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Biomoléculas y enlaces químicos en los seres vivos, Resúmenes de Microbiología Ambiental

Este documento proporciona una introducción detallada a las biomoléculas y los enlaces químicos que las constituyen. Explica la importancia de los bioelementos primarios (h, o, c, n) y su capacidad para formar una gran variedad de biomoléculas a través de enlaces covalentes. También se describen los diferentes tipos de grupos funcionales y las interacciones no covalentes, como las fuerzas electrostáticas y los enlaces de hidrógeno, que son fundamentales para la estructura y función de las biomoléculas. El documento aborda conceptos clave como el estado de oxidación del carbono y los diferentes niveles de complejidad de las moléculas biológicas. Esta información es esencial para comprender los principios básicos de la bioquímica y la química de los seres vivos.

Tipo: Resúmenes

2020/2021

Subido el 12/03/2024

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Uno de los atributos que caracterizan a la materia viva, es
decir, a la vida, es la capacidad de constante renovación de una
estructura muy bien ordenada. Los organismos vivos poseen
un perfecto orden molecular muy complejo, que se encuentra
en continua creación y que es transmitido a sus descendientes.
Estos procesos de creación y transmisión de orden se realizan
en un entorno caótico o muy poco ordenado. La creación de
orden y complejidad en la materia debe ser compensada con
un aporte continuo de energía, con lo que no se contraviene el
segundo principio de la Termodinámica.
Otro de los atributos fundamentales de la materia viva es
su capacidad de autorreproducción. La información que des-
cribe la estructura de un organismo se transfiere de una gene-
ración a la siguiente y, de esta forma, la vida puede perpe-
tuarse.
Para describir y estudiar este fascinante fenómeno de la
vida, se han de considerar las reacciones y transformaciones
químicas que la hacen posible. En estos procesos del de-
sarrollo del argumento de la vida, los actores básicos son los
átomos y las moléculas que forman parte de los seres vivos y
constituyen los denominados bioelementos y biomoléculas.
2.1 BIOELEMENTOS
Debido al origen evolutivo común de la materia viva, su quí-
mica es similar en toda la escala filogenética. En la compo-
sición de los seres vivos aparecen una veintena de elementos
químicos que son esenciales para el desarrollo de la vida. A
estos elementos químicos que constituyen los seres vivos se
les denomina bioelementos. También reciben el nombre de
elementos biogénicos o biogenésicos. Se pueden clasificar,
según su abundancia, en tres grandes grupos:
1. Bioelementos primarios: H, O, C, N. Son los más
abundantes. Representan un 99.3% del total de átomos del
cuerpo humano. Con diferencia, el hidrógeno es el más
importante, junto con el oxígeno, ya que ambos forman parte
de la biomolécula más abundante de los organismos, el agua.
2. Bioelementos secundarios: Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe.
Constituyen prácticamente el 0.7% del total de átomos del
cuerpo humano.
3. Oligoelementos o bioelementos traza: Mn, I, Cu, Co,
Cr, Zn, F, Mo, Se y otros. Aunque aparecen sólo en trazas o
en cantidades ínfimas, su presencia es esencial para el
correcto funcionamiento del organismo. Su ausencia deter-
mina la aparición de enfermedades carenciales, o síntomas
de déficit, que se definirán en el siguiente apartado.
Otro criterio de clasificación de los bioelementos es la
función que desempeñan en el organismo. Así, se pueden
establecer diferentes grupos, con distintas funciones:
1. Plástica o estructural: H, O, C, N, P, S. Colaboran en
el mantenimiento de la estructura del organismo.
2. Esquelética: Ca, Mg, P, F, Si. Confieren rigidez.
3. Energética: C, O, H, P. Forman parte de las moléculas
energéticas.
4. Catalítica: Fe, Mn, I, Cu, Co, Zn, Mo, Se. Forman
parte de las enzimas, que catalizan reacciones y pro-
cesos bioquímicos.
5. Osmótica y electrolítica:Na
+,K
+y Cl, principalmen-
te. Mantienen y regulan los fenómenos osmóticos y de
potencial químico y electrónico.
Como la Bioquímica pretende estudiar y explicar la vida
desde el punto de vista molecular, el conocimiento de las
biomoléculas o moléculas de los seres vivos es un punto de
partida necesario, ya que la vida se nos presenta como el
resultado de las propiedades e interacciones de tales biomo-
léculas.
En el origen, el universo estaba formado fundamental-
mente por hidrógeno y helio. Durante millones de años se
produjeron reacciones termonucleares que condujeron a la
aparición de los otros elementos químicos más pesados.
Estos elementos se distribuyeron por todo el universo, dando
lugar, con el paso del tiempo, a la composición química
actual de la materia. Los elementos más abundantes en la
actualidad siguen siendo hidrógeno y helio, y a continua-
ción, oxígeno, neón, carbono y nitrógeno.
Hace unos 5000 millones de años, posiblemente, apare-
cieron sobre la Tierra las primeras formas primitivas de vida.
Desde entonces, el proceso evolutivo ha transcurrido hasta
alcanzar el grado actual de diversidad y diferenciación, lo
ARGUMENTO Y ACTORES:
VIDA, ÁTOMOS Y MOLÉCULAS 2
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Uno de los atributos que caracterizan a la materia viva, es decir, a la vida, es la capacidad de constante renovación de una estructura muy bien ordenada. Los organismos vivos poseen un perfecto orden molecular muy complejo, que se encuentra en continua creación y que es transmitido a sus descendientes. Estos procesos de creación y transmisión de orden se realizan en un entorno caótico o muy poco ordenado. La creación de orden y complejidad en la materia debe ser compensada con un aporte continuo de energía, con lo que no se contraviene el segundo principio de la Termodinámica. Otro de los atributos fundamentales de la materia viva es su capacidad de autorreproducción. La información que des- cribe la estructura de un organismo se transfiere de una gene- ración a la siguiente y, de esta forma, la vida puede perpe- tuarse. Para describir y estudiar este fascinante fenómeno de la vida, se han de considerar las reacciones y transformaciones químicas que la hacen posible. En estos procesos del de- sarrollo del argumento de la vida, los actores básicos son los átomos y las moléculas que forman parte de los seres vivos y constituyen los denominados bioelementos y biomoléculas.

2.1 BIOELEMENTOS

Debido al origen evolutivo común de la materia viva, su quí- mica es similar en toda la escala filogenética. En la compo- sición de los seres vivos aparecen una veintena de elementos químicos que son esenciales para el desarrollo de la vida. A estos elementos químicos que constituyen los seres vivos se les denomina bioelementos. También reciben el nombre de elementos biogénicos o biogenésicos. Se pueden clasificar, según su abundancia, en tres grandes grupos:

  1. Bioelementos primarios: H, O, C, N. Son los más abundantes. Representan un 99.3% del total de átomos del cuerpo humano. Con diferencia, el hidrógeno es el más importante, junto con el oxígeno, ya que ambos forman parte de la biomolécula más abundante de los organismos, el agua.
  2. Bioelementos secundarios: Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg, Fe. Constituyen prácticamente el 0.7% del total de átomos del cuerpo humano.
  3. Oligoelementos o bioelementos traza: Mn, I, Cu, Co, Cr, Zn, F, Mo, Se y otros. Aunque aparecen sólo en trazas o en cantidades ínfimas, su presencia es esencial para el correcto funcionamiento del organismo. Su ausencia deter- mina la aparición de enfermedades carenciales, o síntomas de déficit, que se definirán en el siguiente apartado. Otro criterio de clasificación de los bioelementos es la función que desempeñan en el organismo. Así, se pueden establecer diferentes grupos, con distintas funciones:
  4. Plástica o estructural : H, O, C, N, P, S. Colaboran en el mantenimiento de la estructura del organismo.
  5. Esquelética : Ca, Mg, P, F, Si. Confieren rigidez.
  6. Energética : C, O, H, P. Forman parte de las moléculas energéticas.
  7. Catalítica : Fe, Mn, I, Cu, Co, Zn, Mo, Se. Forman parte de las enzimas, que catalizan reacciones y pro- cesos bioquímicos.
  8. Osmótica y electrolítica : Na+, K+^ y Cl – , principalmen- te. Mantienen y regulan los fenómenos osmóticos y de potencial químico y electrónico.

Como la Bioquímica pretende estudiar y explicar la vida desde el punto de vista molecular, el conocimiento de las biomoléculas o moléculas de los seres vivos es un punto de partida necesario, ya que la vida se nos presenta como el resultado de las propiedades e interacciones de tales biomo- léculas. En el origen, el universo estaba formado fundamental- mente por hidrógeno y helio. Durante millones de años se produjeron reacciones termonucleares que condujeron a la aparición de los otros elementos químicos más pesados. Estos elementos se distribuyeron por todo el universo, dando lugar, con el paso del tiempo, a la composición química actual de la materia. Los elementos más abundantes en la actualidad siguen siendo hidrógeno y helio, y a continua- ción, oxígeno, neón, carbono y nitrógeno. Hace unos 5000 millones de años, posiblemente, apare- cieron sobre la Tierra las primeras formas primitivas de vida. Desde entonces, el proceso evolutivo ha transcurrido hasta alcanzar el grado actual de diversidad y diferenciación, lo

ARGUMENTO Y ACTORES:

VIDA, ÁTOMOS Y MOLÉCULAS 2

que ha significado un alto grado de adaptación y selección. Es interesante saber que aunque se conocen más de 100 ele- mentos químicos diferentes, en la corteza terrestre son ocho los más abundantes en cuanto a número de átomos, repre- sentando más del 98% de los átomos totales (O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg). Por otra parte, si consideramos la abundancia relativa de los átomos que actualmente constituyen las biomoléculas, en concreto las del ser humano, nos encontramos con que sólo cuatro elementos representan más del 99% de todos los áto- mos (H, O, C, N). Es un hecho llamativo que ninguno de ellos, excepto el oxígeno, se encuentre entre los ocho ele- mentos más abundantes en la corteza terrestre. ¿Por qué han sido precisamente estos cuatro elementos los que han conformado las biomoléculas? De su pequeño tamaño y de su estructura electrónica, se pueden deducir las siguientes posibilidades:

  1. La facilidad de formar enlaces covalentes entre ellos, compartiendo electrones. Estos enlaces son muy esta- bles, ya que su fuerza es inversamente proporcional a la masa de los átomos unidos.
  2. La disponibilidad de los átomos de carbono para la formación de esqueletos carbonados tridimensionales (ejemplo del carbono tetraédrico).
  3. El que se favorezca la multiplicidad de enlaces (dobles y triples) entre algunos de esos átomos, así como la formación de enlaces que facilitan a su vez la formación de estructuras lineales, ramificadas, cícli- cas, heterocíclicas, etcétera.
  4. El hecho de que, con muy pocos elementos, se puede dar lugar a una gran variedad de grupos funcionales, que confieren propiedades características a las dife- rentes biomoléculas.

2.1.1 Enfermedades carenciales

Es lógico que la deficiencia de cualquiera de los bioelemen- tos encuadrados en los grupos primario y secundario, deter- mine alteraciones patológicas importantes en el organismo humano. Un ejemplo típico es el de la anemia producida por carencia o deficiencia de Fe. Sin embargo, se podría pensar que el déficit de alguno de los oligoelementos no debería representar un problema importante, dada la mínima cantidad de estos oligoelemen- tos que el organismo necesita. Nada más lejos de la realidad, ya que la expresión enfermedad carencial adquiere verdade- ra importancia en lo que se refiere a estos elementos, debi- do a la importancia de su función. En la Tabla 2-1 se pueden observar algunas disfunciones producidas por la escasez o ausencia de estos elementos (Recuadro 2-1).

2.2 BIOMOLÉCULAS

Análogamente a lo que ocurre con los bioelementos, las bio- moléculas son las moléculas constituyentes de los seres vivos. Atendiendo a su naturaleza química, las biomoléculas se pueden clasificar en dos grandes grupos:

  1. Biomoléculas inorgánicas: agua (la biomolécula más abundante), gases (oxígeno, dióxido de carbono), sales inorgánicas (aniones, como fosfato y bicarbona- to, y cationes, como amonio).
  2. Biomoléculas orgánicas: glúcidos (como glucosa o glucógeno), lípidos (como triglicéridos o colesterol), proteínas (como la hemoglobina o las enzimas), áci- dos nucleicos (como ADN [ácido desoxirribonuclei- co] o ARN [ácido ribonucleico]), metabolitos (como ácido pirúvico o ácido láctico), etcétera.

20 | El escenario bioquímico

Tabla 2-1. Oligoelementos y alteraciones carenciales

Cinc Retraso del crecimiento, diarrea, alopecia, dermatitis, disfunción inmunitaria, espermatogénesis defectuosa. Cobalto Anemia, retraso en el crecimiento. Cobre Anemia, defectos esqueléticos, desmielinización, degeneración del sistema nervioso, lesiones cardiovasculares, hipopigmentación. Cromo Trastornos en la tolerancia a la glucosa, encefalopatías, neuropatías. Flúor Caries, alteraciones en la estructura ósea. Manganeso Retraso del crecimiento, defectos en la coagulación, dermatitis. Molibdeno Síntomas similares al bocio. Selenio Miocardiopatías, disfunción muscular. Yodo Bocio (Recuadro 2-1).

debido a su estructura electrónica (hibridación sp^3 ) y la con- comitante disposición tetraédrica de los enlaces, constituye la base estructural tridimensional de los compuestos carbo- nados y, por tanto, de la gran mayoría de las biomoléculas ( Véase la Fig. 5-1).

2.2.2 Grupos funcionales

Los átomos de carbono se enlazan entre sí por enlace cova- lente, originando cadenas lineales, ramificadas o estructuras circulares. En ellas, los átomos de carbono también estable- cen enlaces covalentes sencillos con átomos de hidrógeno. A estas moléculas se les conoce con el nombre genérico de hidrocarburos. A esas estructuras carbonadas se les puede añadir otros átomos o grupos de átomos que les confieren propiedades químicas específicas y que reciben el nombre de grupos fun- cionales. El grupo funcional es el responsable del comporta- miento físico y químico característico de cada tipo de bio- molécula. En la Tabla 2-2 se recogen algunos de los grupos funcio- nales más importantes presentes en las biomoléculas. Entre

ellos, el grupo hidroxilo (R—OH) es típico de los alcoholes y glúcidos; el grupo carbonilo, característico de los aldehídos (R—CHO) y las cetonas (R—CO—R’), aparece en los glú- cidos; el grupo carboxilo (R—COOH), característico de los ácidos, se encuentra en los aminoácidos, las proteínas y los ácidos grasos; el grupo amino (R—NH 2 ) aparece en los aminoácidos y las proteínas (Recuadro 2-2).

2.2.3 Interacciones moleculares no covalentes

Aunque los enlaces covalentes son fundamentales para la existencia de las biomoléculas, se necesita la existencia de otros tipos de fuerzas, mucho más débiles, para la existen- cia de la vida. Estas interacciones no covalentes, que se pueden establecer entre iones, moléculas y partes de molé- culas, están implicadas en el mantenimiento de las estruc- turas tridimensionales de las biomoléculas. En la debilidad de la fuerza de estas interacciones radica su importancia, puesto que permiten la continua formación y rotura de estos enlaces, permitiendo la plasticidad, lo que es un requisito necesario para el desarrollo de los procesos vita- les.

22 | El escenario bioquímico

Tabla 2-2. Grupos funcionales más frecuentes en las biomoléculas. La naturaleza del grupo funcional determina las propiedades del compuesto en el que se encuentra

Compuestos Estructura del grupo Nombre de grupo Alcoholes R—OH Hidroxilo O Aldehídos Carbonilo R—C—H O Cetonas Carbonilo R—C—R′

O Ácidos carboxílicos Carboxilo R—C—OH Aminas R—NH 2 Amino

O Amidas Amido R—C—NH 2 Tioles o mercaptanos R—SH Tiol o mercapto O Ésteres Éster R—C—O—R′

——

——

——

——

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Entre estas interacciones moleculares destacan:

Fuerzas electrostáticas o interacciones carga-carga. Se establecen entre átomos o grupos de átomos cargados (anio- nes y cationes). Las fuerzas electrostáticas se rigen por la Ley de Coulomb y la intensidad de las mismas depende del medio en el que se encuentren (expresado por la constante dieléctrica). Fuerzas polares o interacciones entre dipolos. Se produ- cen entre moléculas que carecen de carga neta pero presentan una distribución interna asimétrica de la carga. Estas molé- culas tienen naturaleza polar y se les denomina dipolos eléc- tricos. Se trata de fuerzas más débiles que las electrostáticas y tienen un alcance inferior. Un dipolo puede ser atraído por un ion próximo (interacción carga-dipolo) o por otro dipolo (interacción dipolo-dipolo entre los polos opuestos). Fuerzas de van der Waals o fuerzas de dispersión. Se trata de fuerzas atractivas de muy corto alcance originadas por la sincronización de la fluctuación de las cargas electró-

nicas de las moléculas. Sin embargo, existe una distancia (radio de van der Waals) que es la más cercana a la que se pueden situar las moléculas. Para distancias menores, las fuerzas de repulsión electrónica impiden el acercamiento de las moléculas. Interacciones hidrofóbicas. En un medio acuoso, las molé- culas apolares o hidrofóbicas son repelidas por las moléculas de agua, por lo que tienden a agruparse, interaccionando unas con otras. Enlaces por puente de hidrógeno. Se trata de una inter- acción entre un átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo electronegativo de pequeño tamaño (O, N, F) y otro átomo electronegativo con un par de electrones libres. A mayor electronegatividad del átomo unido al hidrógeno, con mayor polaridad positiva queda el hidrógeno y, por tanto, con mayor fuerza es atraído por los pares electrónicos libres del átomo electronegativo de la otra molécula. El enlace por puente de hidrógeno es el tipo de interacción no covalente más fuerte.

Argumento y actores: vida, átomos y moléculas | 23

Recuadro 2-2. ESTADO DE OXIDACIÓN DEL CARBONO EN LAS BIOMOLÉCULAS

La gran mayoría de los procesos bioquí- micos que tienen lugar en las células pueden ser englobados en uno de los siguientes tipos de reacciones químicas: sustitución nucleofílica, eliminación, adición, isomerización y oxidación- reducción. Las reacciones de oxidación-reduc- ción se producen por transferencia de electrones desde un donador (compues- to reductor) a un aceptor (compuesto oxidante). El compuesto reductor, al

donar sus electrones, se oxida, mientras que el oxidante, al aceptar electrones, se reduce. Puesto que el átomo de carbono es fundamental en la estructura de las biomoléculas orgánicas, es interesante conocer su estado de oxidación en los distintos grupos funcionales. Cuando dos átomos que comparten electrones en un enlace covalente presentan dife- rentes afinidades electrónicas, los electrones del enlace presentan mayor tendencia a encontrarse en el entorno del átomo más electronegativo. Así en los enlaces C—H, el átomo de carbono es más electronegativo y, por tanto, los electrones del enlace se encuentran

desplazados hacia el átomo de C. Esto es lo que ocurre en el grupo metilo ter- minal de los alcanos (—CH 3 ). En el caso de un enlace C—O, el átomo de oxígeno es más electronegativo que el de carbono, por lo que los electrones se encuentran más desplazados hacia el oxígeno. Ello supone que en una transformación de alcano a alcohol (—CH 2 —OH) el carbono pierde elec- trones y sufre una oxidación. Al aumentar el número de electrones compartidos con el oxígeno, el carbo- no pierde más electrones y aumenta su estado de oxidación. Así, el estado de oxidación del carbono aumenta en el siguiente orden:

Como norma general, se produce una oxidación cuando una molécula

gana oxígeno o pierde hidrógeno y se produce una reducción, cuando una

molécula pierde oxígeno o gana hidró- geno.

alcano (—CH (^) 2—CH 3 ), alcohol (—CH (^) 2—CH 2 —OH), aldehído (—CH 2 —C—— O), | H ácido carboxílico (—CH2—C—— O) y dióxido de carbono (O —— C—— O) | OH

Argumento y actores: vida, átomos y moléculas | 25

  • Los elementos químicos que forman parte de la materia viva se denominan bioelementos y se suelen clasificar por su abundancia.
  • Los primarios (H, O, C, N) poseen unas características que les permiten una amplia gama de posibilidades a la hora de formar biomoléculas.
  • Las biomoléculas pueden poseer naturaleza orgánica (proteínas, glúcidos, lípidos, ácidos nucleicos) o inorgá- nica (agua, gases, sales inorgánicas).
  • Los átomos se unen por medio de enlaces químicos, entre ellos los iónicos y covalentes, para formar molé- culas. - Los grupos funcionales son agrupaciones de un peque- ño número de átomos que le confieren a cada molécula las características propias de su clase. Además de los enlaces entre átomos, existen diferentes tipos de inter- acciones no covalentes entre moléculas, que son nece- sarias para el mantenimiento de la vida. - Entre ellas se encuentran las fuerzas electrostáticas, fuerzas polares, fuerzas de van der Waals, interacciones hidrofóbicas, enlaces por puente de hidrógeno, que per- miten un amplio grado de complejidad, desde los pre- cursores más sencillos a las más complejas macromolé- culas y asociaciones supramacromoleculares.

RESUMEN