Introducción a la biología celular y molecular, Universidad Católica de Valencia

Composición elemental de los seres vivos

Bloque 1. Introducción a la biología celular y molecular.

1. Composición elemental de los seres vivos: Bioelementos y biomoléculas.
2. Procesos celulares. Bioenergética.
3. Metabolismo celular: anabolismo/catabolismo

Universidad Católica de Valencia San Vicente Mártir Bioquímica clínica. 1º EnfermeríaTema 1

Bioelementos y biomoléculas

Fundamentos químicos de la vida

• Todos seres vivos están formados por una serie de elementos y compuestos quimicos. . Los elementos químicos que forman parte de la materia viva se denominan bioelementos.
• En los seres vivos, los bioelementos forman biomoléculas que podemos clasificar en:

1. Inorgánicas (se encuentran en la materia viva y la inerte, es materia no basada en la química del C):
   • Agua
   • · Sales minerales
   • · Gases: O2, CO2, N2, ...
2. Orgánicas (se encuentra únicamente en la materia viva, es la química del carbono):
   • Glúcidos
   • · Lípidos
   • · Proteínas
   • · Ácidos Nucleicos

Fundamentos químicos de la vida: Elementos

En cualquier ser vivo se pueden encontrar alrededor de setenta elementos químicos, pero no todos son indispensables ni comunes a todos los seres.

Símbolo 0.01 Porcentaje de materia viva Nombre Fe 26 1- HIERRO 5.0 Número atómico H Porcentaje en la corteza terrestre H 1 He 1 02 20 B 5 C 6 CARBONO 0.54 2.5 N 7 0.00 52 0 8 F 9 Ne 2 Li Be Bioelementos secundarios en todos los organismos Bioelementos secundarios en algunos organismos Bioelementos primarios + Se han encon- trado trazas Al 13 8.4 Si 14 237 P 15 0.05 S 15 0.06 Cl 17 Ar 3 21 0.1 4 K 19 2.1 2.5 Ca 20 12 Sc Ti V 23 Cr + Mn 25 0.01 Fe 26 50 Co 27 Ni Cu 29 CORRE Zn 30 Ga Ge As Se 56.800 Br Kr 5 Rb RACO Sr Y Zr Nb Mo 42 Tc Ru Rh 2000 Pd PALCO A9 Cd In Sn Sb Te 1 53 Xe 6 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg TI Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra Ac ** 45 5 0.46 0.1 Na 11 20 M 9 12 + +

Clasificación de los bioelementos

Atendiendo a su abundancia, los elementos químicos que forman parte de los seres vivos se pueden clasificar en:

Bioelementos primarios o biogenésicos principales

• Son los elementos más abundantes en los seres vivos: C, H, O, N, P, S 96%
• La mayor parte de las moléculas que componen los seres vivos tienen una base de carbono.
• Este elemento presenta una serie de propiedades que hacen que sea el idóneo para formar estas moléculas.

Bioelementos secundarios

• Son elementos que se encuentran en menor proporcion en los seres vivos.
• Ca, Na, K, Cl, I, Mg, Fe 3.9%
• Se presentan en forma iónica (con carga positiva o negativa).

Oligoelementos o elementos traza

• Aparecen en muy baja proporción el la materia viva.
• Cu, Zn, Mn, Co, Ni, Si 0,1%,
• Alguno de estos elementos no se manifiesta en ciertos seres.

El átomo de carbono

Estructura atómica del carbono

ATOMO DE CARBONO Z = Número Atómico = Nº de Protones = Nº de electrones 6 1s22s22p2 Configuración electrónica Punto de Ebullición ℃ 4.830 Simbolo Químico Punto de Fusión ℃ 3.727 Densidad 2.26 C 12.011 Masa Atómica = suma de las masas de todos los protones y neutrones que lo componen. El átomo de carbono (C) tiene 6 electrones, 4 de los electrones en su capa de valencia (órbita más externa) y 2 en la capa más interna (más cercana al núcleo). ESTRUCTURA ATÓMICA DEL CARBONO 6 protones + 6 neutrones C Electrón + Protón 1 Neutrón

Enlaces del átomo de carbono

• Al igual que otros no metales, el carbono necesita ocho electrones para completar su envoltura de valencia
• · Por consiguiente, el carbono forma cuatro enlaces con otros átomos (cada enlace representa a uno de los electrones de carbono y uno de los electrones del átomo que se enlazan). . La molécula más sencilla que representa esto es el metano CH4.
• Los enlaces covalentes carbono-carbono pueden ser de tres tipos: sencillos, dobles o triples.

H 109.5° 1 H . C -H H Sencillos C O I T -C-C- Dobles C= C' Triples c&c. T -C=C-

El agua

Propiedades del agua

• El agua es un elemento fundamental para que se de la vida.
• El agua es una molécula POLAR.
• El agua es el disolvente universal: debido a sus propiedades fisico-químicas, es el mejor disolvente para todas aquellas moleculas polares. . Sin embargo, moléculas apolares no se disuelven en el agua.

TABLE 2-2 Some Examples of Polar, Nonpolar, and Amphipathic Biomolecules (Shown as lonic Forms at pH 7) Polar Nonpolar 0 Glucose CH2OH Typical wax CH3(CH2)7-CH=CH-(CH2)6-CH2-C O CH3(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-CH2 ỌH H Ħ H OH Amphipathic Phenylalanine +NH3 CH2-CH -COO- Aspartate +NH3 -00C-CH2-CH-COO- Phosphatidylcholine 0 CH3(CH2)15CH2-C-O-CH2 - CH3(CH2)15CH2-C-O-CH - 0 +N(CH3)3 =0 CH2-0-P-0-CH2-CH2 0- Glycerol ỌH HOCH2-CH-CH2OH Polar groups Nonpolar groups O H OH H HO Glycine +NH3-CH2-COO- Lactate CH3-CH-COO- 1 OH

Concepto químico de polaridad

RECUERDA EL CONCEPTO QUÍMICO DE POLARIDAD

• La polaridad es una propiedad de las moléculas que representa la separación de las cargas eléctricas dentro de la molécula.
• Una molécula polar tiene una distribución irregular de la densidad electrónica, lo que resulta en regiones de carga parcialmente negativa y regiones de carga parcialmente positiva.
• La polaridad molecular depende tanto de la polaridad individual de los enlaces como de la geometría molecular.
• Esta propiedad se relaciona con otras propiedades químicas y físicas como la solubilidad, punto de fusión, punto de ebullición, fuerza intermolecular, etc.

H 8+ 1 - 1 1 1 1 - 1 - 8+ H 1 1 - I región electronegativa 8 región electropositiva

Polaridad del agua

• En el agua, el oxígeno tiene una electronegatividad superior a la del hidrógeno (por lo que tiene una ligera carga negativa), mientras que los átomos de hidrógenos tienen una carga ligeramente positiva.
• Como resultado el agua tiene un fuerte momento dipolar eléctrico (las moléculas de agua son pues dipolos).
• Gracias a este fuerte momento dipolar, las moléculas de agua se atraen entre sí con gran facilidad: el lado positivo de una -un átomo de hidrógeno- se asocia con el lado negativo de otra -un átomo de oxígeno.
• Es decir, el agua es cohesiva (las moléculas de agua tienden a pegarse entre ellas porque son polares). Una fuerte cohesión implica que el agua tiene una alta tensión superficial cuando entra en contacto con el aire.

H 8+ 1 1 región electropositiva 1 1 1 1 -- / 8 1 8+ H 1 - - región electronegativa

Enlaces por puente de hidrógeno en el agua

• La atracción electrostatica entre la carga parcial positiva cercana a los átomos de hidrógeno y la carga parcial negativa cercana al oxígeno da lugar a un enlace por puente de hidrógeno.
• La polaridad del agua y a su capacidad de formar enlaces por puentes de hidrógeno le confiere al agua líquida unas propiedades inusuales: alto calor de vaporización, una fuerte tensión superficial, un calor específico alto y su elevada capacidad disolvente.

104.5° III Puente de hidrógeno 0.177 nm Enlace covalente 0.0965 nm Puente de hidrógeno H H Molécula de agua

Enlaces por puente de hidrógeno

Recuerda los enlaces por puente de hidrógeno

• Es un tipo específico de interacción polar que se establece entre un átomo significativamente electronegativos (generalmente O o N), y un átomo de H, unido covalentemente a uno de los dos átomos electronegativos.
• En un enlace por puente de hidrógeno tenemos que distinguir entre el átomo DADOR del hidrógeno (aquel al que está unido covalentemente el hidrógeno) y el ACEPTOR, que es al átomo de O o N al cual se va a enlazar el hidrógeno.
• Los puentes de H son uniones relativamente debiles en comparación con un enlace covalente, pero pero más fuertes que las interacciones dipolo-dipolo normales.

Hydrogen acceptor O=ONE-O- C C H O I ZIE-O- N H O O H O I 0=ONE-Z- C O H N I C ONE-Z- N H ZIZ-Z- H N La imagen muestra algunos puentes de hidrógeno comunes en los sistemas biológicos. N Hydrogen donor

Enlace por puente de hidrógeno en biomoléculas

En macromoléculas tales como proteínas o ácidos nucleicos, se forman gran cantidad de puentes de H y ello es la base de su estabilidad estructural.

5' 3' T A C A ... T T A C G T A T ... A C G E 3' 5' A .T

Enlace por puente de hidrógeno entre las moléculas de agua

• En el agua, la atracción electrostática resultante entre átomo de oxígeno de una molécula de agua y el H de otra molécula de agua, constituye un puente de H.

O Covalent bond C H H H H Hydrogen bond H H 6+ Enlaces de hidrógeno ...... . 5+AGUA

Propiedades del agua y puentes de hidrógeno

Puentes de Hidrógeno ALTOS PUNTOS DE FUSIÓN Y EBULLICIÓN FLOTABILIDAD DEL HIELO Agua liquida entre 0° C y 100°C COHESION Cuerpos de agua liquida bajo el hielo, que permiten la supervivencia de los seres vivos ALTO CALOR DE VAPORIZACIÓN CAPILARIDAD I Efecto moderador de la temperatura ALTO CALOR ESPECÍFICO Circulación del agua en las plantas Circulación sanguínea Se necesita una gran cantidad de calor para evaporar una cierta cantidad de agua, ya que los puentes de hidrógeno deben romperse para liberar las moléculas en forma de gas Se necesita mucho calor para incrementar la temperatura del agua líquida debido a que parte del calor se debe usar para romper los puentes de hidrógeno entre las moléculas tubo capilar el agua sube por la acción capilar menisco AGUA

Estados del agua

El agua puede presentarse en la naturaleza en tres estados diferentes:

• 1. En estado sólido, cada molécula está unida a otras cuatro mediante puentes de hidrógeno, extendidos hacia cuatro direcciones del espacio separadas por ángulos de 105º. Esta disposición determina la forma de un tetraedro, tal es la estructura cristalina del hielo.
• 2. El cambio al estado líquido implica la ruptura de muchos puentes, que se hacen más transitorios, es decir que se rompen y vuelven a formarse entre otras moléculas con mucha rapidez. Al no existir tantos puentes, las moléculas de agua pueden compactarse (mayor densidad).
• 3. Al estado gaseoso, la mayor parte de los puentes desaparece, pero aún se conservan algunos de ellos.

SÓLIDO LÍQUIDO GASEOSO C O O C 0 O O C C CRISTAL DE HIELO GOTA DE AGUA 20111 0 Oll 3 densidad -> d = masa vol densidad < densidad del hielo del agua

Tensión superficial del agua

El agua tiene una elevada tensión superficial Debido a la atracción relativamente alta de las moléculas de agua entre sí a través de una red de enlaces de hidrógenos, el agua tiene una tensión superficial más alta que la mayoría de los otros líquidos. Tensión superficial 1 La interacción de las particulas en la superficie del agua, hace que esta se presente como una verdadera cama elástica. Incluso soporta el peso de un insecto pequeño. Este efecto se llama tensión superficial. LAS FUERZAS UNEN LAS MOLÉCULAS DEL AGUA. EN EL SENO DEL LÍQUIDO, CADA MOLÉCULA ESTÁ RODEADA POR OTRAS Y AS FUERZAS SE COMPENSAN.