7. La composición química de la vida PDF

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Composición química de la vida, espero que te sea de mucha ayuda. Abarca las diversas estructuras biomoleculares que conforman a loa seres vivos....

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LA COMPOSICÓN QUÍMICA DE LA VIDA La arquitectura de la vida.

UNIDAD II: LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA VIDA. CONTENIDOS.  Célula (definición).  Átomos u moléculas.  Composición química de los seres vivos.  Modelos moleculares.  Biomoléculas (introducción).  Proteínas. o Estructura química. o Propiedades. o Enlace. o Funciones biológicas.  Enzimas. o Definición. o Propiedades. o Accionar enzimático – modelos.  Carbohidratos. o Estructura química. o Propiedades. o Enlace. o Funciones biológicas.  Sustancias de importancia biológica. o Minerales. o Vitaminas. o Agua.

 Lípidos. o Estructura química. o Propiedades. o Enlace. o Funciones biológicas.  Ácidos nucleicos. o Estructura química. o Propiedades. o Enlaces. o Funciones biológicas.

“La fotografía de arriba muestra una célula de tejido vegetal observada al microscopio electrónico, en la que se aprecian los detalles más finos de su estructura. ¿Cómo llegó a definirse a la célula como “la unidad de estructura y función”? ¿Qué adelantos tecnológicos hicieron posible los incesantes descubrimientos de los citólogos?” LA CÉLULA: VIDA EN SU MÍNIMA EXPRESIÓN. Célula (del latín “Cellula”, diminutivo de “Cella” - hueco, compartimiento) es el término que Robert Hooke -primer investigador que la identificó- le dio a cada una de las “celdas” del corcho que observó al microscopio. Si bien las células observadas por Hooke estaban vacías porque eran de tejido muerto, el término fue adoptado para designar la menor porción de materia que cumple con las diversas funciones vitales, es decir, la unidad de estructura y función de la vida. El trabajo de los hombres de ciencia del siglo XIX permitió, poco después, definir los alcances de la teoría celular. Y, como en cualquier rama de la ciencia experimental, el desarrollo de técnicas de laboratorio cada vez más perfeccionadas que tuvieron lugar en el sigo XX -en especial, la microscopía electrónica-, permitieron un mejor conocimiento de la estructura y las funciones celulares. Desde el punto de vista de la Biología Molecular una célula puede definirse como la mínima organización supramolecular qué cumple con todas las características de los seres vivos (estas son, entre otras, la capacidad de vivir aisladas, la autorregulación, la auto-perpetuación y la evolución). Pero si la célula es una unidad de estructura y función, es decir, que todas las células poseen los mismos elementos estructurales y cumplen las mismas funciones, ¿por qué algunas son tan diferentes de otras? Para responder esta pregunta, analicen la ilustración de los distintos tipos celulares que constituyen los tejidos mayoritariamente de un animal superior.

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La diferencia está dada por el distinto grado de especialización que alcanza cada una. Si bien todas tienen una composición química y estructuras similares, algunas permanecen diferenciadas y otras se especializan para cumplir funciones determinadas: Por ejemplo, las neuronas son las células especializadas en la transmisión del impulse nervioso; las fibras musculares lisas, en la contracción de los músculos de las vísceras (estómago, intestino, etc.); los eritrocitos, en el transporte del oxígeno, etcétera. Por otra parte, la estructura de las organelas celulares y la presencia o ausencia de determinadas organelas, así como las variaciones en la composición química celular, también dependen de la especialización estructural y funcional. A pesar de las múltiples diferencias y de la existencia de organismos unicelulares y pluricelulares, todos los seres vivos están formados por células. QUÍMICA CELULAR: LOS ÁTOMOS Y LAS MOLÉCULAS. Desde el punto de vista químico, la célula tiene unidad de composición, es decir, todas las células están formadas por los mismos elementos químicos, moléculas, macromoléculas y agregados macromoleculares. Analicen la analogía y la secuencia de ilustraciones que figuran a continuación: “El secreto de una buena receta no reside en la variedad de ingredientes que se incorporen sino en la armonía de las combinaciones. La organización de los seres vivos parece responder a la habilidad de un gran gourmet para realizar interesantes combinaciones con los átomos.” ¿En qué sentido puede aplicarse la armonía de las combinaciones químicas a las características de la estructura y la función celulares? ¿Qué propiedades tiene la materia viva? Recorriendo una escala de complejidad creciente, la organización de los átomos dentro de las moléculas determina las propiedades de éstas, la de las moléculas caracteriza a las células, y así sucesivamente. Esto explica de qué manera, en el último nivel de organización biológica, las interacciones entre todos los seres vivos y sus ambientes logran el equilibrio necesario para constituir la biosfera. Esta organización del átomo a la célula parece indicar un orden u organización muy específicos. Sin embargo, las sustancias que componen las células están en permanente cambio e intercambio y, por otra parte, la materia viva no es homogénea y las estructuras que la forman a nivel molecular y celular son muy diversas. 3

De los 110 elementos químicos (o clases de átomos, según la nueva definición) que se han reconocido al menos en el laboratorio, sólo unos pocos se consideran bioelementos, es decir, son suficientes para organizar la materia viva. Solamente seis de estos elementos constituyen del 95% al 99% de los tejidos vivos: el carbono (C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el nitrógeno (N), el azufre (S) y el fósforo (P). Lo destacable es que estos seis elementos mayoritarios se cuentan entre los más abundantes del planeta, y entre los más ligeros de la tabla periódica…los átomos constituyen la unidad fundamental de la materia, aunque existen niveles subatómicos. En la mayoría de los átomos, el nivel de energía exterior está incompleto, de modo que sólo es posible completarlo combinándose con otros, compartiendo, cediendo o aceptando electrones. Por lo general; los átomos no se encuentran libres sino que se unen a otros. De estas uniones o enlaces químicos surgen iones y moléculas y, respectivamente, se habla de compuestos iónicos y compuestos moleculares (o covalentes). El número de átomos que constituyen las moléculas y los compuestos iónicos varía, en cada caso, y a veces llegan a ser miles. Cuando se trata de compuestos moleculares, los enlaces covalentes entre los átomos de C, H, O y N permiten formar una inmensa cantidad de moléculas distintas, en las que también se encuentran, en menor proporción, P y S. Toda la materia conocida está constituida por \a combinación de alrededor de 92 elementos químicos naturales. Solo unos 25 forman parte de los seres vivos. En Ios organismos, estos elementos se encuentran en proporciones diferentes a las del resto del planeta y están organizados en forma de moléculas complejas que componen las estructuras celulares. Estas moléculas son elaboradas a partir de Ios nutrientes y participan de todos Ios procesos que hacen posible la Vida.

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LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS SERES VIVOS. Algunos de los elementos químicos presentes en toda la materia que integra el planeta Tierra son el carbono (C), el oxígeno (0), el cloro (Cl), el sodio (Na), el calcio (Ca), el hierro (Fe) y el hidrógeno (H). Los átomos que constituyen los diferentes elementos pueden combinarse y formar una gran diversidad de compuestos cuyas moléculas poseen una forma, un volumen y una masa que las caracterizan. Algunas de esas moléculas son sencillas y pequeñas, como las que componen el dióxido de carbono (C02) y el oxígeno (02), que forman parte del aire, el agua (H20), el cloro (Cl2) y el cloruro de sodio (NaCl). Otras son más complejas, de mayor masa y volumen, como la glucosa (C6H12O6), fuente de energía fundamental de muchos seres vivos. Si se compara la composición química de la corteza terrestre, los mares y la atmósfera con la de los seres vivos que habitan la biosfera, es posible constatar que las proporciones de los elementos existentes son muy diferentes. Más del 96% de la composición de todos los seres vivos conocidos está constituida por solo cuatro de los elementos existentes en la Tierra: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (como ya se mencionó). Aproximadamente, el 4% restante está compuesto por fósforo, azufre, calcio, potasio y otros elementos.

Estos gráficos permiten comprar la composición de los seres vivos con la del resto del planeta. Fuera de los organismos, la proporción de carbono, nitrógeno e hidrógeno es tan baja que se los incluye en el grupo de “otros”, mientras que, en los seres vivos, estos tres elementos están presentes en altas proporciones.

LAS MOLÉCULAS DE IMPORTANCIA BIOLÓGICA: LAS BIOMOLÉCULAS. Los compuestos presentes en todos los seres vivos y, por lo tanto en cada una de las células que los componen, se pueden clasificar en dos grupos: los inorgánicos, como el agua y algunos minerales, y los orgánicos, principalmente carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. El agua es el componente mayoritario de las células y representa entre el 70% y el 95% de su contenido total. Las estructuras celulares de los seres vivos están conformadas por un grupo de compuestos orgánicos denominados biomoléculas. Estas son consideradas moléculas de importancia biológica porque desempeñan una o varias de las funciones que se describen a continuación.  Función estructural o constructiva: las biomoléculas constituyen todas las estructuras celulares.  Función energética: algunas biomoléculas aportan la energía necesaria para mantener la organización y el funcionamiento del organismo. Los carbohidratos, en especial la glucosa, son la principal fuente de energía de las células. 5

 Función reguladora: algunas biomoléculas, como las enzimas, controlan y regulan las diferentes reacciones químicas que, en su conjunto, conforman el metabolismo celular. Las enzimas son un tipo de proteínas. MODELOS MOLECULARES. Cada sustancia que existe en la naturaleza posee propiedades que la distinguen del resto. Esas propiedades están dadas por el tipo de átomos que la constituyen, la proporción entre unos y otros y su disposición espacial. En el campo de la química, se utilizan diversos modelos para expresar la estructura de las sustancias. El más común es el de las fórmulas químicas, que informan acerca del tipo y la proporción de átomos que constituyen sus moléculas. La glucosa y la fructosa, por ejemplo, pueden representarse mediante la fórmula química molecular C6H12O6. Esta fórmula indica que, en ambos azúcares, por cada seis átomos de carbono, hay doce de hidrógeno y seis de oxígeno. Sin embargo, aunque haya la misma proporción de átomos de los mismos tres elementos, se trata de sustancias diferentes. Ello se debe a que los átomos se disponen de manera distinta. Para diferenciarlas, se utilizan las fórmulas estructurales, que indican además cómo están enlazados los átomos entre sí. Las fórmulas estructurales y los modelos de esferas permiten identificar Ias diferencias entre dos compuestos que tienen igual composición química, pero que sus átomos se combinan y disponen de modo diferente. LAS MACROMOLÉCULAS. Las moléculas orgánicas, entre las que se encuentran las biomoléculas, se caracterizan por tener una estructura central formada por una o más cadenas de átomos de carbono unidos entre sí, a los que se unen los átomos de oxígeno y los de hidrógeno. Estas cadenas pueden estar constituidas por unos pocos átomos de carbono o por un gran número de ellos y pueden ramificarse, plegarse y adoptar varias formas. Es por ello que existe una enorme diversidad de moléculas orgánicas con diferentes tamaños, pesos y formas, cada una con propiedades particulares. Algunas biomoléculas tienen la particularidad de ser muy grandes dentro de la escala molecular y, por eso, se las llama macromoléculas. La mayor parte de las macromoléculas se forma a partir de moléculas más pequeñas similares entre sí, denominadas monómeros (mono: uno; meros: partes). Debido a esta característica estructural, se las llama polímeros (polys: muchos, meros: partes). Todas las proteínas y los ácidos nucleicos, y algunos carbohidratos son polímeros. Los lípidos son macromoléculas de menor tamaño que las anteriores y, en su formación, participan moléculas de dos tipos diferentes.

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Monómeros

Polímeros

En los carbohidratos, los monómeros son azúcares, como la glucosa; en las proteínas, son los aminoácidos; y en los ácidos nucleicos, son los nucleótidos. Aunque los lípidos no son estrictamente polímeros se los incluye aquí porque están formados a partir de la unión de una molécula pequeña de glicerol o glicerina con tres de ácidos grasos más grandes. Las formas utilizadas en esta representación no guardan relación con las reales. Los polímeros se forman mediante un tipo de reacción química llamada condensación. También, ocurre el proceso inverso, es decir, a partir de un polímero se obtienen los monómeros por medio de reacciona de hidrólisis. Las reacciones de condensación son anabólicas, ya que el producto es más complejo que los reactivos, y se requiere energía para que ocurran. Las reacciones de hidrólisis, por el contrario, son catabólicas: liberan energía y se forman productos más simples.

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 En las reacciones de condensación o deshidratación, se libera agua y se forma un nuevo enlace entre monómeros. Esto da por resultado un polímero.  En las reacciones de hidrólisis, una molécula de agua reacciona con cada enlace que unen a los monómeros entre sí y los rompe. LAS PROTEÍNAS. Las proteínas son biomoléculas que constituyen alrededor del 50% del peso seco de las células, es decir del peso al que se le ha descontado el del agua. Todas las proteínas tienen una estructura química similar: son polímeros constituidos a partir de la unión de aminoácidos. Sin embargo, existe una enorme diversidad de proteínas, con formas y tamaños diferentes, que cumplen funciones muy variadas. La célula de una bacteria, por ejemplo, puede tener 800 tipos de proteínas; mientras que, en una célula humana, pueden encontrarse 10.000 clases diferentes de estas macromoléculas. La fabricación (o síntesis) de proteínas se lleva a cabo en los ribosomas, tanto en los que se encuentran en el retículo endoplasmático rugoso como en los que están libres en el citoplasma. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS PROTEÍNAS. Una proteína está constituida fundamentalmente por una o más cadenas de aminoácidos. Cada cadena recibe el nombre de polipéptido. Las moléculas de aminoácidos, a su vez, están constituidas por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N); la mayoría contiene azufre (S), y algunas poseen fósforo (P), hierro (Fe), cinc (Zn) o cobre (Cu). La enorme diversidad de proteínas se debe a que, aunque solo existen 20 aminoácidos distintos, estos pueden combinarse en cualquier orden y estar presentes repetidas veces. Cada proteína se caracteriza por la cantidad y los tipos de aminoácidos que la componen y por el orden o secuencia en que ellos se disponen. La información de la secuencia propia de cada proteína está contenida en el material genético de la célula. Una serie de aminoácidos unidos constituye un polipéptido, las proteínas están constituidas por cadenas polipeptídicas que se forman a partir de reacciones de condensación entre los aminoácidos. Estos se unen mediante un enlace conocido como enlace peptídico, que se establece entre el grupo ácido de un aminoácido y el grupo amino del otro aminoácido. Reacción de condensación entre dos aminoácidos. El enlace que se forma se llama peptídico. En la reacción, se libera una molécula de agua. Solo once de los veinte aminoácidos que conforman las proteínas pueden ser sintetizados en las células humanas. Los nueve restantes solo se obtienen a través de la dieta, y por eso, se los denomina aminoácidos esenciales. El huevo y la leche son alimentos que aportan todos los aminoácidos esenciales, y en mayor cantidad. Los alimentos de origen vegetal son incompletos en este tipo de aminoácidos, entonces, deben combinarse apropiadamente para obtener todos los necesarios.

LA ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS. La estructura de las proteínas está dada inicialmente por su composición química. Pero las cadenas polipeptídicas tienen además la propiedad de enrollarse y plegarse sobre sí mismas. De ese modo, adoptan una forma tridimensional particular que es fundamental para la función que desempeñan. Esta estructura tridimensional está condicionada, en primera instancia, por la secuencia de sus aminoácidos. Un cambio en uno o más aminoácidos de la cadena puede modificar la forma de la molécula y afectar su función. 8

De acuerdo con esta propiedad particular de enrollarse y plegarse sobre sí mismas, es posible distinguir distintos niveles estructurales de las proteínas:  La estructura primaria, que está dada por los aminoácidos que componen la secuencia y el orden en que estos se encuentran en la proteína.  La estructura secundaria, que es la forma que adopta la cadena en el espacio como consecuencia de enlaces que se establecen entre algunos átomos de la propia cadena de aminoácidos. Esta forma puede ser producto de un plegamiento o de un enrollamiento a modo de hélice o lámina.  La estructura terciaria, que es resultado de un plegamiento de la estructura secundaria, mediante el cual adopta la forma tridimensional que determina las propiedades y funciones de la proteína, fibrosa o globular.  La estructura cuaternaria: se da en proteínas que están compuestas por más de una cadena polipeptídica. Esta estructura depende del modo en que se unen esas cadenas entre sí o con moléculas no proteicas.

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Los dos esquemas anteriores muestran los distintos niveles estructurales de una proteína. Desde la estructura primaria hasta la terciara, es una cadena polipeptídica; la estructura cuaternaria se compone por más de una. En el último caso, son cuatro cadenas polipeptídicas (subunidades) que conforman la molécula de la hemoglobina, la proteínas que transporta el oxígeno en la sangre del os vertebrados. Cada cadena de la hemoglobina tiene un grupo hemo, que contiene hierro en su centro. Es allí donde se une el oxígeno. La imagen de la izquierda es un modelo proteico de la hemoglobina. Una macromolécula en donde cada “bucle” representa una cadena de proteína y cada bolita es un átomo (la molécula de agua solo tiene tres). Las temperaturas elevadas y algunas sustancias, como ácidos y alcoholes, pueden modificar las estructuras tridimensionales de las proteínas y, por lo tanto, su función. Este proceso se denomina desnaturalización, y puede ser reversible o irreversible. Si se indujo lentamente y fue parcial, las moléculas pueden retomar su forma original una vez que las condiciones del medio se hayan reestablecido. Cuando el proceso de desnaturalización de una proteína es irreversible, se dice que ocurrió una coagulación. Al cocinar un huevo, la clara cambia de 10

color y se solidifica. Esto se debe a que contiene una proteína llamada albúmina, que al recibir calor, se coagula. LAS PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS. Las proteínas están presentes en todos los seres vivos y su diversidad es muy grande, ya sea entre especies diferentes, dentro de la misma especie e, incluso, en un mismo organismo. Sin embargo, todas ellas tienen en común ciertas características, como la especificidad, la solubilidad y el comportamiento frente a la temperatura y al pH.  Especificidad: viene dada por la presencia de ciertas proteínas en una especie, pero no en otras. Es decir, cada especie de individuos tiene algunas proteínas que no están presentes en otras. Si nos referimos a las proteínas a nivel individual, puede suceder que una proteína presente la misma función y una estructura tridimensional semejante entre dos individuos, pero con una secuencia de aminoácidos con algunas variantes. Por ejemplo, un complejo de proteínas llamado MHC, presente en todas las células del cuerpo, tiene una porción que es común a todos los individuos de la especie y otra porción que es variable y que es propia de cada individuo. La especificidad no sólo viene dada por la presencia en un tipo de organismos y en otros no, sino también, por la función que desempeña, por ejemplo, la melanina que nos proteje la radiación UV no p...