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LA BASE MOLECULAR DE LA VIDA
1. CARACTERÍSTICAS QUE DEFINEN A LOS SERES VIVOS
Todos los seres vivos que habitan en la Tierra tienen en común tres características que permiten diferenciarlos de la materia no viva:
- Una composición química similar. A pesar de las diferencias existentes entre ellos, todos los seres vivos están compuestos por los mismos elementos químicos, entre los que destaca el carbono. - Se organizan a partir de unidades similares. Todos los seres vivos están formados por células. - Llevan a cabo las mismas funciones vitales: la nutrición, que les permite obtener materia y energía del medio y transformarla en sustancias complejas para su mantenimiento; la relación, que les permite detectar los cambios del medio y mantener su equilibrio controlando todas sus funciones, y la reproducción, que les permite perpetuar la especie.
2. LOS BIOELEMENTOS
Los bioelementos son los elementos químicos que intervienen en la formación de los seres vivos. Se clasifican, según su abundancia, en bioelementos primarios, secundarios y oligoelementos.
- Los bioelementos primarios suponen el 96% de la materia viva y son indispensables para formar las biomoléculas que constituyen los seres vivos. El elemento principal es el carbono (C), y junto a él se encuentran el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre (S). Estos elementos, y no otros, son los idóneos para la vida, ya que son relativamente abundantes, se asimilan fácilmente, tienen una masa atómica baja y forman enlaces covalentes muy estables. - Los bioelementos secundarios , aunque aparecen en menor cantidad, llevan a cabo funciones fisiológicas importantes. Son principalmente el sodio (Na), el potasio (K), el magnesio (Mg), el calcio (Ca) y el cloro (Cl). - Los oligoelementos están presentes en proporción muy pequeña. Sin embargo, son indispensables. Muchos de ellos actúan como catalizadores en las reacciones químicas. Entre ellos se encuentran el hierro (Fe), el cobre (Cu), el yodo (I) o el litio (Li).
3. EL AGUA Y LAS SALES MINERALES
El agua y las sales minerales son los compuestos inorgánicos que componen la materia viva. Se diferencian de las biomoléculas orgánicas en que están presentes también en la materia inerte. LA ESTRUCTURA DEL AGUA El agua es la sustancia química más abundante de la materia viva. La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, que al unirse distribuyen de forma irregular los electrones que comparten, quedan más próximos al átomo de oxígeno por ser este más electronegativo.
Este hecho confiere a la molécula de agua un carácter dipolar ; es decir, tiene una parte con mayor densidad de carga negativa (electronegativa) más cerca del oxígeno y una parte con mayor densidad de carga positiva (electropositiva) sobre los hidrógenos. El carácter dipolar del agua le permite establecer enlaces por puentes de hidrógeno con otras moléculas de agua, formando así grupos de mayor masa molecular que hacen que a temperatura ambiente se encuentre en estado líquido. El agua también puede formar puentes de hidrógeno con otras sustancias polares.
Las propiedades y las funciones del agua
Propiedad del agua Función biológica en los seres vivos La polaridad de la molécula hace que sea el principal disolvente biológico
- El agua tiene una función de transporte , siendo el medio en el que circulan la mayoría de sustancias por el interior de los organismos. - El agua tiene una función metabólica , ya que es el medio donde se ocasionan la mayoría de las reacciones bioquímicas, en las que puede intervenir como reactivo o producto. El elevado calor específico y el elevado calor latente de vaporización le permiten acumular grandes cantidades de calor, que libera lentamente, amortiguando así los cambios de temperatura. El agua cumple una importante función termorreguladora , que ayuda a mantener constante la temperatura de los seres vivos. La menor densidad en estado sólido , debido a la dilatación que sufre el agua al congelarse, permite que el hielo flote sobre el agua líquida. El hielo que se forma en la superficie de las masas de agua tiene una función termoaislante , gracias a la cual es posible la existencia de vida acuática en los climas muy fríos. La elevada fuerza de cohesión que presentan las moléculas de agua, gracias a los puentes de hidrógeno, hace que el agua sea un líquido con elevada tensión superficial. Permite el desplazamiento de pequeños organismos sobre la superficie del agua y el fenómeno de la capilaridad.
- El agua tiene una función mecánica amortiguadora , evitando, por ejemplo, el roce de estructuras óseas durante el movimiento.
- El agua tiene una función estructural , ya que da volumen a las células
LAS BIOMOLÉCULAS ORGANICAS Y COMPUESTOS INORGÁNICOS.
Las biomoléculas orgánicas son moléculas exclusivas de los seres vivos, formada por la combinación de diferentes bioelementos. Los compuestos inorgánicos no son exclusivos de los seres vivos y son el agua, las sales minerales y algunos gases. LAS BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS: La biomolécula orgánica exclusivas de la materia viva, son los glúcidos , los lípidos, la proteína y los ácidos nucleicos. Las propiedades de las moléculas orgánicas vienen determinadas:
- La disposición de los átomos de carbono (cadena lineal, ramificada, …). - La longitud de la cadena , que disminuye la polaridad de la molécula, es decir, su capacidad para establecer interacciones electromagnéticas y, por tanto, su solubilidad en agua. - El grupo funcional , que caracteriza la molécula y le confiere propiedades específicas.
4. LOS GLÚCIDOS
Los glúcidos o hidratos de carbono son biomoléculas orgánicas, formadas fundamentalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno, y que responden a la fórmula general CnH2nOn. Los glúcidos se pueden clasificar en tres grandes grupos, dependiendo de su tamaño y estructura: los monosacáridos, los disacáridos y los polisacáridos. Los glúcidos se denominan también azúcares, debido a su sabor dulce. Son también solubles en agua y cristalinos. LOS MONOSACÁRIDOS Los monosacáridos son los glúcidos más sencillos, no se descomponen en moléculas más pequeñas. Algunos monosacáridos importantes son la glucosa, la fructosa y la ribosa. Características de los monosacáridos:
- Contienen de 3 a 7 átomos de C , unidos entre sí. - Cada átomo de carbono está unido a un grupo funcional, que puede ser: - Un grupo carbonilo : un grupo aldehído en un carbono terminal, o un grupo cetona en el carbono más próximo al carbono terminal. - Un grupo hidroxilo unido a cada uno de los carbonos restantes. - A partir de cinco átomos de C, los monosacáridos en disolución tienden a cerrarse, formando una estructura cíclica. Esta estructura cíclica puede ser de cinco átomos de carbono, denominada furanosa ; o de seis átomos de carbono, denominada piranosa
LOS POLISACÁRIDOS
Los polisacáridos son glúcidos complejos, formados por cientos o miles de moléculas de monosacáridos, unidos mediante enlaces O-glucosídicos. Se caracterizan por no tener sabor dulce y no ser solubles en agua debido a su elevada masa molecular. Algunos polisacáridos de interés biológico:
- La celulosa , de origen vegetal, está formada por cadenas lineales de β-D-glucosa. Estas cadenas se enlazan entre sí mediante puentes de hidrógeno, formando una estructura fibrosa. Tienen una función estructural y es el principal componente de las paredes celulares de las células vegetales. - El almidón , de origen vegetal, está formado por dos tipos de moléculas; la amilosa está constituida por cadenas lineales de glucosa y la amilopectina está formada por cadenas ramificadas. Ambas constituyen una reserva energética en vegetales. - El glucógeno , de origen animal, está formado por cadenas de α-D-glucosa con un alto grado de ramificación. Constituyen la reserva energética en los animales. Las funciones de los glúcidos: Función energética: La glucosa es la principal fuente de energía para la célula. Se utiliza como combustible en la respiración celular. Monosacáridos, como la fructosa, disacáridos y polisacáridos se transforman en la célula en glucosa, proporcionando también energía. Función estructural: La ribosa y la desoxirribosa forman parte de la estructura de los ácidos nucleicos. Otras funciones: Algunos glúcidos son precursores de otras sustancias con función reguladora, por ejemplo, la glucosa es el precursor de la vitamina C o ácido ascórbico. Existen glúcidos unidos a algunas de las proteínas de las membranas celulares, glucoproteína s, implicadas en el reconocimiento entre células.
CARACTERÍSTICAS DEL ÁTOMO DE CARBONO
El carbono es el elemento químico esencial en el que se basa la vida en nuestro planeta. Sus propiedades químicas le permiten formar estructuras que sirven de base para la construcción de las biomoléculas orgánicas. Las características del átomo de carbono son su tetravalencia, que puede formar largas cadenas y que permite una gran variabilidad molecular.
- La tetravalencia : El átomo de carbono se une, como máximo, a otros cuatro átomos. Puede formar enlaces covalentes con otros átomos de carbono; estos pueden ser sencillos, dobles o triples. Son enlaces estables que acumulan mucha energía, que puede ser liberada cuando se rompen. En esta situación, el carbono se comporta como si estuviese en el centro de un tetraedro (imagen de la molécula de metano), cuyos vértices corresponden a sus cuatro valencias, lo que dota a la molécula de una estructura tridimensional.
Son moléculas hidrofóbicas (repelen el agua), ya que no contienen grupos polares o con carga eléctrica. Sus funciones son:
- Almacenar energía en las células adiposas animales, o en algunas partes de las plantas, como los aceites de las semillas o los frutos. - Aislar térmicamente al organismo - Proteger órganos vitales como el corazón, el riñón, etc. CÉRIDOS O CERAS Las ceras están formadas por ácidos grasos que esterifican alcoholes de cadena larga. Son lípidos muy apolares e hidrofóbicos. Su función es impermeabilizar partes de los seres vivos. FOSFOLÍPIDOS Los fosfolípidos son lípidos en los que un grupo fosfato entra a formar parte de su molécula. Se clasifican en dos grandes grupos: - Los fosfoglicéridos están formados por glicerina, unida a dos ácidos grasos y a un grupo fosfato, que se une a su vez a otro alcohol. - Los esfingolípidos están formados por esfingosina (un aminoalcohol), unida a un ácido graso y a un grupo fosfato unido a otro alcohol. Todos los fosfolípidos son anfipáticos, es decir, presentan una zona hidrofílica o cabeza polar (los grupos fosfato y alcohol) y una zona hidrofóbica o colas apolares (los ácidos grasos). Su función es la de constituir la base de todas las membranas plasmáticas , gracias a su capacidad para formar bicapas lipídicas. GLUCOLÍPIDOS Los glucolípidos están formados por un esfingolípido , que lleva unido un glúcido de cadena corta y carece de grupo fosfato. Son un componente de las membranas celulares. El glúcido se orienta hacia el exterior y actúa como receptor formando la glucocálix y en el reconocimiento celular. LOS LÍPIDOS INSAPONIFICABLES ESTEROIDES Los esteroides están formados por un derivado de una molécula cíclica de- nominada esterano. Entre sus funciones se encuentran: - Formar parte de la membrana celular , como el colesterol, que le proporciona una mayor rigidez. - Regular algunos procesos , como la reproducción sexual , en el caso de las hormonas sexuales; o el metabolismo del calcio , como la vitamina D.
Terpenos
Los terpenos están formados por derivados de una molécula llamada isopreno. Sus funciones son:
- Participar en la fotosíntesis , como los pigmentos llamados xa ntofilas y carotenos. - Regular algunos procesos celulares , como el β-caroteno , que es el precursor de la vitamina A.
6. LAS PROTEÍNAS
Las proteínas están formadas por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y, en menor cantidad, azufre y fósforo. Son macromoléculas formadas por la unión de unidades más simples denominadas aminoácidos mediante enlaces peptídicos. LOS AMINOÁCIDOS Los aminoácidos son moléculas orgánicas que contienen un grupo amino (–NH2), un grupo carboxilo (–COOH) y una cadena lateral grupo funcional (R). Hay muchos aminoácidos diferentes, determinados por el grupo R, aunque solo veinte de ellos componen las proteínas. Estos aminoácidos se denominan α-aminoácidos porque el grupo amino, el grupo carboxilo y el radical se unen a un átomo de carbono denominado carbono α. Características Debido a la presencia de los grupos amino y carboxilo:
- Los aminoácidos presentan un comportamiento anfótero, es decir, pueden comportarse como ácidos o como bases según el medio en el que se encuentren. Esto quiere decir que si el medio es acido (ph bajo, muchos H) actúa como una baso y libera hidrógenos, si el medio es básico (ph elevado, pocos H) actúa como un ácido y absorbe hidrógenos. - El grupo amino de un aminoácido puede unirse al grupo carboxilo de otro mediante un enlace peptídico para formar un dipéptido, tripéptido, etc. La unión de muchos aminoácidos da lugar a polipéptidos y proteínas Estructura: Las proteínas , según la secuencia de aminoácidos, tienen una estructura tridimensional, la estructura nativa , que les confiere la capacidad de realizar una función biológica. Si la proteína pierde esta estructura, pierde su función. Este proceso se denomina desnaturalización Las proteínas se desnaturalizan cuando se rompen las interacciones que mantienen su estructura, debido a cambios de temperatura, de pH o de salinidad. En las proteínas se pueden distinguir cuatro niveles estructurales: estructura primaria (secuencia básica de aminoácidos), estructura secundaria (plegamiento en forma de α-hélice y la β- laminar u hoja plegada), estructura terciaria (forma globular) y estructura cuaternaria (unión de varias cadenas proteicas).
7. LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos, el ADN y el ARN , son macromoléculas encargadas de almacenar y transmitir la información genética. En cuanto a su estructura, los ácidos nucleicos son polímeros formados por subunidades más pequeñas, los nucleótidos, que contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo. LOS NUCLEÓTIDOS Existen cinco nucleótidos diferentes, que tienen una estructura común, formada por tres componentes diferentes:
- Una pentosa , un monosacárido de cinco átomos de carbono, que puede ser: - La ribosa en el ARN. - La desoxirribosa en el ADN. - Una base nitrogenada , un compuesto orgánico cíclico, que contiene dos o más átomos de nitrógeno, que puede ser de dos tipos: - Púricas: la adenina (A) o la guanina (G). - Pirimidínicas : la citosina (C), la timina (T) o el uracilo (U). Las bases nitrogenadas A, G, C y T se encuentran en el ADN, mientras que en el ARN la T es sustituida por el U. - Una molécula de ácido fosfórico. La formación de un nucleótido: Un nucleótido se forma por la unión de: - La pentosa a una base nitrogenada. Un carbono de la pentosa se une a un nitrógeno de la base nitrogenada. Este enlace se llama N-glucosídico y se forma por el C1. - La pentosa a una molécula de ácido fosfórico. Un carbono de la pentosa (diferente al que se ha unido a la base nitrogenada) se une al ácido fosfórico mediante un enlace éster por el C5. La clasificación de los nucleótidos: Los nucleótidos se clasifican en: - Los desoxirribonucleótidos , que contienen como azúcar la d-2-desoxirribosa y como bases nitrogenadas la adenina, la guanina, la citosina y la timina. - Los ribonucleótidos , que contienen como azúcar la d-ribosa y como bases nitrogenadas la adenina, la guanina, la citosina y el uracilo (que sustituye a la timina).
La formación de los ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos están formados por muchos nucleótidos, que se unen entre sí formando largas cadenas. La unión de los nucleótidos se produce mediante un enlace éster entre un grupo OH del ácido fosfórico de un nucleótido y un grupo OH de la pentosa del siguiente nucleótido. Por tanto, cada molécula de ácido fosfórico forma dos enlaces éster, uno con la pentosa de un nucleótido y otro con la pentosa del siguiente nucleótido. Este enlace se denomina enlace fosfodiéster. EL ADN Y EL ARN
ARN ADN
COMPOSICÓ N QUIMICA PENTOSA Posee β-D- ribosa Posee β-D-desoxirribosa BASE Adenina, guanina, citosina y uracilo todas ellas en distintas proporciones. Adenina, guanina, citosina y timina. Las proporciones son idénticas en G – C y A- T. (ADN de doble cadena) ESTRUCTUR A CADENA Los ARN son monocatenarios, están constituidos por una sola cadena polinucleótida y su tamaño es menor El ADN esta constituido por una doble cadena polinucleótida que se presentan en distintas estructuras CONFIGU RACIÓN Salvo el ARNt (con estructura en hoja de trébol), no presentan una estructura espacial determinada. Estructura de doble hélice, con las dos cadenas unidas mediante el enlace de las bases A=T Y G ≡T FUNCIÓN El ARN mensajero (ARNm). Es el ARN que transporta la información para la síntesis de proteínas. Este ARN se sintetiza en el núcleo celular y se traslada al citoplasma. El ARN ribosómico (ARNr). Se asocia con una gran cantidad de proteínas diferentes y forma los ribosomas. Está compuesto por moléculas de diferentes tamaños que, en algunas zonas, presentan una estructura secundaria en horquilla. El ARN transferente (ARNt). Transporta los aminoácidos a los ribosomas, colocándolos según indica la secuencia del ARNm para sintetizar las proteínas. Son moléculas pequeñas, formadas por una sola cadena, plegada, por lo que presenta una estructura secundaria en forma de horquilla en algunas zonas. Cada ARNt se une a un aminoácido específico. El ADN es la molécula que transmite la información genética de una célula a su descendencia. La información contenida en el ADN es necesaria para que se puedan llevar a cabo las funciones celulares. La mayor parte de la información contenida en el ADN se utiliza para sintetizar proteínas. El ADN es el que permite los cambios genéticos en los organismos y, por tanto, su evolución.
largos períodos de tiempo dentro de la célula, sin llegar a replicarse; es lo que se conoce como ciclo lisogénico. Si actúa inmediatamente se denomina lítico.
- Formación de viriones y salida de la célula. Los componentes del virus, viriones, se ensamblan, formando nuevas partículas de virus capaces de infectar nuevas células. La salida de los viriones puede implicar o no la rotura (lisis) y muerte de la célula.
LOS VIROIDES
Los viroides son agentes patógenos que infectan plantas. Son más sencillos que los virus, no poseen cápsida ni envoltura lipídica. La estructura de un viroide consta exclusivamente de un ARN de cadena sencilla circular y covalentemente cerrado con forma de bastón. El tamaño del genoma de los viroides abarca desde unos 200 nucleótidos hasta unos 2000. Los viroides no codifican ninguna proteína y para su replicación emplean la maquinaria celular. Se ha sugerido que constituyen una etapa primitiva de los virus.
LOS PRIONES
Los priones son agentes infecciosos formados únicamente por una proteína que presenta alteraciones en su estructura tridimensional. La infección tiene lugar cuando un prion o proteína infecciosa contacta con la proteína nativa, que tiene un plegamiento normal. El prion modifica el plegamiento de la proteína normal, que se transforma en otro prion. Esta reacción en cadena produce agregados no funcionales de la proteína, que causan la enfermedad. Los priones son responsables de algunas encefalopatías espongiformes de mamíferos, como el mal de las vacas locas, que se transmite al ingerir un animal con priones.
Los glúcidLos polisacáridos se caracterizan por no tener sabor dulce.
• los glúcidos
