Conexión con tu mundo
Los fabricantes de autos muchas veces fabrican varios tipos de autos a partir de la misma plataforma interna. El tamaño y el estilo de los autos pueden ser diferentes en el exterior, pero tienen la misma estructura por debajo. Las moléculas a base de carbono son similares, pero son mucho más variadas. Hay millones de moléculas a base de carbono, pero se forman sobre unas pocas estructuras simples compuestas de átomos de carbono.
CONCEPTO CLAVE
Las moléculas a base de carbono son la base
de la vida.
IDEAS PRINCIPALES
Los átomos de carbono tienen propiedades de enlace únicas.
En los seres vivos se hallan cuatro tipos importantes de moléculas a base de carbono.
Las moléculas a base de carbono
VOCABULARIO monómero polímero carbohidrato lípido ácido graso proteína aminoácido ácido nucleico IDEA PRINCIPAL
Los átomos de carbono tienen propiedades
de enlace únicas.
Frecuentemente se dice que el carbono es el elemento básico de la vida porque los átomos de carbono son la base de la mayoría de las moléculas de los seres vivos. Estas moléculas forman la estructura de los seres vivos y llevan a cabo la mayoría de los procesos que permiten la vida de los organismos. El carbono es muy importante porque su estructura atómica le confiere propiedades de enlace que no se encuentran en los demás elementos. Cada átomo de carbono tiene cuatro electrones no pareados en su nivel de energía exterior. Por esa razón, los átomos de carbono pueden formar enlaces covalentes con hasta cuatro átomos, incluso con otros átomos de carbono. Como se muestra en la FIGURA 3.1, las moléculas a base de carbono tienen tres estructuras fundamentales: cadenas rectas, cadenas ramificadas y anillos. Los tres tipos de moléculas son resultado de la capacidad del carbono de formar cuatro enlaces covalentes. Las cadenas de carbono se pueden enlazar con anillos de carbono para formar moléculas muy grandes y complejas. Estas moléculas grandes pueden estar formadas por muchas moléculas pequeñas enlazadas unas con otras. En cierto sentido, estas moléculas se forman de manera similar a la de los eslabones que se unen para formar la cadena de una bicicleta.
FIGURA 3.1 CADENAS y ANILLOS DE CARBONO
Cadena recta
Una estructura simplificada se puede mostrar también así:
Cadena ramificada Anillo
Vainillina Penteno Hexano CH3 CH CH2 CH2 CH3 CH3 CH3 CH2 CH2 CH CH2 C C C C C H H H H H H H H H H O C C OH CH CH CH CH O CH3 C
2.3
©Mike
Po
well/Getty
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En muchas moléculas a base de carbono, las moléculas pequeñas son subunidades del todo de una molécula, como los eslabones de una cadena. Cada subunidad de la molécula completa se llama monómero.
Cuando los monómeros se enlazan, forman moléculas llamadas polímeros. Un polímero
es una molécula grande, o macromolécula, formada por muchos monómeros unidos por enlaces. Todos los monómeros de un polímero pueden ser iguales, como sucede con los almidones, o pueden ser diferentes, como en el caso de las proteínas.
Sintetizar Escribe tu propia analogía para explicar la formación de un polímero a partir de monómeros.
IDEA PRINCIPAL
En los seres vivos se hallan cuatro tipos importantes de
moléculas a base de carbono.
Todos los organismos están constituidos por cuatro tipos de moléculas a base de carbono: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Estas moléculas tienen diferentes estructuras y funciones, pero todas están formadas a partir de cadenas y anillos de carbono.
Los carbohidratos
Las frutas y los granos pertenecen a diferentes grupos de alimentos, pero ambos contienen grandes cantidades de carbohidratos. Los carbohidratos son moléculas compuestas de carbono, hidrógeno y oxígeno, y entre ellas se encuentran los azúcares y los almidones. Los carbohidratos se pueden descomponer para obtener una fuente de energía química utilizable para las células. Los carbohidratos son también una parte importante de la estructura de las células vegetales.
Los carbohidratos menos complejos son los azúcares simples o monosacáridos. Muchos azúcares simples tienen cinco u ocho átomos de carbono. Las frutas contienen un azúcar de seis carbonos llamado fructosa. La glucosa, uno de los azúcares producidos por las células vegetales durante la fotosíntesis, es otro azúcar de seis carbonos. Los azúcares simples pueden enlazarse para formar carbohidratos más grandes. Por ejemplo, dos azúcares enlazados forman el disacárido que conocemos como azúcar común, y que se muestra en la FIGURA 3.2. Muchas moléculas de glucosa pueden enlazarse para formar
polisacáridos, que son polímeros de monosacáridos.
Los almidones, el glicógeno y la celulosa son polisacáridos. Los almidones y el glicógeno son similares, pero se diferencian de la celulosa porque sus monómeros de glucosa están enlazados de una manera diferente. La mayoría de los almidones son cadenas ramificadas de moléculas de glucosa. Los almidones son producidos y
almacenados por las plantas, y tanto las células vegetales como las animales los pueden descomponer para obtener energía. El glicógeno, que es producido y almacenado por los animales, es más ramificado que los almidones producidos por las plantas.
Monómero Polímero Ejemplo Función
HERRAMIENTAS DE LECTURA
TOMAR NOTAS
Usa una tabla como ayuda para entender los monómeros y polímeros en las moléculas a base de carbono.
FIGURA 3.2 El azúcar común (sacarosa) es un disacárido, es decir, una molécula de dos azúcares, de glucosa (recuadro) y fructuosa. Cada molécula más pequeña
es una subunidad llamada monómero.
Un polímero es una molécula que contiene muchos monómeros unidos por enlaces. mono- = uno poli- = muchos monómero polímero VOCABULARIO VISUAL
La glucosa (C6H12O6) puede tener forma de
anillo y generalmente se representa como un hexágono simplificado. CH2OH H H H H H OH OH OH O C HO C C C C
FIGURA 3.3 ESTRUCTURA DE LOS CARBOHIDRATOS
La celulosa es algo diferente del almidón y el glicógeno. Su estructura recta y rígida, como se muestra en la FIGURA 3.3, hace de la molécula de celulosa un elemento básico de la estructura de la célula vegetal. La celulosa forma la pared celular, que es la dura capa exterior que cubre las células vegetales. Tú has comido celulosa en las fibras alargadas de verduras como el apio, así que sabes que es difícil de masticar y triturar.
Los lípidos
Los lípidos son moléculas apolares como las grasas, los aceites y el colesterol. Como los carbohidratos, la mayoría de los lípidos contienen cadenas de átomos de carbono enlazados con átomos de oxígeno y de hidrógeno. Algunos lípidos se descomponen para obtener energía utilizable para la célula. Otros lípidos son parte de la estructura de la célula. Las grasas y los aceites son dos tipos de lípidos muy conocidos. Estos almacenan grandes cantidades de energía química en los organismos. Las grasas animales se hallan en alimentos como la carne y la mantequilla. Algunas grasas vegetales se conocen como aceites, por ejemplo, el aceite de oliva y el aceite de maní. Las
estructuras de las grasas y los aceites son similares. Ambos consisten en una molécula llamada glicerol unida a moléculas llamadas ácidos grasos. Los ácidos grasos son cadenas de átomos de carbono enlazadas con átomos de hidrógeno. En la FIGURA 3.4
se muestran dos tipos diferentes de ácidos grasos.
Muchos lípidos, tanto grasas como aceites, contienen tres ácidos grasos enlazados con glicerol. Estos lípidos reciben el nombre de triglicéridos. La mayor parte de las grasas de origen animal son grasas saturadas, lo que significa que tienen el número máximo posible de átomos de hidrógeno. Es decir, hay un átomo de hidrógeno en todos los lugares donde uno de ellos puede enlazarse con un átomo de carbono, y todos los enlaces carbono-carbono son enlaces simples. Podemos decir que el ácido graso está “saturado” de átomos de hidrógeno. Por el contrario, los ácidos grasos de los aceites tienen menos átomos de hidrógeno porque tienen al menos un enlace doble entre los átomos de carbono. Estos lípidos son llamados grasas no saturadas porque los ácidos
grasos no están saturados de átomos de hidrógeno. Las grasas y los aceites son muy similares, pero, ¿por qué las grasas de origen animal son sólidas y los aceites vegetales líquidos? Los enlaces dobles de las grasas no saturadas forman “rizos” en los ácidos grasos. Como resultado de esto, las moléculas no se pueden cohesionar lo suficiente para formar un sólido.
Polímero (celulosa)
La celulosa es un polímero de monómeros de glucosa que tiene una estructura recta y rígida.
monómero
Polímero (almidón)
El almidón es un polímero de monómeros de glucosa que generalmente tiene una estructura ramificada.
FIGURA 3.4 Los ácidos grasos pueden ser saturados o no saturados.
CONEXIÓN CON
ESTRUCTURA
DE LA CéLULA
Una pared celular de celulosa rodea la membrana de las células vegetales. En Estructura y función celular estudiarás más a fondo las paredes celulares.
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Las grasas saturadas contienen ácidos grasos en los cuales todos los enlaces carbono-carbono son enlaces sencillos. Las grasas no saturadas contienen ácidos grasos con al menos un enlace carbono-carbono doble. Ácido graso saturado
Ácido graso no saturado O CH2 HO C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 CH2 HO C CH CH O C CH2 CH C CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
FIGURA 3.5 ESTRUCTURA DE LOS LíPIDOS
Fosfolípido Triglicérido
Todas las membranas celulares están formadas fundamentalmente por otro tipo de lípido llamado fosfolípido. Los fosfolípidos están formados por glicerol, dos ácidos grasos y un grupo fosfato (PO4–) que es parte de la “cabeza” polar de la molécula. Los
ácidos grasos son las “colas” apolares de los fosfolípidos. Observa la FIGURA 3.5 y compara la estructura de un fosfolípido con la estructura de un triglicérido.
El colesterol es un lípido con estructura de anillo. Quizás hayas escuchado sobre el peligro de comer alimentos con un alto contenido de colesterol, como los huevos; sin embargo tu cuerpo necesita cierta cantidad de colesterol para realizar sus funciones. Por ejemplo, el colesterol forma parte de las membranas celulares y tu cuerpo lo utiliza para producir unas sustancias químicas llamadas hormonas esteroides. Los esteroides a base de colesterol tienen muchas funciones. Algunos regulan la respuesta del cuerpo ante el estrés. Otros, como la testosterona y el estrógeno, controlan el desarrollo sexual y el sistema reproductor.
Las proteínas
Las proteínas son las moléculas a base de carbono más variadas de los organismos. Las proteínas intervienen en procesos como el movimiento, la vista o la digestión. Una proteína es un polímero formado por monómeros llamados aminoácidos. Los
aminoácidos son moléculas que contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y, a veces, azufre. Los organismos utilizan 20 aminoácidos diferentes para formar proteínas. Tu cuerpo puede producir 12 de los aminoácidos. Los otros provienen de los alimentos que comes, como la carne, los frijoles y las nueces.
Observa en la FIGURA 3.6 el aminoácido serina. Todos los aminoácidos tienen estructuras similares. La FIGURA 3.7 muestra cómo cada monómero de un aminoácido tiene un átomo de carbono enlazado a otras cuatro partes. Tres de ellas son iguales en todos los aminoácidos: un átomo de hidrógeno, un grupo amino (NH2) y otro grupo
carboxilo (COOH). Los amonoácidos difieren sólo en su cadena lateral, o grupo R. Los aminoácidos forman entre sí enlaces covalentes, llamados enlaces peptídicos. Los enlaces se forman entre el grupo amino de un aminoácido y el grupo carboxilo de otro aminoácido. A través de los enlaces peptídicos, los aminoácidos se unen en cadenas llamadas polipéptidos. Una proteína está formada por uno o más polipéptidos.
FIGURA 3.6 La serina es uno de los 20 aminoácidos que forman las proteínas de los organismos.
Los triglicéridos tienen tres ácidos grasos y una molécula de glicerol, pero no tienen un grupo fosfato. Los fosfolípidos tienen “colas” apolares de ácidos grasos y una “cabeza” polar que contiene un grupo fosfato. cabeza colas PO4 – H C O OH C CH2 N H H OH
FIGURA 3.7 ESTRUCTURA DE LOS AMINOáCIDOS y LAS PROTEíNAS
Todos los aminoácidos tienen un átomo de carbono enlazado a un átomo de hidrógeno, un grupo amino (NH2) y un
grupo carboxilo (COOH). Los distintos aminoácidos tienen diferentes cadenas laterales (grupos R).
Monómero (aminoácido)
Los enlaces peptídicos se forman entre el grupo amino de un aminoácido y el grupo carboxilo de otro aminoácido.
Polímero (proteína)
Un polipéptido es una cadena bien ordenada de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Una proteína está formada por uno o más polipéptidos.
enlaces peptídicos enlaces peptídicos H C H R N C N O H C O H C O OH C R N H H
Web
©Eye of Science/Photo Researchers, Inc. Self-check Online HMDScience.com Premium ContentEvaluación formativa
REPASO IDEAS PRINCIPALES
¿Qué relación hay ente un
1. polímero y
un monómero? Explica por qué los
2. ácidos nucleicos y las proteínas se consideran polímeros. Recuerda describir los monómeros que forman los polímeros.
RAzONAMIENTO CRíTICO
Comparar y contrastar
3. ¿En qué se
parecen los carbohidratos y los
lípidos? ¿En qué se diferencian?
Inferir
4. Explica cómo las propiedades de enlace de los átomos de carbono producen una gran variedad de moléculas a base de carbono en los seres vivos.
CONEXIÓN CON
BIOQUíMICA
¿Por qué podrían los
5. ácidos
grasos, los aminoácidos y los ácidos nucleicos elevar la concentración de iones de hidrógeno (H+) de una solución?
Explica.
Las proteínas difieren en el número y el orden de sus aminoácidos. La secuencia específica de aminoácidos determina la estructura y función de una proteína. Dos tipos de interacciones entre las cadenas laterales de algunos aminoácidos son especialmente importantes para la estructura de las proteínas. En primer lugar, algunas cadenas laterales contienen átomos de azufre. Los átomos de azufre pueden formar enlaces covalentes que hacen que la proteína se curve para adquirir cierta forma.
En segundo lugar, entre las cadenas laterales de algunos aminoácidos se pueden formar enlaces de hidrógeno. Esos enlaces de hidrógeno hacen que la proteína se doble adquiriendo una forma específica. Por ejemplo, en la FIGURA 3.8 se muestra la estructura de uno de los cuatro tipos de polipéptidos que forman la hemoglobina, la proteína de tus glóbulos rojos que transporta el oxígeno. Cada uno de los cuatro polipéptidos contiene un átomo de hierro que se enlaza a una molécula de oxígeno. Los cuatro polipéptidos están doblados de tal manera que los cuatro sitios donde se transporta el oxígeno se encuentran juntos en una estructura en forma de bolsa dentro de la molécula. Si una proteína tiene aminoácidos incorrectos, se puede producir un cambio en la estructura que le impide a la proteína cumplir su función adecuadamente. Un solo aminoácido incorrecto entre los 574 aminoácidos de la hemoglobina causa el trastorno conocido como enfermedad de células falciformes.
Los ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos son cadenas extremadamente largas de moléculas a base de carbono en las que se almacenan instrucciones detalladas para formar proteínas. Los ácidos nucleicos son polímeros formados por unos monómeros llamados nucleótidos. Los nucleótidos están compuestos por un azúcar, un grupo fosfato y una molécula que contiene nitrógeno llamada base. Hay dos tipos generales de ácidos nucleicos: el ADN y el ARN.
Los ácidos nucleicos trabajan en conjunto para formar las proteínas. El ADN almacena la información necesaria para unir los aminoácidos que forman las proteínas, y el ARN ayuda a construirlas. El ADN es la parte fundamental de los genes y la herencia, pero no puede hacer nada por sí mismo. Por otra parte, su estructura —el orden de los nucleótidos— suministra el código para el correcto ensamblaje de las proteínas. Muchos tipos diferentes de moléculas de ARN ayudan a ensamblar proteínas con base en el código genético. El ARN también puede catalizar reacciones. En la unidad La genética, aprenderás más sobre los ácidos nucleicos y cómo forman las proteínas.
Aplica ¿Qué relación hay entre las proteínas y los ácidos nucleicos? FIGURA 3.8 La hemoglobina en los
glóbulos rojos transporta oxígeno. La estructura de la hemoglobina depende de los enlaces de hidrógeno entre aminoácidos específicos. Un solo cambio en los aminoácidos hace que los glóbulos rojos tengan la forma curva característica de la enfermedad de células falciformes. (MEB pigmentada; ampliación 3,5003)
enlace de hidrógeno
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