo y al radical, de tal manera que quedan enfrentados los
grupos -NH y los –CO de vueltas consecutivas de la hélice, formándose entre
ellos enlaces del tipo puente de hidrógeno que proporcionan estabilidad a la
configuración.
La configuración β está formada
por dos o más cadenas polipeptídicas
dispuestas paralelamente de manera que
los grupos –CO y –NH,
correspondientes a cadenas enfrentados,
estableciéndose entre ellos puentes de
hidrógeno que mantienen unidas las
distintas cadenas que forman esta
estructura. Las cadenas se disponen en un plano plegado en zigzag, por
lo que a esta configuración también se la denomina cadena plegada.
El colágeno tiene una configuración helicoidal especial, se estructura
secundaria la forman tres hélices enrolladas a modo de una cuerda de tres
cabos.
5.5.3. Estructura terciaria
Se presenta cuando la
estructura secundaria sufre plegamientos, a modo de un ovillo apelotonado, originándose una configuración
espacial dependiendo de la estructura de los niveles de organización
inferiores. Puede ser una conformación redondeada y compacta,
adquiriendo un aspecto globular, o puede ser una estructura fibrosa y
alargada. La conformación espacial de la proteína condiciona su
función biológica.
5.5.4. Estructura cuaternaria
Se presenta en proteínas
formadas por dos o más cadenas
polipeptídicas asociadas, como por
ejemplo la hemoglobina, constituida
por la unión de cuatro globinas y
cuatro grupos hemo. Gran número de enlaces débiles como puentes de
hidrógeno, puentes bisulfuro o hidrofóbicos dan estabilidad a la
estructura cuaternaria.
5.5.5. Estructura de algunas proteínas
A continuación, en las figuras siguientes, se muestran las estructuras de proteínas muy conocidas
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(colágeno, insulina y hemoglobina), donde se observa la gran diferencia de estructura entre unas y otras.
5.6. FUNCIONES DE LAS PROTEÍNA
Las proteínas son las sustancias químicas fundamentales de los
seres vivos ya que intervienen activamente en la mayoría de los
procesos vitales. Entre las numerosas funciones que desempeñan
las proteínas en los organismos destacan:
➢ FUNCIÓN ESTRUCTURAL. Las proteínas forman
parte de la gran mayoría de las estructuras de los seres
vivos tanto a nivel celular como a nivel de los tejidos.
Forman estructuras capaces de soportar gran tensión
continuada, como el tendón, el armazón proteico del hueso
o un cartílago. También pueden soportar tensión de forma
intermitente, como la elastina de la piel o el pulmón.
➢ MOVIMIENTO Y CONTRACCIÓN. La actina y la miosina forman estructuras que producen el
movimiento en los músculos de los animales.
➢ TRANSPORTE. Algunas proteínas poseen función trasportadora de algunas sustancias como el
oxígeno, lípidos o electrones. Por ejemplo, la hemoglobina
➢ RESERVA ENERGÉTICA. Proteínas grandes, sirven para acumular y producir energía.
➢ FUNCIÓN HOMEOSTÁTICA. Consiste en regular las constantes del medio interno, tales como el
Ph o cantidad de agua.
➢ FUNCIÓN DEFENSIVA. Las inmunoglobulinas son proteínas producidas por los linfocitos B, e
implicadas en la defensa del organismo.
➢ FUNCIÓN HORMONAL. Existen proteínas que funcionan como mensajeros de señales hormonales,
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generando una respuesta en los órganos blanco.
➢ FUNCIÓN ENZIMÁTICA. Las enzimas funcionan como biocatalizadores, ya que controlan y
aceleran las reacciones metabólicas.
5.7. BIOCATALIZADORES: ENZIMAS Y VITAMINAS
Un catalizador es una sustancia que activa, acelera o retarda una reacción química quedando inalterable al
final de la reacción. Los biocatalizadores regulan y coordinan las funciones que realizan los seres vivos. Entre
ellos se encuentran las enzimas, las hormonas y las vitaminas.
5.7.1. Enzimas
Son biocatalizadores que cada organismo elabora, con una acción concreta (especificidad para una acción
determinada) y que se necesitan en muy poca cantidad para transformar gran cantidad de sustancias,
permaneciendo ellas inalteradas. Son de naturaleza proteica.
Las enzimas actúan sobre unas sustancias que se llaman sustratos, las cuales se convierten en otras
diferentes llamadas denominadas productos. Casi todos los procesos en los seres vivos necesitan enzimas
para que ocurran a una velocidad significativa.
Debido a que las enzimas son extremadamente selectivas con sus sustratos, el conjunto de enzimas en una
célula determina el tipo de metabolismo que tiene. La actividad de las enzimas puede ser afectada por otras
moléculas; los inhibidores enzimáticos son moléculas que disminuyen o impiden la actividad, los activadores
enzimáticos la incrementan. Además, necesitan condiciones determinadas de temperatura, pH y concentración
de enzima y sustrato para su acción.
Muchas enzimas son utilizadas comercialmente e industrialmente para la síntesis de numerosas sustancias,
tales como antibióticos, alimentos o otros fármacos.
La enzima se combina con el sustrato formando un complejo con él mediante una unión específica en un
lugar de la enzima llamado centro
activo; en dicho centro ocurre la
reacción correspondiente en el
sustrato transformándolo en
productos, finalmente la enzima se
separa de ellos volviendo a su estado
natural. El fundamento de la acción
de las enzimas está en que disminuye
la energía necesaria para iniciar las
reacciones.
El nombre de una enzima suele derivarse del sustrato o de la reacción química que cataliza, con la palabra
terminada en -asa. Así tenemos la lactasa, nombre que proviene de su sustrato (lactosa), o la ADN polimerasa,
que polimeriza el ADN formando las hebras. Existe una nomenclatura desarrollada más específica basada en
números denominados números EC. A lo largo del curso veremos diferentes enzimas.
5.7.2. Cofactores
Algunas enzimas no precisan ningún componente adicional para mostrar una actividad total. Sin embargo,
otras requieren la unión de moléculas no proteicas denominadas cofactores para ejercer su actividad. Estos
pueden ser:
• Inorgánicos: como los iones metálicos o complejos ferrosulfurosos
• Orgánicos: pueden ser a su vez grupos prostéticos, que se unen fuertemente a la enzima, o coenzimas,
que se liberan del centro activo de la enzima durante la reacción. El NADH, el ATP (los veremos más
adelante) y las vitaminas son ejemplos de coenzimas.
Las enzimas que requieren de cofactor, pero no lo tienen unido son denominadas apoenzimas o
apoproteínas. Una apoenzima junto a su cofactor se denomina holoenzima (la forma activa).
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5.7.3. Inhibidores
Los inhibidores son moléculas que regulan la actividad enzimática. Pueden ser reversibles o irreversibles.
Estos últimos se unen covalentemente a la enzima sin posibilidad de revertir la modificación, siendo útiles en
farmacología.
Los reversibles se unen de forma no definitiva a la enzima, pueden ser:
• Inhibición competitiva. El inhibidor y el sustrato se unen por el centro activo de la enzima, por lo que
compiten por el mismo.
• Inhibición no competitiva. El inhibidor se une
a una zona de la enzima diferente del centro
activo, el grado de inhibición depende de la
concentración del inhibidor.
En muchos organismos, los inhibidores pueden
actuar como parte de un mecanismo de
retroalimentación. Si una enzima produce una
sustancia en demasiada cantidad, esta misma sustancia
puede actuar como inhibidor de la misma al inicio de
la ruta que la produce.
Dado que los inhibidores modulan la función de las
enzimas, pueden ser utilizados como fármacos.
5.7.4. Vitaminas
Las vitaminas son compuestos imprescindibles que son necesarios ingerir en la dieta para el correcto
funcionamiento fisiológico. Las vitaminas son precursores de algunos cofactores de enzimas.
Tanto el exceso (hipervitaminosis) como el defecto (hipovitaminosis) de las mismas puede producir
enfermedades.
Se clasifican en:
• Liposolibles: solubles en lípidos, son la A, D, K y E. Se almacenan en hígado y tejidos grasos, por lo
que no son necesarias tomarlas diariamente. Su consumo en grandes dosis puede ser tóxico.
• Hidrosolubles: solubles en agua, las 8 del complejo B y la vitamina C. No se almacenan en el
organismo (la B12 sí), el exceso se excreta por orina, lo que hace que la ingesta debe ser diaria.
6. ÁCIDOS NUCLEICOS Los ácidos nucleicos son polímeros formados por la unión de numerosísimas unidas llamadas nucleótidos.
Estas sustancias fueron descubiertas en el núcleo de las células y presentan carácter ácido, de ahí su nombre.
En su composición únicamente interviene átomos de C, H, O, N y P.
Son sustancias de enorme importancia biológica ya que son los portadores y ejecutores de la información
genética de cada ser vivo, es decir, las instrucciones que conducen a que cada organismo presente unos
caracteres propios y comunes a su especie; esta información se transmite de los progenitores a su descendencia
e indica cómo ha de ser cada biomolécula de individuo y en qué momento debe sintetizarse.
6.1. NUCLEÓTIDOS Y NUCLEÓSIDOS
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Los nucleósidos se forman por la unión de una pentosa (ribosa o desoxirribosa) con una base nitrogenada.
Existen cinco bases nitrogenadas, dos púricas (adenina y
la guanina) y tres pirimídicas (citosina, timina y uracilo).
Los nucleótidos se forman por la unión entre
un nucleósido y una molécula de ácido fosfórico
mediante un enlace tipo éster.
Existen nucleótidos que no forman parte de los
ácidos nucleicos, sino que tiene actividad como
moléculas individuales. Entre ellos se encuentran:
▪ ATP (adenosín trifosfato) Formado por ribosa, adenina y tres grupos fosfatos. Su función es la del
transporte energético en todos los seres vivos.
▪ NAD+, FAD+ y NADP+ Implicadas en el transporte de electrones.
▪ AMPC (cíclico). Funciona como segundo mensajero dentro de la célula.
6.2. ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN)
Es un polímero de desoxirribonucleótidos de A, G, C y T. la unión de los nucleótidos se produce entre el
OH del carbono 3’ de la desoxirribosa y un –OH del ácido fosfórico del nucleótido siguiente mediante enlace
fosfodiéster (-O-P-O-).
El ADN son largas cadenas
lineales de nucleótidos, la
secuencia de los nucleótidos (bases
nitrogenadas) indica la
información genética o mensaje
biológico. Cada tres bases forman
un triplete o codón que informa de
la síntesis de un aminoácido.
En la mayor parte de los seres
vivos el ADN presenta una
estructura secundaria o de doble
hélice que fue descubierta por
Watson y Crick. En la hélice
aparecen dos cadenas
antiparalelas y complementarias
de ADN enfrentadas, de tal manera
que la A se enfrenta siempre a una
T uniéndose por puentes de
hidrógeno dobles, y la G se
enfrenta a la C uniéndose por
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triples. Se cumple que el número de A es el mismo que de T y el de G que de C. Dentro de las hélice las bases
quedan al interior de la misma y el esqueleto pentosa-fosfato hacia el exterior.
6.3. ÁCIDO RIBONUCLEICO (ARN)
El ARN es un polímero de ribonucleótidos del tipo A, G, C y U unidos mediante enlace fosfodiéster entre
el –OH de la ribosa y el –OH del fosfórico del nucleótido siguiente. Casi siempre está formado por una única
cadena.
En las células se pueden encontrar distintos tipos de ARN:
• ARNm o mensajero. Es una cadena lineal y su
función es como intermediario en el traslado de la
información genética del ADN en el núcleo hasta el
citoplasma.
• ARNt o de
transferencia. Se encuentra libre en el citoplasma. Su función es la del
transporte de aminoácidos libres en el citoplasma hasta los ribosomas.
• ARNr o ribosómico. Se une a proteínas para formar los ribosomas, que
es el orgánulo donde se van a sintetizar las proteínas.
• ARNn o nucleolar. Solo se encuentra en el nucléolo, presenta mucha
variedad de tamaños y es el precursor de los ARNr
ADN ARN COMPOSICIÓN Ácido fosfórico
Desoxirribosa
Bases nitrogenadas
-Adenina
-Guanina
-Citosina
-Timina
Ácido fosfórico
Ribosa
Bases nitrogenadas
-Adenina
-Guanina
-Citosina
-Uracilo
ESTRUCTURA Doble hélice con dos cadenas
antiparalelas
Una única cadena de nucleótidos
LOCALIZACIÓN Núcleo celular Núcleo y citoplasma celular
FUNCIONES Portador de la información
genética para la síntesis de
proteínas
Transferir la información genética
y ejecutar las instrucciones que
contiene.