BASES DE BIOLOGÍA CELULAR
Nombre: Carlos Vásquez Fecha: 06/10/2017 Docente: Jaime Cevallos
Tema: “Bases Químicas de la Vida”
Las Bases Químicas de la Vida
El nivel de organización de la célula es un pequeño paso después del nivel atómico, como se observa al examinar la importancia de los movimientos de algunos átomos de las moléculas durante actividades como la contracción muscular o el transporte de sustancias a través de las membranas celulares.
Las propiedades de las células y sus organelos derivan de forma directa de las actividades de sus moléculas. Para comprender las actividades que ocurren cuando una célula se divide es necesario conocer los aspectos de las interacciones entre las moléculas proteicas y el ADN que hacen posible la condensación de lsos cromosomas en estructuras empaquetadas y su separación en sistemas diferentes.
Para poder comprander lo que es la fisiología celular se necesita conocer claramente la estructura y propiedades de los tipos principales de moléculas biológicas. Es muy importante este capítulo ya que nos va a proporcionar la información necesaria sobre la química de la vida para comprender mas a fondo sobre sus bases. |
ENLACES COVALENTES Los átomos que conforman una molécula se encuentran unidos por medio de enlaces covalentes donde pares de electrones se comparten entre pares de átomos. La formación de enlaces covalentes entre dos átomos se rige por el principio fundamental según el cual un átomo es más estable cuando su capa electrónica más externa se ocupa por completo. El número de enlaces que un átomo puede formar guarda relación directa con el número de electrones necesarios para completar la capa externa. Los electrones compartidos tienden a localizarse más próximos al átomo de mayor fuerza de atracción, es decir, al átomo más electronegativo.
IONIZACIÓN Algunos átomos son tan electronegativos que pueden capturar electrones de otros átomos durante una reacción química. La partícula que dispone de una mayor cantidad de electrones en comparación a la molécula o al átomo neutro recibe el nombre de anión. La partícula que, en cambio, presenta menos electrones que el átomo o la molécula neutra se llama catión. La ionización física, consiste en aislar los electrones que forman parte de la molécula neutra a través del suministro de la energía requerida.
MOLÉCULAS POLARES Y NO POLARES Los átomos de oxígeno del agua atraen a los electrones con mayor fuerza que los átomos de hidrógeno. Como resultado, se dice que los enlaces O—H de la molécula de agua están polarizados, de manera que uno de los átomos tiene carga parcial negativa y el otro tiene carga parcial positiva. Las moléculas polares de importancia biológica contienen uno o más átomos electronegativos, casi siempre O, N, S y P. Cuando las moléculas no poseen átomos electronegativos y enlaces polarizados se estipula que, no son polares. Algunas de las moléculas biológicas más interesantes, incluidas las proteínas y los fosfolípidos contienen regiones polares y no polares y estas actúan de manera diferente.
ENLACES NO COVALENTES Los enlaces covalentes son uniones muy fuertes establecidas entre los átomos que conforman una molécula. Las interacciones entre las moléculas se establecen por diferentes uniones débiles llamadas enlaces no covalentes. Los enlaces no covalentes no dependen de electrones compartidos, sino de las fuerzas de atracción entre los átomos de cargas opuestas.
Radicales libres como causa de envejecimiento Las modificaciones del DNA llevan a la generación de mensajes genéticos erróneos que promueven la degeneración celular gradual. Los átomos se estabilizan cuando sus capas están saturadas de electrones. Las capas electrónicas poseen orbitas, cada una de las cuales puede tener no más de dos electrones. Los átomos o las moléculas que poseen orbitas con un solo electrón no pareado tienden a ser muy inestables, y se conocen como radicales libres. Los radicales libres son en extremo reactivos y pueden alterar de manera química muchos tipos de moléculas, entre ellas proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. La formación de radicales hidroxilo tal vez sea una de las razones principales de que la luz solar sea tan nociva para la piel. Investigaciones posteriores revelaron que los radicales superóxido se forman dentro de las células durante el metabolismo oxidativo normal y que una dismutasa de su peróxido está presente en las células de diferentes organismos, desde las bacterias hasta los seres humanos. Un área relacionada es la investigación de sustancias conocidas como antioxidantes que son capaces de destruir los radicales libres. La venta de estas sustancias constituye una fuente importante de utilidades para la industria de las vitaminas y los suplementos alimenticios. Aunque de manera individual los enlaces no covalentes son débiles, cuando gran número de estos actúa en conjunto, como sucede entre las dos cadenas sencillas de una molécula de DNA o entre las diferentes partes de una proteína, sus fuerzas de atracción son aditivas.
Enlaces iónicos: atracción entre átomos cargados
Un cristal o grano de sal de mesa se mantiene unido por atracciones electrostáticas entre los iones de Na+ con carga positiva y los iones de Cl– con carga negativa. Este tipo de atracción entre componentes completamente cargados se conoce como enlace iónico. Un antioxidante que recibe considerable atención es el reservatrol, un compuesto poli fenólico presente en altas concentraciones en la corteza de las uvas rojas. Existe la creencia ampliamente difundida de que el reservatrol es la causa de los beneficios para la salud atribuidos al vino tinto. En vez de eliminar radicales libres, al parecer dicha sustancia actúa estimulando una enzima (Sir2) que tiene una participación importante en promover la longevidad. La fuerza iónica en una célula casi siempre es débil debido a que hay agua, pero en la parte interna de una proteína, donde no se permite la presencia del agua, estos enlaces pueden tener gran influencia.
Puentes de hidrógeno Cuando un átomo de hidrogeno se une de manera covalente a un átomo electronegativo, en particular al átomo de oxigeno o nitrógeno, el único par de electrones compartidos es desplazado con una gran fuerza hacia el núcleo del átomo electronegativo, lo cual deja una carga parcial positiva al átomo de hidrogeno. Los puentes de hidrogeno se forman entre las moléculas con mayor polaridad y son en particular importantes en la determinación de la estructura y propiedades del agua. Estos puentes también se forman entre los grupos polares presentes en las moléculas biológicas grandes, como los que se forman entre las dos cadenas sencillas de la molécula del DNA. La estructura del agua favorece las interacciones para formar puentes de Hidrógeno, el arreglo siempre es perpendicular entre las moléculas participantes, además, es favorecido por que cada protón unido a un Oxígeno muy electronegativo encuentra un electrón no compartido con el que interactúa uno a uno. De lo anterior se concluye que cada átomo d Oxígeno en el agua interacciona con 4 protones.
ÁCIDOS, BASES Y AMORTIGUADORES Los protones no solo se encuentran dentro del núcleo atómico, sino que también se liberan dentro del medio, siempre que un átomo de hidrogeno pierda un electrón. Una molécula capaz de liberar (donar) un ion hidrogeno se llama ácido. El protón liberado por la molécula del ácido acético en la reacción previa no permanece en estado libre; se combina con otra molécula.
En presencia de un ácido, la concentración de iones hidrogeno se eleva y la concentración de iones hidroxilo desciende (como resultado de la combinación con protones para formar agua), de modo que el producto iónico permanece en 10–14. La mayor parte de los procesos biológicos es muy sensible al pH debido a que los cambios de la concentración del ion hidrogeno afectan el estado iónico de las moléculas biológicas. Los organismos, y las células que los forman, están protegidos de variaciones de pH por amortiguadores, compuestos que reaccionan con iones de hidrogeno o hidroxilos libres y por lo tanto resisten los cambios de pH. Las soluciones amortiguadoras contienen de manera normal un ácido débil junto con una base conjugada.
LA NATURALEZA DE LAS MOLÉCULAS BIOLÓGICAS La mayor parte de la masa total de un organismo es agua. Si se evapora el agua, casi todo el peso seco consta de moléculas que contienen átomos de carbono. Cuando se descubrió lo anterior se pensó que las moléculas que poseen carbono solo estaban presentes en los organismos vivos y por lo tanto se las denomino moléculas orgánicas para distinguirlas de las moléculas inorgánicas que se encuentran en el mundo inanimado. La química de la vida se centró alrededor de la química del átomo de carbono. La característica esencial del carbono que le permite desempeñar este papel es el número increíble de moléculas que puede formar. El átomo de carbono posee cuatro electrones en su órbita externa y por consiguiente puede unirse a otros cuatro átomos. De manera más relevante, cada átomo de carbono es capaz de unirse con otros átomos de carbono para construir moléculas que contienen esqueletos de largas cadenas de átomos de carbono.
Grupos funcionales Los hidrocarburos no se encuentran en cantidades significativas dentro de la mayoría de las células vivas. Muchas moléculas orgánicas que son importantes en la biología contienen cadenas de átomos de carbono semejantes a los hidrocarburos, pero ciertos átomos de hidrogeno se sustituyen por varios grupos funcionales.
Clasificación de las moléculas biológicas de acuerdo con su función 1. Macromoléculas. Las moléculas que forman la estructura y ejecutan las actividades de las células son moléculas grandes, molécula son similares en todos los organismos. 2. Elementos unitarios para construir macromoléculas. La mayoría de las macromoléculas dentro de las células tiene una vida corta en comparación con la vida de la célula; con excepción del DNA, el resto de las moléculas se degrada y sustituye de forma continua por nuevas macromoléculas. 3. Intermediarios metabólicos (metabolitos). Las moléculas en una célula tienen estructuras químicas complejas y deben sintetizarse en una secuencia paso a paso que comienza con materiales específicos de inicio. En la célula, cada serie de reacciones quimicas se conoce como una vía metabólica. 4. Moléculas de función diversa. Desde luego, esta es una categoría muy amplia de moléculas, pero no tan grande como podría esperarse; gran parte de la masa del peso seco de una célula está formada por moléculas y sus precursores directos.
CUATRO TIPOS DE MOLÉCULAS BIOLÓGICAS Las macromoléculas descritas con anterioridad pueden dividirse en cuatro tipos de moléculas orgánicas: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
Carbohidratos Los carbohidratos incluyen azucares simples y todas las moléculas grandes construidas de unidades de azúcar. Los carbohidratos funcionan de manera primaria como almacenes de energía química y materiales de construcción durables para las estructuras biológicas. Los azucares que contienen tres carbonos se conocen como triosas, aquellos con cuatro carbonos como tetrosas, los que tienen cinco carbonos como pentosas, aquellos que tienen seis carbonos son hexosas y los que poseen siete carbonos se conocen como heptosas.
Estereoisomerismo: Como se mencionó, un átomo de carbono puede unirse con otros cuatro átomos. La disposición de los grupos alrededor del átomo de carbono, con el carbono colocado en el centro de un tetraedro y los grupos unidos y proyectados en sus cuatro esquinas. .
Polisacáridos: A mediados del siglo XIX se descubrió que la sangre de las personas que padecían diabetes tenía un sabor dulce debido a una elevada concentración de glucosa, la cual es el azúcar clave del metabolismo energético. Claude Bernard, notable fisiólogo frances de la época descubrió la causa de la diabetes tras investigar la fuente del azúcar sanguíneo. En aquella época se asumía que todo el azúcar presente en un ser humano o animal debía consumirse con anterioridad en la dieta. Al trabajar con perros, Bernard encontró que aun si los animales consumían una dieta del todo carente de carbohidratos, su sangre todavía contenía una cantidad normal de glucosa. Desde luego, la glucosa podía formarse en el cuerpo a partir de otro tipo de compuestos.
Lípidos Los lípidos son un grupo diverso de moléculas biológicas no polares cuyas propiedades comunes son su capacidad para disolverse en solventes orgánicos, como el cloroformo o el benceno, y su incapacidad para disolverse en agua, una propiedad que explica muchas de sus funciones biológicas variadas. Los lípidos importantes en la función celular incluyen a las grasas, esteroides y fosfolípidos. Grasas Las grasas consisten en unas moléculas de glicerol unido por enlaces tipo ester a tres ácidos grasos; la molécula compuesta se denomina triacilglicerol. Los ácidos grasos difieren entre sí en la longitud de sus cadenas de hidrocarburos y la presencia o ausencia de enlaces dobles. Los ácidos grasos presentes en las células de manera típica varían en su longitud de 14 a 20 carbonos. Los ácidos grasos que no tienen doble enlace, como el ácido esteárico, se llaman saturados; los que poseen do bles enlaces son insaturados.
Proteínas Las proteínas son las macromoléculas que llevan a cabo virtualmente todas las actividades de la célula; son las herramientas moleculares y las maquinas que hacen que sucedan las cosas. Se estima que una célula de mamífero tiene en general tanto como 10 000 proteínas diferentes con diversas funciones. Como enzimas, las proteínas de manera notoria aceleran la velocidad de las reacciones metabólicas; como cables estructurales, las proteínas proveen apoyo mecánico tanto dentro de las células como fuera de sus perímetros; como hormonas, factores de crecimiento y activadores de genes, las proteínas realizan una amplia variedad de funciones reguladoras; como receptores de membranas y transportadores, las proteínas determinan el tipo de célula a la que reaccionan y que sustancias entran o salen de la célula; como fi lamentos contráctiles y motores moleculares, las
proteínas constituyen la maquinaria para los movimientos biológicos. Entre sus múltiples funciones restantes, las proteínas actúan como anticuerpos, sirven como toxinas, forman los coágulos sanguíneos, absorben o refractan la luz y transportan sustancias de una parte del cuerpo a otra. Unidades estructurales de las proteínas: Las proteínas son polímeros formados de monómeros aminoaciditos. Cada proteína contiene una secuencia única de aminoácidos que le confiere a la molécula sus propiedades únicas. Gran parte de las propiedades de una proteína se pueden entender al examinar las propiedades quimicas de los aminoácidos que las constituyen. En las proteínas se encuentran casi siempre 20 aminoácidos diferentes, sean proteínas de un virus o de un ser humano. Hay dos aspectos de la estructura de los aminoácidos que deben considerarse: los que son comunes a todos ellos y los que son únicos de cada uno. Se describen primero las propiedades compartidas.