Scaglia, R. - Composición química de los sistemas vivientes

Todos los seres vivos y sistemas biológicos están constituidos por estructuras pertenecientes al estrato inferior de complejidad (elementos y sustancias inorgánicas y orgánicas).

Nivel atómico:

Átomos: protones (+); neutrones; electrones (-)

Los protones y los neutrones se encuentran en el núcleo del átomo, mientras que los electrones se ubican en los orbitales, que son “nubes” de carga eléctrica negativa alrededor del núcleo.

Los átomos, según su concentración en la materia viva, se clasifican en:

1) Elementos traza (necesarios en concentraciones bajísimas ( < 0,05%) à Fe, Cu, Mn, Zn, B

2) Microelementos (necesarios en concentraciones bajas (<1%) à Na, K, Cl, Ca, Mg, P, S

3) Macroelementos (Constituyentes, concentraciones mayores al 1% à C, H, O, N

Sólo son 6 los elementos que componen el 99 % del tejido viviente: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S) [CHONPS].

Los átomos de estos elementos tienen que ganar electrones para completar sus niveles energéticos, lo cual significa que suelen establecer enlaces covalentes con átomos de otros elementos, lo cual permite la formación de moléculas muy estables, grandes y complejas, esenciales para las estructuras y funciones de los sistemas vivientes.

Nivel molecular:

Todas las moléculas se clasifican en sustancias, y las sustancias constituyen la materia.

Las sustancias pueden ser: -Simples: constituidas por átomos de un mismo elemento. – Compuestas: constituidas por átomos de distintos elementos. Dentro de las compuestas existen 2 subgrupos: -Inorgánicas (sus moléculas son sencillas, y en ellas casi nunca se encuentra carbono. Ej: agua.  -Orgánicas (son moléculas complejas, naturales o artificiales, en las que siempre se encuentra el carbono. Ej: biomoléculas.

Componentes inorgánicos: son las sustancias inorgánicas que actúan bajo la forma de iones en los sistemas vivientes. Los iones son partículas con carga eléctrica y se pueden dividir en dos tipos: - Cationes (+): constituidas por un átomo que ha perdido un electrón. –Aniones (-): se constituyen por ganancia de un electrón.

Uno de los componentes inorgánicos más importantes es el agua, ya que constituye el 75 % del peso total de un organismo. Su rol básico es aportar un medio fluido donde ocurran los procesos vitales. Una molécula de agua se forma mediante enlaces covalentes entre un átomo de oxígeno y 2 de hidrógeno, donde el único electrón de cada átomo de hidrógeno es compartido por el átomo de oxígeno que también aporta un electrón a cada enlace: H-O-H

Se generan dos polos, uno con carga positiva alrededor de los átomos de hidrógeno, y uno con carga negativa, más cercano al átomo de oxígeno. Por esta razón es una molécula polar. Cuando una región cargada de esta molécula se acerca a la región con carga opuesta de otra molécula de agua, la fuerza de atracción forma un enlace o puente de hidrógeno. Esta unión o enlace es muy estable, lo cual le otorga ciertas propiedades al agua:

-Tensión superficial: está dada por la adherencia de las moléculas de agua entre sí.

-Capacidad humectante: produce humedad sobre ciertas superficies.

-Gran calor específico: para aumenta la temperatura del organismo se necesita un gran aporte de energía. Esto hace que su temperatura se mantenga relativamente constante y que permanezca en estado líquido a temperatura moderada. Ayuda a mantener constante la temperatura corporal.

-Elevado punto de ebullición o vaporización: cuando se produce la vaporización, las moléculas de agua que pasan al aire se llevan muchísimo calor.

-Es más densa en estado líquido que sólido: razón por la que se expande al congelarse, ya que sus moléculas se disponen en un retículo ampliamente espaciado.

El agua por ser polar actúa como disolvente, es decir, sus moléculas se unen fuertemente a otras moléculas polares o iones. Estas sustancias polares o iónicas son afines con el agua (hidrofílicas). Las sustancias apolares, como las grasas o el aceite, no son afines con el agua (hidrofóbicas).

Compuestos orgánicos:

BIOMOLÉCULAS: son fabricadas por los seres vivos pero no tienen vida. Existe 4 familias: prótidos, glúcidos, ácidos nucléicos y lípidos. Ordenados según niveles de organización estructural en: Monómero: unidad. Oligómero: cadena intermedia. Polímero: cadena larga.

PRÓTIDOS: Proteínas: tienen funciones únicas e irremplazables, son las moléculas orgánicas que más abundan (50%). Todas son polímeros de aminoácidos dispuestos en secuencias lineales. Actúan como enzimas.

-Monómero: Son los aminoácidos, aprox. 20 AA. (Ej. algunos neurotransmisores).

-Oligómero: Son los péptido. Cadenas de hasta 40 o 50 AA. Unidos por enlaces peptídicos. Ej. Insulina, glucagón.

-Polímero: son las proteínas. Cadenas de más de 50 AA.

Funciones de las proteínas:

1) Estructurales: están presentes en las membranas celulares, y en las estructuras de sostén, protección y movimiento. Son todas proteínas fibrosas

2) Enzimáticas: para catalizar diversas reacciones químicas. Son las enzimas, esenciales para todo el metabolismo.

3) Reserva de nutrientes: (ej.: ovoalbúmina, caseína)

4) Transporte: transportan sustancias como el oxígeno y otros gases (ej.: hemoglobina)

5) De contracción muscular: Son los elementos esenciales de los sistemas móviles (ej.: actina)

6) De defensa inmunitaria: Protegen al organismo de sustancias extrañas que pueden dañarlo (ej.: anticuerpos como las inmunoglobulinas)

7) Hormonales: Reculan el metabolismo y los distintos procesos biológicos. (ej.: insulina, hormona del crecimiento)

8) De coagulación sanguínea (ej.: trombina)

9) Receptoras: Reconocen específicamente ciertos grupos químicos de hormonas, neurotransmisores u otros mediadores químicos. El reconocimiento se establece al modo “llave – cerradura”.

* Estructura de las proteínas:

1) Primaria: es la secuencia en que van unidos los aminoácidos. Ninguna proteína queda en esta estructura. Algunos de estos AA son hidrofílicos y otros hidrofóbicos, por esto la cadena tiende a doblarse.

2) Secundaria: disposición extendida y/o enrollada que adopta la cadena como resultado de los enlaces de hidrógeno formados entre los átomos de distintos AA. A las proteínas que se limitan a este nivel se las llama proteínas fibrosas y son hidrofóbicas. Pueden ser elásticas o rígidas (ej., queratina, colágeno). Son insolubles en agua. Cumplen funciones estructurales.

3) Terciaria: Disposición plegada y compacta que adopta la cadena polipeptídica, como consecuencia de la interacción de los grupos radicales y los distintos AA que la forman. Las proteínas que presentan esta estructura se llaman proteínas globulares (ej.: Inmunoglobulinas). Son solubles en agua, cumplen funciones dinámicas (circulan por el organismo).

4) Cuaternaria: Se manifiesta en aquellas proteínas constituidas por más de una cadena polipeptídica. Se las denomina proteínas multiméricas (ej.: hemoglobina). Funcionan como hormonas.

GLÚCIDOS: constituyen el 2 % del organismo. Son la principal fuente de energía en los seres vivos, pero también conforma ciertos componentes estructurales de las células. Son solubles en agua.

-Monómeros: son los monosacáridos, constituidos por una sola molécula de azúcar (n CH2O). Son hidrofílicos y de sabor dulce. Según la cantidad de átomos de carbono que poseen pueden ser:

Triosas: 3CH2O

Tetrosas: 4CH2O

Pentosas: 5CH2O .Funciones estructurales: Ribosa (azúcar estructural del ARN) y Desoxirribosa (azúcar estructural del ADN)

Hexosas: 6CH2O .Función, fuente primaria de energía.  

Glucosa: forma en que se transporta el azúcar en el cuerpo animal

Fructosa: Azúcar de las frutas

Galactosa: compone el azúcar de la leche

-Oligómeros: son los oligosacáridos, cadenas cortas de 2 hasta 10 monosacáridos, unidos por enlaces glucosídicos. Se clasifican según el número de monosacáridos que contengan (disacáridos, trisacáridos, tetrasacáridos). En los vegetales, el azúcar, en vez de transportarse en forma de glucosa, se transporta en forma de disacáridos (sacarosa)

Algunos oligosacáridos se encuentran en el lado externo de la membrana celular, y permite la adhesión y reconocimiento para la comunicación intercelular).

-Polímeros: son los polisacáridos, constituidos por la unión de más de 10 monosacáridos. Son hidrofílicos, pero insolubles en agua y no tienen sabor dulce.

Polisacáridos de reserva energética: Así como los monosacáridos constituyen la fuente inmediata de energía, los polisacáridos sirven de almacén (e: almidón y glucógeno)

Polisacáridos estructurales (ej.: celulosa) forma la pared vegetal en las células vegetales.

ÁCIDOS NUCLÉICOS: Construidos por cadenas de nucleótidos.

-Monómeros: Son los nucleótidos, formados por un grupo fosfato, una pentosa (azúcar de 5 carbonos) y una base nitrogenada. El grupo fosfato es siempre el mismo pero la pentosa y la base nitrogenada pueden variar.

-Pentosas: ribosa y desoxirribosa.

-Bases nitrogenadas: pirimídicas (Citosina, Timina y Uracilo) y púricas (Adenina o guanina). Cada nucleótido contiene sólo una de estas bases.

-Oligómeros: Son los oligonucleótidos, formados por enlaces covalentes entre pocos nucleótidos que forman cadenas (se enlaza la pentosa de una con el grupo fosfato del siguiente). Siempre contienen sólo ribosa o sólo desoxirribosa.

-Polímeros: Son los ácidos nucléicos. Existen de 2 tipos: ADN y ARN. La molécula de ADN tiene una estructura de doble hélice y presenta solo: Adenina, Timina, Citosina y Guanina (A-T / C-G).

* Funciones del ADN:

1)  Contiene la información genética, es decir toda la información necesaria para fabricar un individuo completo. (en forma de cadena de nucleótidos)

2) Contiene información para producir una copia exacta de sí mismo, es decir tiene la capacidad de duplicarse para que cada célula hija tenga la información genética completa. (Replicación).

La replicación consiste en: primero las dos hélices se separan. Luego a cada cadena se unen nucleótidos libres y así quedan formadas dos nuevas moléculas de ADN idénticas a la original.

3) Comanda todas las reacciones químicas celulares: dirige la síntesis de proteínas, y a través de ella, todas las otras síntesis moleculares

La molécula de ARN es lineal o de variadas formas, y en él la Timina se reemplaza por Uracilo. Todos los ARN se forman siguiendo el modelo del ADN (transcripción)

La transcripción tiene lugar en el núcleo y consiste en: primero se abre el ADN, luego se acopla con los nucleótidos del ARN. Posteriormente, el ARN así formado sale del núcleo para formar los ribosomas.

El ARN está comprometido en la síntesis de proteínas, y tiene 3 tipos:

1)  ARNm (mensajero): Es lineal y es el encargado de indicar la secuencia de AA que integrará la proteína que se está sintetizando. Porta el orden de la secuencia de nucleótidos. Es el que copia el gen y lleva su mensaje a los ribosomas del citoplasma.

2)  ARNt (transporte o transferencia o traducción) Tiene forma de hoja de trébol, y traduce el mensaje del ARNm y transporta los aminoácidos específicos.

3)  ARNr (ribosómico): Integra junto con las proteínas, la estructura de los ribosomas que son el lugar de la célula donde ocurre el proceso de traducción.

LÍPIDOS: Son insolubles en agua, pero sí son solubles en solventes orgánicos no polares. Contienen ácidos grasos como componentes estructurales principales. Se clasifican en 3 grupos:

Triglicéridos: Están formados por un glicerol y tres ácidos grasos. Son los aceites (ácidos grasos insaturados, líquidos a T° ambiente, de origen vegetal) y las grasas (ácidos grasos saturados sólidos a T° ambiente, son de origen animal).

* Funciones:

1) Almacenamiento de energía: Los excesos de azúcar se convierten en grasas, que son una reserva energética a largo plazo. Cuando la glucosa que hay en el cuerpo no alcanza, se degradas glucógeno, y luego grasa para cubrirlos.

2) Aislamiento térmico: Una capa de grasa bajo la piel nos protege del frío

3) Amortiguadores: Rodea a los órganos para protegerlos de los golpes.

Esteroides: Algunos de ellos, como el colesterol, tienen funciones estructurales. Éste forma parte de las membranas celulares y compone las vainas de mielina. Son insolubles en agua.

Otros tienen funciones hormonales, (ej.: estrógeno, que mantiene los caracteres sexuales secundarios femeninos; andrógeno, que mantiene los caracteres secundarios del hombre; y cortisol y aldosterona que aumentan el nivel de glucosa en la sangre y la retención de líquido, y la respuesta al estrés respectivamente).

Fosfolípidos y ceras: Ambos tienen funciones estructurales. Los lípidos más importantes con funciones estructurales son los fosfolípidos, son moléculas que consisten en un esqueleto de glicerol que contiene unido 2 ácidos grasos, un alcohol orgánico y un grupo fosfato. Como los grupos fosfato tienen carga negativa, el extremo fosfato de la molécula es hidrofílico; y las porciones de ácidos grasos son hidrofóbicas. Los fosfolípidos entonces tienen una cabeza polar o hidrofílica (soluble en agua) y una cola apolar o hidrofóbica (no soluble en agua). Esto le permite conformar la bicapa lipídica que permite separar un medio acuoso de otro y conforma todas las membranas orgánicas. Es una molécula anfipática (simpatía con el H20 y a la vez no).

Sumergidos en un medio acuoso, los fosfolípidos tienden a formar lisosomas, que consisten en esferas huecas, llenas de agua, con una pared constituida por dos capas de fosfolípidos cuyas moléculas se hallan una al lado de la otra (cabeza con cabeza; cola con cola). Las dos capas se disponen con las cabezas hacia afuera, en contacto con el agua, uniendo ambas capas. Esta bicapa lipídica es una formación muy estable capaz de separar un medio acuoso, y es el sostén estructural de todas las membranas biológicas.

Fuente: Resumen Prof. Scaglia. Facultad Psicologia UNR.