Dentro de las moléculas orgánicas se encuentran las no informacionales (Carbohidratos, lípidos) y las informacionales (Proteínas, ácidos nucleídos). Es importante conocer que la química de la vida se centra en la estructura y actividad del carbono, esto debido principalmente a que el carbono tiene la particularidad de formar un gran número de moléculas. Este elemento contiene en su capa externa cuatro electrones y por lo tanto puede enlazarse a otros cuatro átomos. A su vez, el carbono forma enlaces con otros átomos de carbono y de esta manera, se organizan esqueletos que contienen cadenas largas de átomos constituyendo estructuras lineales, ramificadas ó cíclicas.
Carbohidratos: Los carbohidratos químicamente son aldehídos o cetonas polihidroxilados. Están ampliamente distribuidos en animales y vegetales, donde desempeñan funciones estructurales y metabólicas. Los animales pueden sintetizar algunos carbohidratos a partir de proteínas y lípidos, pero el mayor número de carbohidratos de animales se deriva en último término de los vegetales. La función de los carbohidratos es almacenar energía química y como material de construcción durable para estructuras biológicas. En el organismo la glucosa es convertida en otros carbohidratos que cumplen funciones básicas como el glucógeno (Figura 1.7) (almacenamiento), galactosa (en la lactosa de la
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leche, asociada a lípidos complejos o a proteínas) y la ribosa en los ácidos nucleídos.
FIGURA 0.7:EL GLUCÓGENO ES UN POLÍMERO DE GLUCOSA CON ENLACES GLICOSÍDICOS (FUENTE:AUDERSIRK ET AL 2001)
Los carbohidratos se caracterizan físicamente por ser azúcares sólidos, blancos, cristalinos, hidrosolubles, son capaces de desviar el plano de la luz polarizada y presentan planos de simetría en sus moléculas. Químicamente tiene como propiedades capacidad reductora, deshidratación, oxidación, alargamiento de cadena y formación de glucósidos.
Los carbohidratos se clasifican en Monosacáridos (Figura 1.8), Disacáridos y Polisacáridos. Los Monosacáridos no se pueden hidrolizar en moléculas más sencillas y se dividen en simples (glucosa, fructuosa y galactosa) y derivados (desoxiazúcares, aminoazúcares, alditoles, azúcares ácidos, ésteres fosfóricos y azúcares mixtos).
49 FIGURA 0.8:MONOSACÁRIDOS SIMPLES.(FUENTE:AUDERSIRK ET AL 2001)
Los Disacáridos (Figura 1.9) producen dos moléculas del mismo o diferente monosacárido. Como ejemplos se tiene Maltosa (Glucosa- Glucosa), Sacarosa (Glucosa-Fructuosa), Lactosa (Glucosa-Galactosa), entre otros.
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FIGURA 0.9:SÍNTESIS Y ROMPIMIENTO DE UN DISACÁRIDO:A)LA SACAROSA ES SINTETIZADA POR UN REACCIÓN DE DESHIDRATACIÓN, EN LA CUAL UN HIDRÓGENO (-H) SE SEPARA DE LA GLUCOSA Y UN GRUPO HIDROXILO (-OH) DE LA FRUCTOSA, FORMANDO UNA MOLÉCULA DE AGUA Y DEJANDO LOS DOS MONOSACÁRIDOS LIBRES PARA UNIRSE POR LA CADENA SIMPLE, PERMANECIENDO EL ÁTOMO DE OXÍGENO.B)LA HIDRÓLISIS DE LA SACAROSA ES SÓLO LA INVERSIÓN DE ESTA SÍNTESIS, EL AGUA SE DIVIDE Y AÑADE A LOS MONOSACÁRIDOS ANTERIORES.(FUENTE:AUDERSIRK ET AL 2001)
Los polisacáridos, son carbohidratos que al ser hidrolizados generan múltiples unidades monoméricas de monosacáridos (más de 10) este es el caso del glucógeno, almidón y celulosa. La figura 1.10 muestra la estructura de la quitina un polisacárido no ramificado del azúcar N- acetilglucosamina, similar en la estructura a la glucosa, pero tiene un grupo acetilamina en lugar del grupo hidroxilo. Este polisacárido se encuentra en la mayoría de los invertebrados, especialmente, en la cubierta externa de crustáceos, arañas e insectos.
FIGURA 0.10:POLISACÁRIDOS,QUITINA.(FUENTE:AUDERSIRK ET AL 2001)
Lípidos: Son compuestos muy heterogéneos poco o nada solubles en el agua pero muy solubles en disolventes orgánicos. Tienen como funciones ser los componentes básicos de las membranas biológicas, actúan como aislantes que previenen choques mecánicos y físicos, en el tejido adiposo constituyen depósitos de grasas que son formas de almacenar carbono y energía; además, generan protección que puede evitar infecciones y pérdidas o entradas excesivas de agua. El lípido químicamente es un éster de ácido graso con diversos alcoholes. Estas moléculas se clasifican en:
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Lípidos Simples: Como las grasas (ésteres de ácido graso con glicerol) y ceras (ésteres de ácido graso y con alcoholes monohidroxílicos de alto peso molecular).
Lípidos Complejos: Son ésteres de ácidos grasos que contienen otros grupos químicos además del alcohol y del ácido. De esta forma se encuentran los fosfolípidos (contienen además de las unidades básicas un grupo fosfórico), (Figura 1.11) esfingolípidos (contienen esfingosina en lugar de glicerol), glucolípidos (contienen además de las unidades básica un carbohidrato).
Lípidos precursores y derivados: Dentro de estos se encuentran las hormonas, las vitaminas liposolubles y las prostanglandinas.
FIGURA 0.11:LOS FOSFOLÍPIDOS SON SIMILARES A LAS GRASAS Y ACEITES, EXCEPTUANDO QUE LOS DOS ÁCIDOS GRASOS DE LA COLA SON UNIDOS A LA CADENA DEL GLICEROL.EN LA TERCERA POSICIÓN EL GLICEROL ES OCUPADO POR UNA CABEZA POLAR
COMPUESTA POR UN GRUPO FOSFATO (-PO), EL CUAL ESTÁ LIGADO AL SEGUNDO QUE CON FRECUENCIA CONTIENE UN GRUPO NITRÓGENO.(FUENTE:AUDERSIRK ET AL 2001)
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Proteínas: Las proteínas son asociaciones de aminoácidos, por lo tanto, químicamente tienen un grupo amino y uno carboxilo; los aminoácidos se unen a través de un enlace peptídico. Estos se caracterizan por ser ópticamente activos, ionizables, amortiguadores biológicos (especialmente aquellos que tienen una constante de ionización próxima al valor del pH fisiológico). Son sólidos solubles en agua. Químicamente tienen las reacciones de los grupos carboxilo, amino y grupo lateral R (cadena carbonada). Los aminoácidos se clasifican según varios parámetros:
Hidrofobicidad: Aquí se encuentran los hidrófobos (Triptófano, valina, tirosina, fenilalanina) hidrófilos (Histidina, ácido aspártico, lisina, serina, treonina, glutamina.
PH: ácidos (ácido aspártico, ácido glutámico), básicos (arginina, lisina) y neutros (fenilalanina, glicina).
Nutrición: Esenciales, los que están presentes en la dieta y que el organismo es incapaz de sintetizar (Leucina, metionina, fenilalanina), No esenciales (obtenidos también a través de la dieta pero pueden sintetizarse mediante intermediarios metabólicos por transaminación (glicina, prolina, serina).
Con Cadena alifática (glicina, alanina).
Con Cadena Aromática (Con anillos cíclicos Histidina, Fenilalanina, Triptófano).
Con átomos de azúfre (cisteína, metionina). Con grupos Hidróxilo (serina, treonina, tirosina).
A partir de 20 aminoácidos se originan todas las proteínas existentes en los organismos vivos; la complejidad, diversidad y presencia de proteínas en una especie dada viene determinada por el código genético.
Las proteínas en el cuerpo humano representan múltiples funciones entre las principales se encuentran servir como portadores de vitaminas, oxígeno, dióxido de carbono; además, llevan a cabo funciones estructurales, cinéticas, catalíticas, de movimiento y de señalización. De ahí que mutaciones en genes que codifican proteínas o en regiones de ADN que controlan la expresión génica, generen consecuencias desastrosas en el organismo. Las proteínas se clasifican según:
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Funciones biológicas: Enzimas (deshidrogenasas, cinasas), proteínas reguladoras (Proteínas unidas al ADN, hormonas peptídicas), proteínas estructurales (colágeno, proteoglucanos), proteínas de almacenamiento (ferritina, mioglobina), proteínas protectoras (factores de coagulación, inmunoglobulinas), proteínas de transporte (hemoglobina, lipoproteínas plasmáticas) y proteínas contráctiles (tubulina, actina).
La figura 1.12 muestra la estructura de las proteínas:
Estructura primaria que determina el número y clase de aminoácido presente en la proteína.
Estructura secundaria determina la forma en que se unen los aminoácidos en la proteína, la posibilidad de establecer enlaces no covalentes permite adoptar conformaciones más estables (Conformación en helicoide α, conformación hoja plegada β).
Estructura terciaria determina la conformación tridimensional de la proteína (colágeno, queratina) generando nuevos plegamientos por presencia de otros enlaces diferentes al peptídico y al puente de hidrógeno entre ellos los puentes disulfuro, las fuerzas electrostáticas, los enlaces hidrofóbicos y los enlaces polares.
Estructura cuaternaria determina la asociación de diversas cadenas que dan origen a estructuras globulares.
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FIGURA 0.12:ESTRUCTURASBÁSICAS DE LAS PROTEÍNAS (FUENTE:AUDERSIRK ET AL 2001)
Las enzimas son proteínas con propiedades catalíticas están conformadas por dos partes fundamentales:
Apoenzima: Parte proteica inactiva
Holoenzima: Conformada por el complejo proteína cofactor. El cofactor puede ser una molécula inorgánica como un ión metálico (Metaloenzima) o puede ser una molécula orgánica, en tal caso se denomina coenzima; la holoenzima es activa catalíticamente. Las enzimas son altamente específicas según el sustrato en el cual actúen.
Ácidos Nucléicos: Las dos clases básicas de ácidos nucleídos en los seres vivos son el ADN (Ácido desoxirribonucleico) y RNA (Ácido Ribonucleico).
Diferencias y similitudes entre ADN y RNA:
Químicamente son polímeros constituidos por unidades básicas denominadas nucleótidos cada nucleótido consta de tres estructuras químicas (Figura 1.13):
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Azúcar pentosa (Desoxirribosa en el ADN y ribosa en el ARN)
Base nitrogenada que se une al carbono 1 del azúcar estas se dividen en Purinas (Figura 1.14) (Se caracterizan por tener dos anillos formando su estructura y son la Adenina y la Guanina) y Pirimidinas (Figura 1.15) (Poseen un solo Anillo y son la Citosina, la Timina y el Uracilo); en el ARN no hay timina sino Uracilo; la complementariedad de estas bases para formar el ADN es A=T (unión establecida por dos puentes de Hidrógeno) y C=G (se establecen tres puentes de hidrógeno) (Figura 1.16 y 1.17.)
Grupo fosfato que se une al azúcar por el carbono 5' o 3'. El enlace químico que se establece cuando se unen dos nucleótidos se denomina 3'-5' fosfodiester; de esta manera, múltiples enlaces generan asociación de gran cantidad de nucleótidos formando polímeros (Figura 1.18)
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FIGURA 0.14:NUCLEÓTIDOS CONSTITUIDOS POR BASES PURICAS (FUENTE:AUDERSIRK ET AL 2001)
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FIGURA 0.16:FORMACIÓN DE DOS PUENTES DE HIDRÓGENO ENTRE ADENINA Y TIMINA (FUENTE:PURVES,ET AL 2001)
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FIGURA 0.18:MODELO DE ADN.DOS HEBRAS DE ADN ESTÁN ENROLLADAS EN UNA DOBLE HÉLICE QUE GIRA SOBRE SU EJE. (FUENTE:PURVES, ET AL 2001)