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BIOMOLÉCULAS


Una célula viva está constituida básicamente por cuatro elementos (C, H, O y N) los cuales combinados entre sí, dan origen a un gran número de compuestos. La sustancia más abundante en la célula viva es el agua y llega a representar más del 70% de su peso. Esta molécula es de gran importancia pues la mayor parte de las reacciones intracelulares se llevan a cabo en ambiente acuoso y todos los organismos se han diseñado alrededor de las propiedades del agua, tales como su carácter polar, su capacidad para formar enlaces de hidrógeno y su alta tensión superficial.

Si se deja de lado el agua, casi todas las moléculas en la célula son compuestos carbonados asociados a otros elementos, entre otros se consideran los carbohidratos, lípidos, proteínas y los ácidos nucleicos.

Agua

Es el compuesto líquido más importante para los seres vivos. La cantidad de agua varía entre los diferentes organismos, así por ejemplo en las medusas el 95% de su estructura es agua, mientras que en los tejidos humanos el porcentaje de ese compuesto varía desde el 20% en los huesos, hasta el 85% en las células cerebrales. En los seres vivos el agua está en mayor proporción durante el desarrollo embrionario y en los estados juveniles; en el envejecimiento ella disminuye y esto se refleja en el deterioro de las diferentes actividades metabólicas.

El agua está formada por dos átomos de hidrógeno débilmente electronegativos unidos a un átomo de oxígeno fuertemente electronegativo (Figura 1); por tanto, la molécula de agua presenta una distribución interna asimétrica de carga que le confiere un carácter polar y cohesivo para formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas polares, así como interactuar con iones cargados positiva o negativamente. Como resultado de estas interacciones, los iones y moléculas polares son fácilmente solubles en agua (hidrofílicos). Las moléculas de agua son fuertemente cohesivas debido a la presencia de puentes de hidrógeno entre ellas. Las fuerzas de adhesión explican por qué el agua moja las cosas. Además tiene un alto grado de tensión superficial debido a la cohesión de sus moléculas. Así las moléculas de agua de la superficie libre se agrupan, formando una fuerte capa por la atracción que ejercen sobre ellas otras moléculas de agua situadas por debajo. Por otra parte, las fuerzas de adhesión y cohesión explican la tendencia del agua a ascender por tubos de calibre muy pequeño, fenómeno que recibe el nombre de capilaridad.

Carbohidratos

Son compuestos orgánicos que contienen carbono, hidrógeno y oxígeno, y muchos de ellos contienen estos elementos en la relación de Cn(H2O)n. Químicamente se definen como aldehídos o cetonas, dentro de ellos se clasifican los azúcares simples o monosacáridos en donde n es un número entero de 3 a 7. Si se unen dos monosacáridos forman un disacárido; si se unen de 3-20 monosacáridos resulta un oligosacárido y cuando se unen numerosas unidades de monosacáridos, constituyen un polisacárido como por ejemplo los almidones, celulosas, pectinas, quitinas, etc.

Los carbohidratos como los azúcares y los almidones generalmente se utilizan por los organismos como fuentes de energía; mientras que los otros como las celulosas, pectinas y quitinas tienen función estructural en células individuales y aún en organismos completos como hongos, plantas, bacterias artrópodos, etc. Además, algunos polisacáridos y polímeros más cortos de azucares actúan como marcadores para una variedad de procesos de reconocimiento en las células, incluyendo la adhesión de ellas con sus vecinas y el transporte de proteínas a los destinos intracelulares apropiados y otros hacen parte de sustancias celulares importantes como son los ácidos nucleicos y como cofactores que contienen vitaminas.

En cuanto a sus propiedades fisicoquímicas, los carbohidratos de peso molecular bajo son solubles en agua y tienen poder edulcorante (endulzante) alto, características que son opuestas en los carbohidratos de peso molecular alto en los cuales la solubilidad se reduce notablemente.

Lípidos

Los lípidos son un grupo amplio y heterogéneo de compuestos insolubles en agua, pero solubles en solventes orgánicos no polares como el éter, el cloroformo o el benceno. En su molécula ellos contienen carbono, hidrógeno y oxígeno, pero este último en menor proporción respecto al carbono y al hidrógeno que en los carbohidratos. En los organismos vivos cumplen diversas funciones como las que se citan a continuación:

  • son reservas energéticas y se utilizan como combustibles biológicos importantes, ya que pueden suministrar cerca de 9.3 Calorías por gramo ( una caloría con C mayúscula equivale a 1000 calorías; el termino Caloría se usa para medir el contenido energético de los alimentos), comparada con 4.1 Calorías de azúcares y proteínas

  • forman cubiertas aislantes en la superficie de plantas y de animales para evitar infecciones y mantener el equilibrio hídrico en ellos.

  • sirven como componentes estructurales de las membranas biológicas en donde contribuyen a la formación de compartimentos con respuestas bioquímicas específicas.

  • Constituyen sistemas aislantes contra choques térmicos, eléctricos y químicos a nivel de la hipodermis o en cubiertas de órganos internos.

  • otros pueden ser hormonas que participan en el control de procesos metabólicos

  • además sirven como precursores de otros compuestos complejos como lipoproteínas, glicoproteínas, vitaminas liposolubles etc.

Los lípidos se clasifican en tres grupos principales:

  1. LÍPIDOS SIMPLES que incluyen Grasas verdaderas saturadas (sólidas), aceites insaturados (líquidos) y ceras los cuales tienen estructura similar y en su molécula solamente poseen carbono, hidrógeno y oxígeno.

  2. LÍPIDOS COMPLEJOS comprenden los fosfolípidos o fosfoglicéridos, de estructura similar a las grasas pero además contienen fósforo y nitrógeno; los esfingolípidos (ceramidas, esfingomielinas, cerebrósidos y gangliósidos). A los cerebrosidos y gangliósidos también se les conoce como glicolípidos.

  3. LÍPIDOS DERIVADOS, incluyen los lípidos que no se clasifican en los anteriores grupos como la familia de los esteroides, carotenoides, las prostaglandinas y las vitaminas liposolubles.

De los anteriores grupos sólo las grasas y los aceites cumplen un papel importante como almacenes de energía.

Proteínas

Son las moléculas más diversas, complejas y de mayor tamaño presentes en la célula. Contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y usualmente azufre. En algunas proteínas pueden encontrarse unidos diferentes tipos de sustancias químicas llamadas grupos prostéticos, estos incluyen carbohidratos, lípidos, grupos fosfato, el grupo hem que contiene hierro e iones metálicos tales como el cobre y el zinc. Las proteínas tienen formas tridimensionales que son necesarias para su función específica.

Entre las funciones más importantes de las proteínas se consideran:

  • Su papel como catalizadores orgánicos (enzimas) de casi todas las reacciones de los sistemas biológicos.

  • Como hormonas transmitiendo información entre células.

  • Su participación en el transporte y almacenamiento de otras moléculas pequeñas, por ejemplo el transporte de oxígeno por la hemoglobina.

  • En el caso de los anticuerpos proporcionan defensa contra infecciones.

  • Sirven como componentes estructurales en las células y tejidos.

  • Ser la molécula básica en los mecanismos de movimiento, como en el caso de las proteínas contráctiles.

  • Ser el último recurso para la obtención de energía cuando el organismo carece de otras reservas tales como lípidos y carbohidratos.

Para entender esta variedad de funciones se debe estudiar la estructura de las proteínas y examinar las propiedades de los componentes y las características de los enlaces que ellos establecen para formarlas.

Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos, ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido desoxirribonucleico) son polímeros especializados en almacenar, transmitir y expresar la información genética en secuencias de aminoácidos, las cuales luego de algunos procesos conforman las proteínas de una célula.

El ADN fue descubierto como el principal constituyente químico del núcleo de células eucarióticas, en tiempos en los cuales Mendel y Darwin publicaron sus trabajos alrededor de la mitad del siglo XIX. Sin embargo, durante los años 1900s, las proteínas se consideraron como las mejores candidatas para almacenar la información hereditaria.
Friederick Miescher en 1869 en trabajos con glóbulos blancos obtenidos a partir de vendajes de pacientes con heridas infecciosas, realizó la primera extracción de los ácidos nucleicos. Su técnica se basó principalmente en lavar los vendajes que tenían secreciones producto de la infeccion con una solución salina, luego adicionó a este material que contenía principalmente un buen número de linfocitos, una solución alcalina que permitió que esas células se lisaran y el núcleo se precipitara en ella. La sustancia química que se encontró en estos núcleos, después de ciertos análisis la denominó nucleína y comprobó su presencia en otras células diferentes.

Los primeros estudios (1950) que permitieron comprobar la estructura de doble hélice del ADN fueron realizados por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins quienes mediante técnicas de cristalografía y difracción de rayos X lograron diversas preparaciones de fibras de ADN uniformemente orientadas, con las que concluyeron que las bases de los nucleótidos del ADN, que son moléculas planas, están apiladas unas sobre otras. Por su parte Erwin Chargaff, junto con sus colegas en la universidad de Columbia encontraron que el ADN de muchas especies diferentes y de diferentes fuentes en un mismo organismo presentaba ciertas regularidades. En casi todos los ADN analizados se conservaron las siguientes características, conocidas como la regla de Chargaff:
a. La cantidad de adenina es igual a la cantidad de timina.
b. La cantidad de guanina es igual a la cantidad de citocina.
c. Por lo anterior la cantidad total de purinas es igual a la cantidad total de pirimidinas.

Con base en los resultados analíticos de Chargaff y los patrones de difracción de Franklin y Wilkins, los investigadores J. Watson y F. Crick propusieron en 1953 un modelo de la molécula de ADN. A partir de los trabajos anteriores se concluyó:

  1. La molécula de ADN consta de un hélice constituida por dos bandas.

  2. Las bandas presentan un diámetro uniforme.

  3. La hélice se enrrola hacia la derecha, en el sentido de las manecillas del reloj.

  4. Las dos bandas corren en direcciones opuestas.

  5. Los enlaces fosfato-azúcar que constituyen el esqueleto de la cadena, están ubicados hacia fuera en la cadena, mientras que hacia el centro se presentan las purinas y pirimidinas sostenidas mediante puentes de hidrógenos que se forman entre ellas.

Actividades presenciales

En equipo de trabajo

  • Analiza los bioelementos que conforman la materia viva y elabora un cuadro sinóptico sobre ellos.

  • Construye un mapa semántico sobre las biomoleculas que conforman la materia viva.

Actividades no presenciales

  • Elabora un resumen ilustrando los bioelementos y biomoleculas que conforman la materia viva

V.LA QUÍMICA PARA EL DESARROLLO DE LA HUMANIDAD

Competencias

  • Explica la influencia de la Química en el desarrollo de la humanidad a través del estudio de fenómenos químicos cotidianos, composición química de los alimentos, alimentos transgénicos y aditivos alimentarios.

  • Aplica de la importancia de conocer sobre los fenómenos químicos cotidianos, la utilización de plaguicidas en la producción de alimentos, alimentos transgénicos y aditivos alimentarios, en beneficio de la humanidad y el medio ambiente.

  • Demuestra de actitud crítica y responsable ante el consumo de alimentos saludables

Fenómenos Químicos cotidianos

    1. Combustión

    2. Fermentación

    3. Descomposición de los alimentos

    4. Efervescencia

Entre los fenómenos químicos más importantes están: La combustión, la fermentación, descomposición de la materia orgánica y la efervescencia.

La combustión

Cuántos de nosotros no hemos preguntado porqué al hierro se le forma una costra a la que llamamos sarro, sencillo esto no es más que la acción del oxigeno sobre algunos metales estos no es más que la llamada oxidación este es un proceso lento al que ayuda la humedad y este a su ves desprende una determinada cantidad de calor.

Cuando la oxidación está acompañada de un gran desprendimiento de luz y calor, al proceso se le denomina combustión.

En el proceso de la combustión, la sustancia que se quema (arde) se le llama combustible y la otra sustancia es el comburente generalmente es el oxigeno, pero no solamente el oxigeno puede actuar como comburente sino que también hay otras sustancias tales como el Antimonio (Sb) y el Arsénico (As) arden en atmósfera de cloro. Son combustibles todas aquellas sustancias que arden con facilidad como carbón, papel entre otras. Este fenómeno lo observamos a diario cuando encendemos la cocina, o quemamos la basura o simplemente encendemos un fósforo. Algunos de los productos que se obtiene podemos mencionar energía lumínica, dióxido de carbono y vapor de agua.

El estudio de este fenómeno nos ayuda a entender algunas cosas tales como apagar fuegos provocados por gasolina este se hace cortando el suministro de oxigeno y para ello se utiliza polvo o explicar como funciona la casina de gas.

Fermentación

Es un fenómeno químico que ocurre mediante la acción de unas sustancias llamadas fermentos. Estos fermentos son enzimas muchas de estas son producidas por bacterias dentro del organismo.

Este proceso juega un gran papel en los sistemas biológicos, la mayoría de las reacciones químicas que ocurren en el proceso de digestión son catalizadas por enzimas. Hay microorganismos que se caracterizan por liberar fermentos, estos pueden ser formados en fuentes naturales (hongos y bacterias) u obtenidos artificialmente.

La fermentación puede ser de dos tipos; la fermentación alcohólica que es cuando se obtiene vinagre, alcohol y bebidas alcohólicas como licores y la ácido láctica que se da en la leche del cual se obtiene crema, queso.

Dentro del proceso de fermentación se obtiene productos primarios como la producción de alcohol, vinagre, crema entre otras pero también hay productos secundarios como el dióxido de carbono que se libera durante la reacción.

Descomposición de la materia orgánica

La materia orgánica se descompone por la acción de sustancias químicas como comburentes que permiten la combustión y la descomposición final.

La materia orgánica en la naturaleza se descompone principalmente por acción de microorganismos como bacterias, protozoarias y ciertos hongos. La descomposición de la materia orgánica se puede producir mediante la acción de bacterias aerobias y anaerobias las primeras actúan sin presencia del aire y las segundas con presencia de este.

Esta descomposición se puede comprobar fácilmente; deje destapado un poco de alimentos durante 24 horas y al mismo tiempo introduzca esa misma cantidad de alimentos en un recipiente y tápelo herméticamente durante el mismo tiempo del anterior. Compare las dos porciones de alimentos; notara que la segunda el olor es más desagradable que la primera, las sustancias que generan estos olores desagradables son el metano, amoniaco y sulfuro de hidrogeno es te último es el que evidencia la descomposición de proteínas.

Efervescencia

Químicamente es el proceso mediante el cual hay un desprendimiento de gas a través de un líquido, producto de una reacción química. Una reacción efervescente es la que ocurre al disolver alkaseltzer o Sal Andrews en agua, en la cual se libera dióxido de carbono y agua. Esta reacción es de neutralización de un ácido con una base.
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