MOLECULAS ORGANICAS
CARBOHIDRATOS
Son compuestos orgánicos formados por C, H, O. También son llamados glúcidos, azúcares o hidratos de carbono. Estos dos últimos nombres no son del todo apropiados, pues no todos son dulces, ni se trata de moléculas cuyos carbonos estén hidratados. Químicamente hablando son aldehídos (R-CHO) o cetonas hidroxiladas (R-CO-R). Se clasifican según su complejidad en: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos.
Monosacáridos
Como se mencionó, los constituyentes monoméricos de los carbohidratos corresponden a los monosacáridos. Estos son moléculas compuestas por Carbono, Hidrogeno y Oxigeno en la proporción Cn(H2O)n. Existen dos grandes familias: una conjugadas a un grupo aldehído y otra a un grupo cetona. Dentro de esta división, son clasificados según el número de átomos de carbono que contengan.
Para la PSU las que ganan importancia corresponden a:
Triosas: Son poco conocidas. Los únicos componentes de esta familia corresponden al gliceraldehido y la dihidroxicetona. Generalmente se encuentran en forma de metabolitos o intermediarios.
Pentosas: Sus exponentes comúnmente citados son la ribosa y la 2-desoxirribosa, ambas aldopentosas. Forman parte de los nucleótidos del RNA, DNA y energéticos (como el ATP).
Hexosas: Son las más conocidas. En ellas podemos citar a la galactosa, la fructosa y a la glucosa.
La glucosa existe en dos estados conformacionales: α-glucosa y β-glucosa.
Disacáridos
Los disacáridos son el producto de la unión entre dos monosacáridos, sean iguales o
diferentes, a través de un enlace O-glucosídico. La formación de los disacáridos tiene lugar a través de condensación, formando H2O
De igual manera que la síntesis de disacáridos, su lisis es llevada a cabo por hidrólisis (añadir agua), proceso realizado por enzimas específicas para dicho disacárido. Los disacáridos de interés para la PSU son:
Lactosa: Disacárido formado por galactosa y glucosa. Presente en la leche. Sacarosa: Disacárido formado por glucosa y fructosa. Corresponde al azúcar de mesa.
Polisacáridos
Los polisacáridos son polímeros de monosacáridos, sean estos homogéneos (iguales) o heterogéneos (mezclas). Son la forma más común de encontrar glúcidos en la naturaleza (madera, algodón, cereales, tubérculos, etc), y generalmente actúan como reservas de energía o como soporte estructural.
Almidón: Polisacárido de α-glucosa. Está formado por cadenas lineales de α -glucosa llamadas amilosas y por cadenas ramificadas de α-glucosa llamadas amilopectinas. Su biosíntesis es llevada a cabo por los organismos productores (plantas), actuando como reserva de α-glucosa.
Glucógeno: Polisacárido ramificado de α-glucosa. Está formado por cadenas lineales de α -glucosa enlazadas unas con otras. Es más compacto que el almidón y es la principal forma de reserva de α-glucosa en las células eucariontes animales. Su depósito principal en los animales es el hígado, y luego el musculo estriado.
Celulosa: Polisacárido estructural formado por cadenas entrecruzadas lineales de β -glucosa. Presente en las células eucariontes vegetales y la pared celular de algunos hongos.
LIPIDOS
Constituyen una familia bastante heterogénea de compuestos orgánicos, formados principalmente por C, H y O unidos por enlaces covalentes apolares, que casi lo único que tienen en común es su gran insolubilidad en agua (hidrofóbicas). Esta propiedad permite que los lípidos sean extraídos desde los tejidos y órganos mediante solventes orgánicos apolares como el éter, benceno, cloroformo o acetona. Además, no forman polímeros y presentan en su estructura una menor proporción de oxígeno que los carbohidratos.
Los ácidos grasos son moléculas que, en general, no se encuentran libres en la célula debiendo ser obtenidos por hidrólisis desde los lípidos en donde están almacenados. Presentan un grupo carboxilo polar e hidrofílico (-COOH) unido a una cadena hidrocarbonada apolar e hidrofóbica (que puede ser saturada o insaturada). Es esta doble naturaleza la que permite considerarlos moléculas anfipáticas. Es por ello que, al aumentar el tamaño de la cadena apolar hidrofóbica disminuye notablemente su solubilidad en agua, haciendo a los ácidos grasos naturales muy poco solubles en agua.
Existen dos tipos de ácidos grasos: saturados e insaturados. Los ácidos grasos saturados presentan enlaces simples entre sus átomos átomos de carbono. Como no presentan ningún enlace doble cada átomo de carbono está saturado por átomos de hidrógeno.
Los ácidos grasos insaturados presentan enlaces dobles entre los átomos de carbono que causan que la cadena hidrocarbonada se flexione. La presencia de simples o dobles enlaces trae consecuencias en el empaquetamiento de la
molécula
insaturado presenta dobles enlaces).
Los acilglicéridos o glicéridos, son lípidos constituidos por una molécula de glicerol (alcohol) a la cual se le pueden unir; uno (monoglicérido), dos (diglicéridos) o tres moléculas de ácidos grasos (triglicéridos).
Los triglicéridos se clasifican según su estado físico, en aceites y grasas. Los aceites son líquidos a temperatura ambiente, pues los ácidos grasos presentes en el son del tipo insaturado y de cadena corta, de origen vegetal; en cambio las grasas son sólidas a temperatura ambiente, pues los ácidos grasos presentes en el son del tipo saturado y de cadena larga,principalmente de origen animal.
Figura .Diagrama que muestra la formación de un triglicérido a partir de una molécula de glicerol más tres ácidos grasos del tipo saturado. El enlace se llama tipo éster o estérico y el proceso, esterificación o
condensación. De derecha a izquierda se indica la hidrólisis.
Los glicéridos son de importancia biológica debido a sus múltiples funciones entre ellas se encuentran:
Reserva energética: A diferencia de muchas plantas, los animales sólo tienen una capacidad limitada para almacenar carbohidratos. En los vertebrados, cuando los azúcares que se ingieren sobrepasan las posibilidades de utilización o de transformación en glucógeno, se convierten en grasas. De modo inverso, cuando los requisitos energéticos del cuerpo no son satisfechos por la ingestión inmediata de comida, el glucógeno y posteriormente la grasa son degradados para llenar estos requerimientos. Las grasas y los aceites contienen una mayor proporción de enlaces carbono-hidrógeno ricos en energía que los carbohidratos y, en consecuencia, contienen más energía química. En promedio, las grasas producen aproximadamente 9,3 kilocalorías por gramo, en comparación con las 3,79 kilocalorías por gramo de carbohidrato, o las 3,12 kilocalorías por gramo de proteína.
Aislantes térmicos: Contra las bajas temperaturas. El tejido adiposo (que almacena grasa) está particularmente bien desarrollado en los mamíferos marinos.
conmoción física. Estos depósitos de grasa permanecen intactos, aún en épocas de inanición.
Los terpenos son lípidos que resultan de la unión de muchas unidades pequeñas, llamadas isoprenos. Son terpenos las siguientes vitaminas liposolubles:
A: participa en la fisiología de la visión, al formar parte de la rodopsina, un pigmento fotosensible presente en los bastones retinianos.
E: es un antioxidante intracelular que impide el deterioro prematuro de los tejidos. K: forma parte de una enzima que interviene en el proceso de coagulación sanguínea.
PROTEINAS
Conocidas también como polipéptidos o polímeros de aminoácidos, las proteínas son importantes biomoléculas celulares compuestas de Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno, Oxígeno y Azufre. Pueden llegar a tener enorme número de roles dentro de la dinámica celular.
Comenzaremos el análisis de las proteínas por sus constituyentes monoméricos: los aminoácidos.
▪ Los Aminoácidos
Los aminoácidos son los las unidades monoméricas de las proteínas. En la naturaleza proteica existen veinte, de los cuales diez (Isoleucina, Leucina, Lisina, Metionina, Fenilalalina, Treonina, Triptófano, Valina, Tirosina* e Histidina) no son sintetizados por el organismo humano (y otros organismos) siendo necesaria su ingesta en la dieta.
Existen aminoácidos raros que no forman parte de las proteínas, pero son importantes intermediarios. Dos buenos ejemplos corresponden a la citrulina y la ornitina, dos aminoácidos presentes en el ciclo de la urea.
Químicamente consisten en un carbono quiral (que posee cuatro sustituyentes diferentes) siendo tres de ellos altamente conservados entre los veinte aminoácidos. Estos sustituyentes corresponden a:
Un átomo de hidrógeno (H) Un grupo amino (NH2) Un grupo carboxilo (COOH)
Un radical [R] (el que otorga la identidad a cada aminoácido)
Estructura básica de un aminoácido único en solución acuosa. Los grupos NH2 y COOH se muestran cargados por consecuencia de no estar unido a un polipéptido y estar disuelto
Dentro de los aminoácidos, podemos distinguir diferentes familias: Cargados
Apolares
La anterior clasificación cobra importancia en el hecho que las diferentes combinaciones de aminoácidos contribuyen a una conformación tridimensional propia cada proteína tiene su propia combinación.
ESTRUCTURAS PROTEICAS
Las proteínas tienen la complejidad de poseer varias estructuras conformacionales, en relación al estado de síntesis en el que éstas se encuentran.
Es conveniente señalar (aunque se verá en guías posteriores) que la síntesis de las proteínas se lleva a cabo en tres diferentes complejos celulares: los ribosomas, el Reticulo Endoplasmático (o ergastoplasma) Rugoso y el Aparato de Golgi.
Las proteínas poseen cuatro estructuras, conforme a su grado de maduración (en estricta relación con su función futura):
a. Estructura lineal (Primaria) b. Estructura Secundaria
Alfa hélice
La estructura lineal es la estructura que se obtiene apenas la cadena de aminoácidos ha sido producida en el ribosoma. En ese periodo la cadena es muy joven y no ha sufrido las modificaciones necesarias para ejercer su efecto definitivo. Las hormonas peptídicas (cuyo número de aminoácidos no supera los diez en general) son una gran excepción a esta regla.
Para obtener la estructura lineal es necesario unir varios aminoácidos estrictamente seleccionados. Esta unión entre aminoácidos se conoce como enlace peptídico, y se forma de manera semejante al enlace O-glucosídico: por condensación.
La estructura secundaria se obtiene cuando los aminoácidos de la cadena lineal comienzan a interaccionar unos con otros (p. ej. Aminoácidos positivos y negativos tienden a atraerse, y si están muy separados la cadena lineal tenderá a plegarse). La fuerza presente en dicha estructura corresponde a los puentes de hidrogeno. Dependiendo de esta interacción se pueden formar dos estructuras: Una hélice, α -hélice, o una estructura “quiebrada” o plegada, conocida como hoja beta o β -plegada. En un mismo polipéptido pueden coexistir ambas estructuras.
La estructura terciaria aparece cuando la proteína ya ha sido modificada en el RER y ya cursa su modificación final en el aparato de Golgi. Los aminoácidos que poseen radicales sulfurados (cisteína) forman enlaces del tipo puentes disulfuros (cisteína-cisteína). La posición de dichos aminoácidos está determinada genéticamente para lograr establecer una estructura funcional acorde a la proteína. Una vez que se forman estos puentes, la proteína puede ejercer una función.
En resumen, las estructuras proteicas poseen las siguientes características:
FUNCIONES DE LAS PROTEINAS
Las proteínas son las moléculas orgánicas más abundantes de los tejidos vivos y sanos. Dirigen prácticamente la totalidad de los procesos vitales, incluso aquellos destinados a la producción de ellas mismas. Determinan la forma y la estructura de las células. Sus funciones se relacionan con sus múltiples propiedades, que son el resultado de la composición de aminoácidos, de la secuencia y del modo en que la cadena se pliega en el espacio.
ESTRUCTURAL: Ciertas glucoproteínas forman parte de las membranas y participan como receptores o facilitan el transporte de sustancias. Las proteínas del citoesqueleto, de las fibras del huso, de los cilios y flagelos. Nucleoproteínas (ácidos nucleicos + proteínas) es el caso de cromosomas, ribosomas y nucleolos. Proteínas que confieren resistencia y elasticidad a los tejidos, como el colágeno del tejido conjuntivo fibroso, la elastina del tejido conjuntivo elástico y la queratina de la epidermis.
HORMONAL: La insulina y el glucagón (que regulan la glicemia), la hormona del crecimiento y la calcitonina (que regula la calcemia).
TRANSPORTE: La hemoglobina transporta O2, en vertebrados y la mioglobina, en el interior de la célula muscular. Las lipoproteínas transportan lípidos en la sangre y las proteínas transportadoras de la membrana plasmática regulan el paso de solutos y agua a través de ella.
CONTRACTIL: La actina y la miosina son parte del músculo, responsables de la contracción muscular.
RESERVA: La ovoalbúmina del huevo y la gliadina del grano de trigo, entre otras, son la reserva de aminoácidos utilizadas en el desarrollo del embrión.
ENZIMATICA: Las enzimas son catalizadoras de las reacciones químicas dentro de las células, es decir, aceleran la velocidad de las mismas. Son numerosas y altamente específicas. Son ejemplos de enzimas: la amilasa que cataliza la digestión del almidón y la lipasa cataliza la digestión de los lípidos y la pepsina que cataliza la digestión de las proteínas.
ENZIMAS
Las enzimas son proteínas que actúan como biocatalizadores, es decir, aceleran las reacciones químicas que ocurren tanto en el medio intra como en el extra celular. Estas reacciones químicas siempre requieren para su inicio de un aporte de energía llamada energía de activación (Ea) energía mínima necesaria que deben alcanzar los reactantes (sustratos) para su transformación en productos).
ACIDOS NUCLEICOS
Objetivo: Explican que el ADN contiene información genética en todos los seres vivos, que dirige a síntesis de proteínas y guía su propia replicación durante la preparación de la división celular.
Los ácidos nucleícos son biomoléculas poliméricas formadas por Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno, Oxigeno y Fósforo, organizadas en unidades monoméricas llamadas nucleótidos. Los exponentes más conocidos de esta familia de biomoléculas consisten en el DNA (ácido desoxirribonicleico) y el RNA (ácido ribonucleico).
El rol que poseen los ácidos nucleícos en la célula está íntimamente relacionado con la información genética. La dinámica de funcionamiento del DNA y del RNA se analizará en mayor profundidad en guías del módulo electivo.
Por ahora, comenzaremos este punto describiendo como se organizan las unidades fundamentales de los ácidos nucleícos: los nucleótidos.
▪ Los Nucleótidos
Los nucleótidos son los componentes monoméricos de los ácidos nucleícos. Están compuestos de tres componentes estructuralmente diferentes:
- Un grupo fosfato (véase en la guía 1) - Una pentosa (ribosa o desoxirribosa)
- Una base nitrogenada (Adenina, Timina, Guanina, Uracilo o Citosina).
Fig. 1. Estructura básica de un nucleótido. En el rectángulo superior derecho se expresa el lugar que ocupa la base nitrogenada (purina [Adenina o Guanina] o pirimidina [Citosina, Timina o Uracilo]), bajo él se destaca la pentosa (en este caso una ribosa) y a su izquierda el grupo fosfato unido al C5.
Las bases nitrogenadas son moléculas pequeñas provenientes de dos familias: las purinas (cuyos constituyentes son la Adenina y Guanina) que se caracterizan por la presencia de un anillo doble, y las pirimidinas (cuyos constituyentes son la Citosina, Uracilo y Timina) que se caracterizan por la presencia de un anillo único.
Fig. 2. Estructura química de las purinas y pirimidinas
Fig.3. (izq) Desoxirribosa. (der) Ribosa. Destáquese la presencia de oxígeno en la ribosa y su ausencia en la
desoxirribosa (marcado con un cuadrado rojo).
Acido Desoxirribonucleico, DNA o ADN
El ácido desoxirribonucleico (ADN, DNA) es una biomolécula formada por los nucleótidos dAMP (Adenina), dTMP (Timina), dCMP (Citosina) y dGMP (Guanina), ordenados en forma de hélice dextrógira (sentido de giro a la derecha) de una larga longitud. La “d” antes de cada sigla de nucleótido representa la presencia de la pentosa
desoxirribosa, característica especial y única del DNA. Posee dos tipos de enlaces que mantienen la hélice estable. En sentido horizontal (base nitrogenada con base nitrogenada) participan los enlaces de hidrógeno. En sentido vertical (grupo fosfato con grupo fosfato) participan los enlaces 5’-3’-fosfodiester.
Fig. 4. El DNA, el sentido dextrógiro de su enrollamiento. En amarillo se representan las bases nitrogenadas y en azul los grupos fosfato junto con las desoxirribosas.
Las letras que componen las palabras dentro de este “mensaje genético” son los nucleótidos antes mencionados, que en un orden específico forman diferentes palabras conocidas como genes.
El DNA presente en cloroplastos y mitocondrias, así como en bacterias es mucho más corto que el de las células eucariontes, estando organizado en un solo cromosoma.
Historia del ADN
La primera vez que se aisló una sustancia desconocida obtenida desde los núcleos de células inmunitarias provenientes de apósitos sucios con pus fue en los experimentos de Miescher en 1869, la cual fue llamada nucleína.
Posteriormente fue Levene quien caracterizó la estructura del nucleótido (pentosa + fosfato + base nitrogenada). En 1930 Levene y Kossel probaron que la nucleína era un ácido desoxirribonucleico formado por cuatro bases nitrogenadas diferentes, unidas por su grupo fosfato.
El experimento de Griffith
Pese al enorme avance de Levene y Kossel, aun no se conocía la función del DNA. En 1928, Frederick Griffith trabajaba estudiando cepas S (lisas) y R (rugosas) de la bacteria Streptococcus pneumoniae. La diferencia entre S y R era la virulencia (capacidad de producir enfermedad, siendo la cepa S mortal).
Se inyectaron cepas S y R en ratones. Los que recibieron S fallecieron y los R sobrevivieron. Sin embargo, si se calentaba la cepa S y se inyectaba no pasaba nada (porque las bacterias morían), pero si se inyectaba la cepa S muerta mezclada con R viva, los ratones morían y se podían aislar luego cepas S vivas dentro del ratón.
NO. Lo que planteó Griffith revolucionó la genética de la época, proponiendo la existencia del factor
transformante
¿Pudieron las cepas R transformarse en virulentas utilizando alguna sustancia que
liberaban las bacterias S al momento de morir?
No fue hasta dentro de 15 años aproximadamente que se logró comprobar mediante técnicas moleculares que dicha sustancia transformante no era un lípido, polisacárido ni proteína. Hoy en día se sabe que dicho factor transformante correspondía a los plásmidos de virulencia. Aquel momento fue el nacimiento de la genética molecular.
El experimento de Hershey y Chase
El modelo de Watson y Crick
Tomando toda la información obtenida, más la valiosa información de los experimentos con difracción de rayos X de Rosaline Franklin, Watson y Crick propusieron el modelo de la estructura del DNA utilizado hasta el día de hoy, conocido como el modelo de la doble hélice.
Este modelo proponía que las cuatro bases nitrogenadas, coexistían en dos cadenas antiparalelas unidas por los enlaces de hidrógeno, siguiendo un sentido dextrógiro de enrollamiento. Los principales pilares serían los enlaces 3’-5’ fosfodiester y los enlaces de hidrógeno.
Las ventajas biológicas de este modelo son el equilibrio químico-físico de las bases nitrogenadas, la posibilidad de optimización de la replicación y mantención de la molécula y una eficiente forma de preservar las secuencias génicas.
En 1962 recibieron el Premio Nobel en Fisiología o Medicina, en base a su artículo publicado en
Nature (1953): “Molécular Structure of Nucleic Acids: A structure for Deoxyribose Nucleic Acid”.
El DNA es un largo pergamino que contiene todas las instrucciones para confeccionar proteínas en los ribosomas, y así poder desarrollar un individuo completo y toda su dinámica bioquímica, biológica, ontogénica y fenotípica. Si lo pudiésemos estirar y medir, su longitud sería de dos metros aproximadamente por cada célula eucariota animal.
¿Es acaso responsabilidad de todo el porcentaje no codificante la manera en que el 1.5% codificante constituye nuestro fenotipo?
El DNA presente en cloroplastos y mitocondrias, así como en bacterias, es mucho más corto que el de las células eucariotas, estando organizado en un solo cromosoma circular (pueden existir varias copias de dicho cromosoma). En los núcleos eucariotas existen varias moléculas de DNA lineal, mucho más largo y complejo, de las cuales al condensarse aparecen los diferentes cromosomas.
Acido Ribonucleico, RNA o ARN
El ácido ribonucleico (ARN, RNA) es una biomolécula formada por los nucleótidos AMP (Adenina), UMP (Uracilo), CMP (Citosina) y GMP (Guanina), ordenados en diferentes estructuras, todas lineales de larga o corta longitud. Son cadenas similares al DNA (poseen enlaces 5’-3’ fosfodiester y pueden formar enlaces de hidrógeno) pero no son dobles cadenas en hélice, sino que son monocatenarios (una sola cadena). Los nucleótidos constituyentes del RNA poseen todos las mismas bases nitrogenadas del DNA con excepción del Uracilo, y a diferencia del DNA poseen ribosa en su estructura.
Fig. 5 (Izquierda) Diagrama de la estructura de un mRNA (RNA mensajero). (Derecha) Diagrama molecular del esquema adyacente.
eso la naturaleza creó un ácido nucleico que pudiese copiar la información genética (o parte de ella), salir del núcleo y de esa manera expresarse. Si algo le pasase a esa molécula, simplemente se sintetizaría otra, dado que solo es una copia de la original. Si algo le pasase al DNA (daño irreparable) la célula debe morir.
Así podemos distinguir, de manera general tres tipos de RNAs, que serán profundizados en el módulo electivo de biología:
RNA mensajero RNA ribosomal RNA de transferencia
En resumen, el RNA es una copia de una de las cadenas del DNA, generada por un proceso llamado transcripción.
Bibliografía
