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COMPOSICIÓN QUÍMICA DE CÉLULADra. Mariana Lagadari
H2OIones
ProteínasÁcidos Nucleicos
Hidratos de CarbonoLípidos
Componentes químicos de la
célula
Componentes orgánicosComponentes inorgánicos
Raven and Johnson
Componente principal en peso de todos los seres vivos.
Su estructura molecular le confieren muchas propiedades destacables responsables de su
aptitud para desempeñar su papel en los seres vivos.
El agua: Una molécula extraordinaria
H2O: Distribución e- asimétrica → Carácter polar
Puentes de Hidrogenoentre moléculas de agua
Consecuencias de las Uniones Puente de Hidrogeno
• Alta fuerza de adhesión
Imbibición Capilaridad
• Alta fuerza de cohesión
Tensión superficial
Esqueleto hidrostático
•Alto Calor especifico
La temperatura del agua desciende mas lentamente que la de otros líquidos a medida que va liberando
energía al enfriarse.
Así el contenido acuoso de las células brinda protección a las moléculas orgánicas sensibles a los cambios bruscos de temperatura. Y además, el calor producido por el metabolismo se disipa rápidamente.
• Capacidad solvente
Uniones entre moléculas de agua y otras moléculas polares
NaCl es soluble en H2O
IONES
Moléculas con carga
Proporcionados por las sales minerales disueltas en el medio interno celular (acuoso)
NaCl + aguaNa+ Cl-
Iones: importancia biológica
Mantenimiento de la estructura de proteínas, permeabilidad de la membrana plasmática, pH
sanguíneo, propagación del impulso nervioso, y la contracción de los músculos.
Posibilidad de interacción con las demás moléculas del organismo
Importante la incorporación de estos iones en la ingesta de alimentos
= 500g Kiwi = 1200 gr tomate = 120 mg Calcio
1 vaso de leche
K+Mg2+
Cl-
Ionización del H2O
En el agua pura: el número de iones H+ = el número de iones OH-
La tendencia del agua a ionizarse se contrapesa con la tendencia de los iones a reunirse: equilibrio dinámico
Cuando
el n° de H+ supera al n° de OH-: Solución ÁCIDA el n° de OH- supera al n° de H+ : Solución BÁSICA
Cuando una sustancia con moléculas polares se disuelve en agua, pueden cambiar los números relativos de los
iones H+ y OH-.
El pH es grado de la acidez o alcalinidad de una solución.
H= OH
BásicoOH- ˃ H+
ÁcidoH+˃OH-
La concentración de iones hidronio [H3O+] presentes determina el pH de un sustancia
el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno en unidades de moles por litro.
pH = - log [H+]
H2O pura: [H+] = [OH-] = 10-7 moles por litro
pH = - log [10-7]
pH = 7
pH= 7
1 14
BásicoÁcido
Casi toda la química de los seres vivos tiene lugar a pH entre 6 y 8
Mantenimiento de un pH constante, un ejemplo de
homeostasis.
H2OIones
ProteínasÁcidos Nucleicos
Hidratos de CarbonoLípidos
Componentes orgánicosComponentes inorgánicos
Componentes químicos de la
célula
Moléculas que contienen carbono
Componentes orgánicos: Biomoléculas
Las Moléculas de la VidaC, H, N y O constituyen más del 99% de los
átomos del cuerpo humano
¿Qué propiedades de C, H, N y O hace que estos átomos sean tan apropiados
para la química de la vida?
Su capacidad de formar uniones covalentes compartiendo pares de
electrones.
Versatilidad de los enlaces covalentes en la formación de estructuras complejas
• H-H• C-H • C-C• C-O
Moléculas orgánicas: macromoléculas
ProteínasÁcidos NucleicosHidratos de
CarbonoLípidos
Macromoléculasgrandes
polímeros
Formadas por unidades monoméricas
• La estructura única de cada macromolécula determina su función.
• Las Fuerzas Débiles son las que mantienen la estructura biológica, y determinan las interacciones biomoleculares y la función de la macromolécula.
• Las subunidades monómericas se ordenan en una secuencia especifica, representando un tipo de información.
Macromoléculas poliméricas en seres vivos
Subunidad Macromolécula
nucleótido acido nucleico
aminoácido proteína
azúcar polisacárido
AzucaresÁcidos grasos
AminoácidosNucleótidos
PolisacáridosLípidos
ProteínasÁcidos nucleicos
MonómerosPolímeros
*No están compuestos
de monómeros
ProteínasProteínas
Son las moléculas orgánicas mas abundantes en los sistemas vivos.
Proteínas
Diversidad funcional EstructuralesContráctilesDe transporteDe almacenamientoAnticuerposToxinasEnzimasReceptores de membrana
AminoácidosUnidades estructurales de las proteínas
SerinaTreoninaCisteinaProlina
AsparaginaGlutamina
FenilalaninaTirosina
Triptofano
LisinaArgininaHistidina
AspartatoGlutamato
Siempre los mismos 20 aa GlicinaAlaninaValina
LeucinaMetioninaIsoleucina
No polares Aromáticos
Polares
Cargados +
Cargados −
Enlace peptídico
Enlace peptídico
Polipeptido = Proteína
Para ensamblar los aa en proteínas una célula debe contar con una gran cantidad de aa y
suficiente cantidad de cada tipo
Algunos de los aa no pueden ser sintetizados por el organismo por lo que deben incorporarse de la dieta
Aminoácidos esenciales
fenilalanina isoleucina
leucina lisina
metionina treonina
triptófano valina
En los humanos adultos estos son
Arroz y porotos: menú perfectoSuma todos aa esenciales
Otros alimentos con todos los aa esenciales son: carne, huevos, lácteos, soja, quinoa.
En un sistema vivo una proteína se ensambla de un aa por vez para formar una larga cadena polipeptídica.
Estructura tridimensional es critica para la determinación de la función biológica de las proteínas
Estructura primaria
Secuencia que viene dictada por la información hereditariaSecuencia lineal para cada proteína en particular
La estructura primaria es el numero, la calidad y la secuencia de aa
Estructura primaria
Estructura secundaria
Enfermedad de las vacas locas
Estructura tridimensional es critica para la determinación de la función biológica de las proteínas
Estructura terciaria Estructura cuaternaria
Proteina Src, 4 dominiosDentro de la estructura terciaria se pueden formar dominios en el espacio: zonas mas compactas separadas por zonas lineales.Esta estructura determina la actividad biológica de una proteína.
EnzimasLas enzimas son esenciales para todos los procesos
biológicos ya que son las responsables de las reacciones que mantienen la vida.
• Proteínas cuya estructura tridimensional es fundamental para su funcionamiento.
• Aceleran reacciones químicas: actúan como catalizadores muy potentes y eficaces
• sitio activo: lugar donde se reconoce el sustrato mediante interacciones débiles, y donde se realiza la reacción.
• Muy especificas
Polisacárido
lisozima
Rompe enlace covalente entre azucares
La lisozima actúa como un antibiótico natural, ya que cataliza el corte de las cadenas de polisacáridos
presentes en la pared de las bacterias.
Enzimas- Ejemplo: Lisozima
•El cuajo del estómago de los rumiantes es un componente esencial en la elaboración de quesos ya que contiene dos enzimas digestivas: quimosina y pepsina ► aceleran la coagulación de la caseína.
•Lactasa ► degrada la lactosa (glucosa+galactosa) Trastornos intestinales x carecen de la lactasa
También es utilizada en la fabricación de dulce de leche, leche concentrada y helados al impedir que cristalice la lactosa durante el proceso.
Enzimas en la elaboración de alimentos
► Leche deslactosada (leche con lactasa)
Enzimas utilizadas en la industria alimenticia
Para mayor detalles , leer material de lectura adjuntado en Campus
Plegamiento correcto fundamental para el buen funcionamiento de una
proteína
La información que dicta estas estructuras
codificada en los ácidos nucleicos
Ácidos NucleicosÁcidos Nucleicos
Ácidos Nucleicos
ADNácido desoxirribonucleico
Los ácidos nucleicos almacenan la información genética de los organismos
vivos y son los responsables de la transmisión hereditaria.
ARNácido ribonucleico
Nucleótido
Formados por 3 subunidades: un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos y una base
nitrogenada.
Unidad estructural de los ácidos nucleicos
La subunidad de azúcar puede ser Ribosa o Desoxiribosa
Ribosa
Desoxirribosa
Nucleótido: Componentes
ARN
ADN
C2 lleva un grupo OH
C2 lleva at de H2
Nucleótido: Componentes 5 Bases nitrogenadas: portadoras de la
información
La Adenina, la Guanina y la Citosina se encuentran en el
ADN y en el ARN
A y G: purinas C, T y U: pirimidinas
Timina solo en ADN Uracilo sólo en ARN
Enlaces covalentes fosfodiester entre el grupo OH del grupo fostafo de un nucleótido y el OH del azúcar del nucleótido
siguiente.
Enlace fosfodiester
Reacción de condensació
n
ADN: ácido desoxirribonucleico Constituyente principal de los cromosomas
Portador de la información genética
ARN: ácido ribonucleicoTranscribe y traduce la información
genética del ADN a proteínas
Compuestos químicos muy semejantes … funciones biológicas muy
diferentes
Vista de “cromosomas” en una célula próxima a dividirse
Estudio de la estructura por Rayos X 1950
Estructura del ADN: doble héliceEstructura en doble hélice fue descubierta por James
Watson y Francis Crick en 1953, basados en el trabajo de Rosalind Franklin.
Watson y Crick
Complementariedad de bases
A = TG ≡ C
Las moléculas de ADN se empaquetan en CROMOSOMAS
ADN superenrollado
Cada molécula ha sido
empaquetada en un cromosoma mitótico que es
10000 veces mas corto que la
molécula linealizada
113 mil millones de km
Revolución en la Medicina
Terapia génica
Medicina forense
Determinación de identidad y lazos familiares
Animales transgénicos
Remedios producidos por tecnología de ADN
recombinante, interferón, H de Crecimiento, Insulina
Diagnostico de enfermedades
hereditarias, infecciosas, cáncer
ARN vs ADN
ARN: ácido ribonucleico
ARN
ARN participa de distintas actividades celulares:
ARN mensajero (ARNm) transporta información desde el ADN a los ribosomas, donde sirve de molde para la síntesis de proteínas.
ARN ribosomal (ARNr) y ARN de transferencia (ARNt) están implicados en la síntesis de proteínas
La molécula de ARN se sintetiza a través de un proceso que se denomina TRANSCRIPCION.
Generalmente el ARN consta de una cadena pero se puede plegar en
estructuras mas complejas.
Hidratos de CarbonoHidratos de Carbono
Hidratos de Carbono
Biomoléculas orgánicas constituidas básicamente por C, H y O
Su formula general : CnH2nOn o bien (CH2O)n
De aquí Hidratos de CFunciones
•Fuente primaria de energía química para los sistemas vivos•Reserva energética•Forman parte de estructuras biológicas
Azucares simples de 3, 5 o 6 Carbonos
Monosacáridos
Unidades estructurales de los Hidratos de Carbono
Gliceraldehido Ribosa Desoxirribosa Glucosa Fructuosa Galactosa 3C 5C 5C 6C 6C 6C
Glucosa → C6H12O6
La glucosa es una de las principales moléculas que sirven como fuentes de energía para las plantas y los animales.
Se encuentra en la savia de las plantas y en el torrente sanguíneo humano, donde se conoce como "azúcar en la sangre”.
La oxidación de la glucosa contribuye a una serie de reacciones bioquímicas complejas que proporcionan la energía necesaria para las células.
La glucosa es elaborada por las plantas con la ayuda de la energía del Sol, en un proceso llamado fotosíntesis.
Monosacáridos
FructosaTodas las frutas naturales tienen cierta cantidad de fructosa (a menudo con glucosa), que puede ser extraída y concentrada para hacer un azúcar alternativo. Junto con la glucosa forman un disacárido llamado sacarosa o azúcar común.
GalactosaEste monosacárido no suele encontrarse libre en grandes cantidades, sino mas bien combinado con la glucosa en el disacárido lactosa.
Una vez que se absorbe en el cuerpo, se convierte en glucosa en el hígado y se utiliza como fuente de energía inmediata, o se almacena.
Enlace glucosídico
Ejemplo: Glucosa + Fructosa = Sacarosa→ disacárido
Se establece en forma de éter, siendo un átomo de oxigeno el que une los azucares entre si.
Disacáridos de interés biológico
Maltosa: libre de forma natural en la mal ta, formando parte de varios polisacáridos de reserva (almidón). La malta se extrae de la cebada germinada. Se utiliza en la elaboración de cerveza.
Lactosa o azúcar de la leche. Se encuentra libre en la leche de los mamíferos.
Sacarosa o azúcar de caña y remolacha. Es el azúcar que se obtiene industrialmente y es el edulcorante habitual. Se encuentra en frutos, semillas, néctar, etc.
Glucosa + fructosaαGlucosa + βGlucosa Glucosa + galactosa
PolisacáridosPolímero de unidades de azúcar unidas mediante enlaces
glucósidicos.
• Polisacáridos nutricionales: Glucógeno y Almidón
Reserva de energía
• Polisacáridos estructurales: Celulosa y Quitina Material estructural de exoesqueletos
Granulo glucógeno en
célula hepática
Reserva energéticaPolisacáridos animales:
Glucógeno. Polímero de glucosa con numerosas
ramificaciones. Principal forma de almacenamiento de
azúcar de los animales.
El glucógeno puede representar el 10% de la masa hepática y el 1% de musculo.
Reserva energéticaPolisacáridos vegetales: Almidón
Polímero de glucosa semejante al glucógeno.
Forma de almacenamiento de energía de las plantas. Abundante en papa (mas del 65% de su peso seco) y semillas como el maíz.
Macromolécula compuesta de 2 polisacáridos: amilopectina (cadena ramificada) y amilosa (molécula helicoidal no ramificada)
Reacción de Lugol: yodo se introduce entre la molécula de almidón (compuesto de inclusión), apareciendo la coloración azul violeta.
papa
Polisacáridos estructuralesCelulosa
Cadenas de
celulosa
Polisacárido estructural en las plantas forma parte de los tejidos de sostén. Estructura lineal o fibrosa.
La pared de una célula vegetal joven contiene aprox. un 40 % de celulosa, la madera un 50 %El ejemplo más puro de celulosa es el algodón con › 90 %.
Polisacáridos estructuralesQuitina Polímero no ramificado de N-acetilglucosamida.
Ampliamente distribuido en los invertebrados.
Es un polímero formado por una secuencia alternante de N-acetil-glucosamida y el ácido N-acetilmurámico
Polisacáridos estructuralesPeptidoglicanos: pared bacteriana
Azul o violetaRosa
Gaseosas, conservas de frutas, reposteríaJarabes de glucosa y fructosa como endulzantesAlfa-amilasas y amiloglucosidasas: Almidón glucosa y frutcuosa.Glucosa-isomerasa: La glucosa obtenida puede transformarse luego en fructosa.Acción enzimática que permite obtener un jarabe de glucosa de mayor calidad y a menor costo
CervezaAmilasas: degradan el almidón presentes en la maltaPapaína: fragmenta las proteínas presentes en la cerveza y evitar que ésta se enturbie durante el almacenamiento o la refrigeración.
PanLipoxidasa: blanqueador de la harina y contribuye a formar una masa más blanda, mejor para amasado (Generalmente se la añade como harina de soja o de otras leguminosas, que la contienen en abundancia).Amilasa: el almidón a azúcares utilizados por las levadura en la fabricación del pan. Proteasas: para romper la estructura del gluten y mejorar la plasticidad de la masa
La elaboración de alimentos: reserva energética e utilización de enzimas
LípidosLípidos
Lípidos
Grupo de sustancias muy heterogéneas, no polares.
Funciones:
•Principal reserva energética del organismo: Grasas o aceites. •Base estructural de membrana celulares: fosfolípidos.•Importante papel en la señalización intracelular: hormonas esteroideas o como mensajeros moleculares
Lípidos
• Grasas• Aceites• Fosfolípidos• Glucolípidos• Esteroides• Ceras
Lípidos importantes en la función celular Grasas, Fosfolipidos y Esteroides
Ácidos grasosDenominador común de los lípidos
Ac grasos saturados: enlaces simples entre C: Ej. Ac. Palmítico
Ac grasos insaturados: contienen al menos un doble enlace entre sus at de C. Ej. Acido oleico
Los ácidos grasos se almacenan en forma de TRIGLICERIDOS o GRASAS
• 3 ácidos grasos ligados a una molécula de glicerol.
• Insolubles en agua• Se acumulan como
gotas de grasa en el citoplasma.
Son una forma de almacenamiento de energía mas eficaz que los H de C, producen mas del doble de
energía por peso de material degradado. Glicerol
El comportamiento de un lípido como GRASA o como ACEITE depende de la proporción del tipo
de acido graso que posean.
Estructura general mas compacta: GRASAS
Ácidos grasos saturados
Mezcla de Ácidos grasos saturados e
insaturados
Estructura general menos compacta: ACEITE
Lípidos: Fosfolípidos
El 3er C del glicerol esta ocupado por un grupo fosfato.2 ácidos grasos están unidos a la cabeza polar.
Base estructural de la membrana plasmática
moléculas ANFIPÁTICAS
Lípidos: Glucolípidos
El 3er carbono de glicerol esta ocupado por una cadena de carbohidrato.
Importante rol en reconocimiento celular.
Constituyentes de la membrana plasmática.“Lípidos con azucares”
GLUCOLÍPIDOS
FOSFOLÍPIDOS
Las células están rodeadas por un medio acuoso por lo tanto para poder determinar el espacio celular, la
interfase célula-medio ambiente debe ser hidrofóbica.
Lípidos esteroides: Colesterol
• Consta de 4 anillos hidrocarbonado (en vez de largas cadenas) que son intensamente hidrófobos, pero el OH es hidrofilico, asique el colesterol también resulta anfipático.
• Componente de la membrana plasmática. Determina su fluidez.
Otros Lípidos esteroides
• Hormonas: Aldosterona, Cortisol, Testosterona, Progesterona. • Vitaminas: Vitamina D
La vitamina D es la encargada de regular el paso de Ca2+ a los huesos.Puede obtenerse por degradación de colesterol por la exposición al sol.Presente en leche, huevo.
CERAS
• Unión de un alcohol de cadena larga y un ácido graso• Sólidas a T ambiente debido a sus largas cadenas
hidrocarbonadas.• Son abundantes en la naturaleza y pueden ser obtenidas de
fuentes animales y vegetales Ej. Cera de Abeja, Cera del follaje conífera.
Ceras: Impermeables
Función de protección
Desecación de hojas y frutos. Conducto auditivo
Cera de magnolia
Palma de cera
Las macromoléculas tambien se comportan como nutrientes:
compuestos contenidos en los alimentos que las células
necesitan para vivir
Moléculas &bioquímica de las células
20 aminoácidos;5 bases nitrogenadas.2 azúcares1 lípido
Introducción a los Personajes principales
Detección de moléculas en Detección de moléculas en células y tejidoscélulas y tejidos
Citoquímica e histoquímicaCitoquímica e histoquímica
Obtención de la muestra: Tejido/órgano
Fijación
Bloque de Parafina
Microtomía: obtención de seccionesMontaje de las preparaciones
Tinciones: contraste
Estudio microscópico (Óptico o Electrónico)
Preparación: Portaobjetos
Técnicas HistoquímicasTécnicas inmunohistoquímica
HistoquímicaLa histoquímica es la aplicación de
las reacciones químicas y bioquímicas en la técnica histológica.
Las técnicas histoquímicas son técnicas de tinción especiales que identifican macromoléculas aprovechando la reactividad de determinados grupos químicos.
Involucran colorantes especiales, reacciones bioquímicas y reacciones inmunológicas.
1. El ácido peryódico es un oxidante que rompe los enlaces –C-C-, cuando los carbonos contiguos contienen cada uno un hidroxilo produciendo aldehídos.
2. La reacción posterior entre el reactivo de Schiff y el grupo aldehído producido, da lugar a una sustancia de color rojo/magenta.
BaseÁcido
+_ La técnica del ácido peryódico-Schiff (PAS) es la más utilizada
para la demostración de carbohidratos.
Técnica de PAS con hematoxilina. Mediante esta técnica comprobamos la presencia de hidratos de carbono
en el material a secretar.
Así, se ponen de manifiesto en las muestras biológicas: el glucógeno, el almidón, cápsulas de hongos, membranas basales, etc.
• No se detecta la enzima directamente, sino que se observa el producto de su actividad.
• Los cortes son incubados con soluciones conteniendo el sustrato y reactivos que permitan la formación de productos coloreados.
SustratoEnzima
La interacción enzima-sustrato origina un producto de reacción insoluble o bien una sustancia que mediante
reacción con otra molécula podemos observar al microscopio.
Corte de riñón donde se observa la detección de fosfatasa ácida que aparece con la forma de gránulos
negros en los túbulos renales.
Ej. Detección de fosfatasas ácidas y peroxidasas. Útiles para caracterizar la presencia de lisosomas y peroxisomas
Método que analiza la distribución de una secuencia particular de nucleótidos de ADN o ARN. Esta técnica permite localizar un ADN específico o identificar la expresión genética por la presencia de ARN mensajero en el citoplasma celular.
Hibridación in situ
Sonda para detectar cromosoma 2
metafase
• Unión de una secuencia complementaria de nucleótidos a otra con una elevada especificidad.
• Secuencias complementarias de ADN o ARN- SONDAS- marcados de forma similar que los anticuerpos de la inmunocitoquímica.
Las técnicas inmunohistoquímica permiten localizar proteínas y macromoléculas específicas en células y
tejidos.
Inmunohistoquímica
Anticuerpo
Antígeno
El ANTICUERPO es capaz de reconocer el antígeno y unirse a él mediante una reacción de alta afinidad muy específica, formándose un complejo antígeno-anticuerpo.
Cuando una macromolécula es introducida en un organismo y éste la identifica como una sustancia ajena, produce anticuerpos directamente contra ella ► ANTIGENO
InmunohistoquímicaDirecta Indirecta
Los anticuerpos pueden unirse químicamente a sustancias marcadoras: •compuestos fluorescentes (rodamina, fluoresceína) •enzimas (peroxidasa, fosfatasa alcalina).
Anticuerpo secundario biotinilado que une a la estreptavidina conjugada con peroxidasa.
Se dedica a la identificación y localización de compuestos químicos macromoleculares dentro de las células basándose en métodos
colorimétricos.
•Sudan Rojo: Sudan III: Tiñe lípidos, colorante soluble en grasa. •Lugol: yodo se introduce entre la molécula de almidón (compuesto de inclusión), apareciendo la coloración azul violeta.•Reacción de Fuelgen: Detección del ADN. El material es sometido a una hidrólisis con ácido clorhídrico, y luego al reactivo de Schiffr
Citoquímica
Reacción de Fuelgen Reacción de Lugol:Sudan Rojo: Tejido adiposo
Bibliografía
•Alberts, B., Bray, D., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. y Walter, P. Introducción a la Biología Celular. Traducción al español de la 3 ed - Omega, Barcelona.
•Curtis H., Barnes S., Schnek A., Flores G. Biología. 6 ed. Editorial Panamericana
•Brock, T. D. y Madigan, M. I. Biología de los microorganismos, ed. Madrid. Prentice Hall, 1997.
•Karp G. Biologia Celular y Molecular. McGraw-Hill Interamericana, 1996.
