S ESION 3
TEM A: CO MPOSICIÓN QUÍMICA Y ORGANIZAC IÓN MOLEC ULAR DE LA MATERIA VIVA
I. O BJETIVO S DE LA SESIÓ N:: El desarrollo de lo s contenidos de esta sesión
pretende que lo s alumnos
conozcan la composición química y organización molecular de las biomoléculas y compren dan su importancia en la estructura y función celular
II. TEM AS
El estudio de la estructura y función de lo s seres vivo s requiere cono cer cuales son los bioelementos con stituyentes y cómo éstos se organizan en las biomoléculas
1) Composición química de lo s seres vivo s: bioelementos y ciclos biogeoquímicos 2) Características fisico químicas de lo s comp uestos
a) compuestos orgánicos : enlaces químico s, grupos funcion ales y reactividad química. Isomeria funcional, espacial y óptica. Ejemplos.
b) Propiedades fisicoquímicas de las biomoléculas : Polaridad y Solubilidad 3) Composición química de lo s seres vivo s: Biomoléculas inorgánicas y orgánicas
a) Abun dancia relativa (composición %) y ro l funcional.
b) Características fisico químicas de importancia biológica de las biomoléculas c) Importancia bio ló gica del agua. Características fisicoquímicas del agua d) Importancia de las uniones débiles en las interacciones moleculares y en la organ ización molecular de los seres vivos. Ló gica molecular de la vida.
1. C om posición Química de los Seres Vivos
Los organismos vivos obtienen sus elementos constituy entes de la corteza terrestre a través de procesos de nutrición y metabolismo, especialmente nutrición vegetal, y son devueltos al medio ambiente durante la eliminación de desechos, muerte y descomposición. De esta manera se establecen ciclos bio geo químicos de los bioelementos.
____________ Nutrición Vegetal _____________ ↓
Organismo Vivo Corteza Terrestre H, O, C, N = 99% (Mayores) O, Si, Al, Fe = 90% Ca, P, K, Cl, Na, M g (Menores) Ca, Na, K, Mg = 17% Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Al, (trazas)
V, Mo, F, Si, Sn, Ni, Cr, Se ___________Desechos metabólicos ___________↑
1. Seleccionan sus elementos, ya que del centenar de elementos presentes en la corteza terrestre sólo 25 a 30 forman parte de las estructuras bio lógicas
2. Acumulan ciertos elementos químicos, puesto que los elementos más abun dantes en los seres vivos no son lo s más abun dantes en la corteza terrestre es decir, los seres vivos no están en equilibrio químico con su medio ambiente.
Los bioelementos forman una gran variedad de compuestos o biomoléculas, cuyas características deriv an del tipo de átomo y de la nat uraleza de la interacción o enlace químico entre los átomos. Mucho s elementos son tóxicos para los seres vivos en estado elemental, pero sus compuestos son in dispen sables para la actividad bio lógica. Por ejemplo el Cl y el Na elemental son tóxicos, mientras los iones so dio (Na+) y cloro (Cl-) son fun damentales para la actividad celular.
2. C aracterísticas fisicoquímicas de los com puestos biológicos
De acuerdo al tipo de en lace químico existen dos gran des grupo s de compuestos :
covalentes y no-covalentes o iónicos.
Según la polaridad del enlace, los com puestos covalentes pueden ser polares o apolares. Además según la composición elemental lo s comp uestos pueden ser orgánicos si presentan carbono (C) en su estructura o inorgánicos, si carecen de él.
Entre las biomoléculas predominan lo s compuestos orgán icos, lo s cuales presentan una gran variedad estructural forman do caden as lineales o ramificadas y estructuras cíclicas. Además de los enlaces covalentes carbono – carbono simples, do bles y triples, las biomoléculas forman enlaces covalentes con H, O, N, P, y S.
En general las moléculas orgánicas son comp uestas muy estables con energías de enlace entre 60 y 150 Kcal/mol. Sin em bargo no son compuestos inertes sino que presentan reactividad, lo que permite que ocurran reacciones que hacen po sible pro cesos como el metabolismo y el recambio de estruct uras celulares.
La reactividad química de los compuestos orgán icos depende de la composición elemental y la interacción entre los átomos, lo que determina la presencia y distribución espacial de ciertos grupo s químico s o grupos funcionales.
Además de la reactividad, los grupos funcionales determinan las características de polaridad y solubilidad de lo s compuestos orgán ico s. Por ejemplo el azúcar com ún y el aceite vegetal son sustancias orgánicas, pero mientras el azúcar, formada por sacarosa, es polar y soluble en agua, el aceite vegetal, formado prin cipalmente por triglicérido s, es apolar e inso luble en agua.
Además de la presencia de grupos orgánicos determinado s es muy importante la distribución esp acial de átomos y grupos químico s en la molécula, lo cuál determina la existencia de isómeros químicos.
GRUPO COMPUESTOS ORGANICOS EJEMPLOS
1. Hidroxilo Alcolho les R – OH CH3 – CH2OH Etanol
2. Eter Eteres R- O- R CH3 – O – CH3 Eter etilico
3. Aldehído Aldehído s R – CHO CH3 – CHO Acetaldehído
4. Ceto Cetonas R – CO– R CH3 – C O– CH3 Acetona
5. Carboxilo Acidos R – COOH CH3 – C O OH ácido acético
6. Ester Esteres R – C O– O - R CH3 – C O– O – CH2 – CH3 Etil, metil ester o acetato de etilo
7. Amino Aminas R –NH2 CH3 – CH2 – NH2 etilamina (amina 1ª)
H H H H
8. Amida Amidas R- C – N – R H2N- C – C - N – C - COOH O R O R
Dipéptido H
9. Tiol Tioles R- SH H2 N – C – COOH cisteína CH2
SH (un aminoácido)
Todos los seres vivos están formados por las mismas sustancias químicas en proporción similar, con algunas diferencias como por ejemplo el colesterol ausente en organismos vegetales y la celulosa ausente en organismos animales.
Las biomoléculas que constituyen lo s seres vivos se en samblan en estruct uras altamente organ izadas que permiten el funcionamiento armónico e integrado de las diferentes estructuras celulares.
Las biomoléculas interaccionan a través de en laces débiles, de entre 1 a 5 Kcal/mol: Fuerzas de Van der Waals o union es hidrofó bicas (1 Kcal/mol), puentes de H y uniones dipo lo-dipolo ( 5 Kcal/mol). Estas uniones permiten interaccion es reversibles entre las biomoléculas, lo que hace posible realizar procesos como catálisis en zimática, transporte celular, movimiento celular, regulación hormonal, replicación de ADN, expresión y regulación génica, etc.
Composición porcentual (%) de las biomoléculas en lo s seres vivos
Biomoléculas Bacteria Hongo Vegetal Animal (E. Co li) (Mixomiceto) (Maíz) (Mamífero) Agua 70 81 79 65 – 70 Sustancia minerales 1 4.0 1.2 1
Proteínas 15 8.5 1.8 16 Lípido s 2 ( P-Lípido s) 1.8 0.5 P-Lípidos + Lípido s 5 neutros
Hidratos de Carbono 1 2.0 17.5 3 – 4 Acido s Nucleico s ADN 1 0.2 ARN 6 1 ADN + ARN 2.5 1
La actividad bioló gica no es solamente el resultado de la asociación de biomoléculas de acuerdo a sus propiedades fisico químicas, ya que una exacta combinación de ellas no produce vida. La materia viva presenta un orden molecular distinto al que p uede esperarse sólo por princip ios fisicoquímico s para las biomoléculas en un medio acuoso. Este orden correspondería más bien al orden o btenido a partir de una matriz biológica y estaría determinado por principios de organ ización que Lehnin ger denominó Lógica Molecular de los Seres Vivos.
3. Propiedades fisicoquímicas e importancia biológica del agua
El agua es el componente más abun dante de la materia viva, 60 a 70 % es agua. El agua es el solvente biológico universal, contribuye a regular la temperatura corporal y participa directamente en reacciones bio ló gicas. Todas las actividades bio lógicas ocurren en medio acuo so.
3.1 Propiedades fisicoquímicas del agua
¨
+
H2O O 0.99 A O O
H ¨ H H H H H
104.5ºo -
Además de lo s en laces O-H covalentes intramoleculares, el agua forma puentes de
hidrógeno, enlaces intermoleculares débiles, no cov alentes, determinante en las
propiedades físico-químicas del agua y que explican su importancia biológica.
H Una molécula de agua forma puentes de H con O H otras 4 moléculas de agua. La cantidad de puentes H O de H es v ariable y afecta la densidad y el estado H físico del agua. La densidad es máxima a 4°C y mínima a 0°C. El agua líquida presenta una 110 Kcal/mol O cantidad variable de p uentes de H que cambia H H continuamente determinan do una. estructura H H dinámica. El agua líquida tiene alrededor de 15%
O O meno s p uentes de H que el hielo. H 4.5 Kcal/mol H
Peso Molecular = 18 g/mol Punto de fusión = 0 °C Punto de ebullición = 100°C Calor de evaporación = 596 cal /mol, Con stante dieléctrica (D) = 80, Tensión superficial = 76 erg/cm2
3.2. Importancia biológica del agua
El agua comparativamente con otros líquido s, presenta altos puntos de evaporación y ebullición, alta tensión superficial y es un buen solv ente polar, to do ello debido a la presencia de puentes de H. Aparte de ello el agua tiene alta capacidad calórica ( 1 cal /g/°C) y es un buen conductor térmico, lo que junto con su alto calor de evaporación contribuye a regular la temperatura de los organismos vivos y disminuy e el riesgo de desecación. Su alta tensión superficial es importante en procesos de transporte por capilaridad. Además tiene una alta visco sidad, la que es modificada por interacción con los solutos, determinan do v ariaciones de flujo de los fluido s bioló gico s y regulación del transporte realizado por éstos.
La alta constante dieléctrica (poder separador de cargas), D, determina su alta capacidad para solubilizar compuestos ión ico s. De acuerdo a Coulomb F = q+ q- , según lo cual, la
D r2 La fuerza de atracción entre las cargas (F), es inversamente proporcional a la constante
dieléctrica del medio. Por su capacidad para formar puentes de H con sustancias polares el agua es un buen so lvente polar y participa directamente en reacciones químicas en la célula. Como por ejemplo reaccion es de hidrólisis y fotosíntesis
III. ACTIVIDAD PREVIA
Lectura Syllabus Sesión 3
IV. METODOLOGIA DE LA SESIÓN
Exposición descriptiva de los contenido s, integran do contenidos de Química General y Química Orgán ica.
1) Nelson y Cox Prin cipio s de Bio química de Lehnin ger Edit. Omega, Cap 3 (Obligatoria)
