Bioq correjido

BIOQUÍMICA AGRÍCOLA. Ing. Apolinar Manú García. Mcs.
INTRODUCCIÓN A LA
BIOQUÍMICA AGRÍCOLA
Ing. Apolinar Manú García Mcs.
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FICHA BIOGRÁFICA DEL AUTOR. (En la solapa del libro)
EL AUTOR curso estudios de bachillerato en
humanidades en el Colegio Nacional Mixto
“Reyes”, en el Departamento del Beni. Para
después, continuar estudios superiores en la
Universidad Agraria Estatal de Xarcov, republica
de Ukrania (Europa del Este), donde también
obtiene el grado de Maestría en Ciencias
Agrícolas; en la misma sigue curso de
especialización sobre aspectos profundos de
Agroquímica y edafología de los suelos.
Desde el año 1993 se desempeñó como
funcionario de la Ex CORDEBENI.
Seguidamente, desde el año 1995 desempeñó
funciones de Catedrático en la Universidad
Autónoma del Beni (UAB), con asiento en la
ciudad de Guayaramerín; desde el año 2002,
hasta 2008 ha prestado sus servicios
profesionales en la Universidad de Aquino
Boliviana (UDABOL), Universidad Evangélica
Boliviana (U E B) y la Universidad Cristiana
Boliviana (UCEBOL) de la ciudad de Santa
Cruz.
En el año 2009 prestó sus servicios profesionales
en calidad de Director de Carrera en la Facultad
de Ingeniería Forestal, de la Universidad
Indígena de tierras bajas “Apiaguaki Tumpa”,
con asiento en Machareti (Chuquisaca).
Para después, regresar a su trabajo en calidad de
Docente en las universidades antes mencionadas.
“Este libro ahora corregido y mejorado
constituye la consulta y el complemento
necesario del técnico que trabaja en el campo, del
estudiante de agronomía ya agropecuaria de las
universidades y finalmente también sirve como
material de consulta para los catedráticos de las
diferentes universidades del país. Cumple el
requerimiento de literatura científica que en
muchas oportunidades se han solicitado, ya que
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en nuestro medio existe una escasez alarmante de
publicaciones de éstos tópicos u otras de
necesidad apremiante”.
TEMA No. I.
INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA
1.- GENERALIDADES.-
La bioquímica es el estudio de las moléculas y de las reacciones
químicas de la vida. Los bioquímicos utilizan los métodos de todos los
científicos: se hacen observaciones y se elaboran y se prueban
hipótesis. El método científico para el estudio científico ha llevado a
una comprensión de la química básica que es común a todos los
organismos vivos.
La bioquímica estudia la base molecular de la vida. En los procesos
vitales interaccionan un gran número de substancias de alto peso
molecular o macromoléculas con compuestos de menor tamaño, dando
por resultado un número muy grande de reacciones coordinadas que
producen la energía que necesita la célula para vivir, la síntesis de
todos los componentes de los organismos vivos y la reproducción
celular.
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1.-1.- Concepto de Química Biológica o Bioquímica.-
Es una ciencia que se la define como el estudio de las sustancias
presentes en los organismos vivos y de las reacciones químicas en las
que se basan los procesos vitales. Esta ciencia es una rama de la
Química y de la Biología. El prefijo bio - procede de bios, término
griego que significa “vida”.
Su estructura principal es el conocimiento de la estructura y
comportamiento de las moléculas biológicas, que son compuestos de
carbono que forman las diversas partes de la célula y llevan a cabo las
reacciones químicas que le permiten crecer, alimentarse, reproducirse,
usar y almacenar energía.
La materia viva esta representada por una sustancia compleja
denominada protoplasma. En el protoplasma ocurren intercambios de
materiales con el medio y numerosas reacciones químicas que tienen
por objeto modificar las sustancias provenientes del exterior. La suma
de todos esos procesos se denomina metabolismo. Las reacciones
metabólicas pueden sin embargo producirse en situaciones en que falta
ya la vida, como ocurre por ejemplo, en extractos de células.
Al conjunto de reacciones que suceden dentro de los seres vivos se le
llama metabolismo.
Para comprender la química de la vida, es necesario adquirir un
conocimiento de los principios químicos fundamentales. Los avances
en este campo tienen lugar con rapidez desde el siglo XVI hasta el
XVIII, cuando los experimentos llevaron al desarrollo de teorías de
cinéticas de reacción y de termodinámica y al descubrimiento de la
composición atómica de algunas moléculas. Hacia el final de este
periodo, muchas sustancias químicas producidas en organismos vivos
fueron identificadas; el escenario estaba preparado para el nacimiento
de la bioquímica.
Hasta el principio del siglo XVIII, el mundo se dividía en términos
generales en vivo “orgánico” y el mundo no vivo “inorgánico”. La
diferencia entre lo viviente y lo animado se atribuía a la acción de una
fuerza vital, lo que llevó a considerar que las esferas orgánicas e
inorgánicas obedecían a leyes químicas muy diferentes, una teoría que
se conoce como Vitalismo. Sin embargo, en 1828 Friedrich Woler
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realizó el descubrimiento del momento, al calentar el compuesto
inorgánico, cianato de amonio produjo el compuesto orgánico urea. El
vitalismo sostenía que la urea solo se podía obtener a partir de la orina
que producen organismos vivos. La síntesis de la urea y de otros
compuestos orgánicos asestó un fuerte golpe al vitalismo, pero persistía
el concepto sobre la idea de que solo los organismos vivos podían llevar
a cabo las complicadas reacciones de la vida.
Para muchos científicos, el universo es notable no solo por su belleza,
sino también por su consistencia, su racionalidad, y su accesibilidad al
análisis racional. A medida que se estudia bioquímica surgen los
patrones que son lógicos y consistentes por si mismos. La bioquímica
es aún una ciencia más empírica que teórica, pero a medida que va
madurando, se va constituyendo una base teórica sólida. A pesar de la
diversidad increíble de organismos, es posible hacer generalizaciones
útiles que parecen ser aplicables a todo ser viviente.
a.- La vida requiere energía.- Los organismos vivientes están
transformando en forma constante energía en trabajo aprovechable.
Crecen y se multiplican. Mucha de su energía es suministrada en última
instancia por el sol. La luz solar es “capturada” por las plantas, las
algas, y las bacterias fotosintéticas, y es utilizada para la síntesis de
compuestos biológicos. Cuando estos organismos mueren, los
compuestos son ingeridos y degradados por protozoarios, hongos y
bacterias, estos animales son incapaces de realizar la fotosíntesis.
b.- Las reacciones bioquímicas requieren biocatalizadores.-
Casi todas las reacciones bioquímicas son catalizadas por enzimas
específicas. Las reacciones que podrían efectuarse con extremada
lentitud, en la ausencia de tales catalizadores, se pueden llevar a cabo
con rapidez en un organismo vivo. Una gran parte de la investigación
bioquímica esta dedicada la comprensión de las estructuras y las
funciones de las enzimas.
c.- La vida depende de la información codificada en los
genes.- La estructura de las proteínas específicas y el control de sus
síntesis se pasan de una generación a la siguiente. Esta información
esta contenida en el genoma, la suma total de la información genética
de una célula. El flujo de información es del DNA (genes) al ácido
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ribunucleico (RNA) a las proteínas, una secuencia que se conoce como
el dogma central.
La bioquímica es una ciencia empírica, y a diario se informa de nuevos
experimentasen la literatura científica. Los resultados de algunos de
estos experimentos afectan nuestra comprensión de cómo funciona la
vida. La bioquímica es una disciplina activa, que evoluciona con
rapidez y aún queda mucho por aprender.
2.- LA CÉLULA.-
Uno de los temas principales de la bioquímica es que los procesos en
los organismos vivos obedecen a las mismas leyes de la física y la
química que se observan en cualquier otra parte del universo.
Los compuestos biológicos están hechos a partir de los mismos
elementos que se encuentran en otras moléculas, pero el predominio de
algunos elementos en las células, difiere marcadamente de su
abundancia en la tierra. De los 92 elementos que surgen en forma
natural, solo al rededor de dos docenas existen y son indispensables en
las células vivas, y de ellos seis elementos – carbono, hidrógeno,
nitrógeno, fósforo y azufre - son los más comunes. El agua es un
componente importante de las células y a ella se debe el alto porcentaje
(en peso) de oxígeno. El carbono es mucho mas abundante en los
organismos vivos, que en el resto del universo, y algunos elementos
como el silicio y el aluminio, mas el hierro solo existen en trazas en las
células.
La materia viva llamada también materia orgánica, esta formada
principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Estos
elementos al combinarse, forman sustancias que interactúan entre si
dentro de la forma viva más simple que es la célula.
Célula.- Es la unidad mínima de un organismo capaz de actuar de
manera autónoma. Todos los organismos vivos están formados por
células, y en general, se acepta que ningún organismo vivo es un ser
vivo sino consta al menos de una célula. Algunos organismos
microscópicos como bacterias y protozoos, son células únicas, mientras
que los animales y plantas están formados por muchos millones de
células organizadas en tejidos y órganos.
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La mayor parte de las reacciones bioquímicas se llevan a cabo dentro
de los compartimientos unidos a las membranas, que se llaman células.
El poder concebir que las células son la unidad básica de la vida tuvo
que esperar hasta la invención del microscopio. Hace casi 300 años,
Robert Hooke utilizó el microscopio que había construido para
examinar una rebanada de corcho. Observó que el tejido vegetal estaba
dividido en compartimientos pequeños, a los que él llamo células (del
Latin, Cella, cuarto pequeño).
Las células se presentan en una considerable variabilidad de formas y
tamaños, a pesar de tal diversidad, todas las células se pueden clasificar
con amplitud como procarióticas y eucarióticas.
Las células procarióticas.- (del griego pro, antes; karyon,
núcleo), por lo regular son organismos de una sola célula y carecen de
núcleo unido a una membrana.
Las células eucarióticas.- (del Griego, eu, característico), son por
lo general mas grandes y tiene un núcleo unido a una membrana. Por lo
regular contienen, a su vez, membranas internas que dividen las células
en organelos como las mitocondrias, y los cloroplastos. Estos
organelos, tienen funciones específicas, necesarias para la vida de las
células.
La forma de una célula procariótica se mantiene por el citoesqueleto,
una proteína que sirve como andamio y que consiste en una re4d de
microtúbulos, filamentos de actina y filamentos intermedios. Además
de proporcionar estructura, los filamentos citoesqueléticos intervienen
en cambios en la forma de una célula, en el movimiento de organelos
dentro de una célula y en la mitosis y la meiosis.
La teoría celular actualmente se puede resumir de la siguiente forma:
1. Todos los organismos vivos están formados por
células y productos celulares.
2. Sólo se forman células nuevas a partir de células
preexistentes.
3. La información genética que se necesita durante la
vida de las células y la que se requiere para la producción de
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nuevas células se transmite de una generación a la
siguiente.
4. Las reacciones químicas de un organismo, esto es su
metabolismo, tienen lugar en las células.
3.- DIFERENCIA ENTRE CÉLULA VEGETAL Y CÉLULA
ANIMAL
Tanto las células de las plantas como las de los animales son
eucarióticas, sin embargo presentan algunas diferencias:
1. Las células vegetales presentan una pared celular celulósica,
rígida que evita cambios de forma y posición.
2. Las células vegetales contienen plastidios, estructuras rodeadas
por una membrana, que sintetizan y almacenan alimentos. Los
más comunes son los cloroplastos.
3. Casi todas las células vegetales poseen vacuolas, que tienen la
función de transportar y almacenar nutrientes, agua y productos
de desecho.
4. Las células vegetales complejas, carecen de ciertos organelos,
como los centriolos y los lisosomas.
4-.LOS ORGANISMOS VIVOS OBEDECEN A LAS LEYES DE
LA FÍSICA Y DE LA QUÍMICA.-
Uno de los temas principales de la bioquímica es que los procesos en
los organismos vivos obedecen las mismas leyes de la física y la química
que se observan en cualquier otra parte del universo. Este tema se ha
desarrollado durante varios cientos de años pasados, a medida que la
experiencia ha revelado la ausencia de cualquier “fuerza vital” que
pudiera gobernar la actividad biológica.
Los compuestos biológicos están hechos a partir de los mismos
elementos que se encuentran en otras moléculas, pero el predominio de
algunos elementos en las células difiere marcadamente de su
abundancia en la tierra. De los 92 elementos que surgen en forma
natural, solo alrededor de dos docenas existen y son indispensables en
las células vivas; y de ellos, solo seis, a saber: carbono, hidrógeno,
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nitrógeno, fósforo, y azufre son los más comunes. El agua es un
componente importante en las células y a ella se debe el alto porcentaje
(en peso) de oxígeno. El carbono es mucho más abundante en los
organismos vivos que en el resto del universo, y algunos elementos
como el silicio, el aluminio y el hierro, son elementos que solo existen
en pequeñas trazas en las células, aunque estos son muy abundantes en
la tierra.
5.- COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA CELULA.-
• En los organismos vivos no hay nada que contradiga las leyes de
la química y de la física. La química de los seres vivos, objeto de
estudio de la bioquímica esta dominada por compuestos de
carbono y se caracteriza por reacciones acaecidas en solución
acuosa y en un intervalo de temperaturas pequeñas.
• La química de los organismos vivientes es muy compleja, más
que la de cualquier otro sistema químico conocido. Está
dominada y coordinada por polímeros de gran tamaño, moléculas
formadas por encadenamientos de subunidades únicas de estos
compuestos permiten a células y organismos crecer y
multiplicarse.
• Las reacciones químicas que se llevan cabo dentro de las células
son las mismas clases de reacciones que se efectúan en moléculas
en reacciones no enzimáticas. Los enlaces químicos se forman y
se rompen de acuerdo a mecanismos comunes a toda la química.
No obstante, las reacciones que tienen lugar en las células ya son
catalizadas y así, se llevan a cabo a velocidades muy rápidas.
• Las reacciones bioquímicas comprenden enlaces químicos
específicos o partes de una molécula. Estos sitios de reactividad o
grupos funcionales, se pueden clasificar en unos pocos tipos
comunes.
5.-1.- Los Bioelementos.- Son los elementos de la vida.
El análisis químico de la materia viva revela que la materia viva esta
formada por una serie de elementos y compuestos químicos. Todos los
seres vivos estas constituidos cualitativa y cuantitativamente por los
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mismos elementos químicos. De todos los elementos que se hallan en la
corteza terrestre, solo unos 25 son componentes de los seres vivos.
Esto confirma la idea de que la vida se ha desarrollado sobre unos
elementos concretos que poseen unas propiedades físico-químicas
idóneas acordes con los procesos químicos que se desarrollan en los
seres vivos.
Se denominan elementos biogénicos o bioelementos a aquellos
elementos químicos que forman parte de los seres vivos. Que para su
mejor estudio se los suele clasificar de la siguiente manera:
• Inorgánicos.
Agua.
Sales minerales.
• Orgánicos.
Glúcidos.
Lípidos.
Proteínas.
Ácidos nucleicos.
Atendiendo a su abundancia (no importancia) se pueden agrupar en
tres categorías, y son:
a).Bioelementos primarios.- Que aparecen en la proporción media
del 96 % en la materia viva y son carbono, oxígeno, hidrógeno, y
nitrógeno. Estos elementos reúnen una serie de propiedades que los
hacen adecuados para la vida.
• Forman entre ellos enlaces covalentes muy estables,
compartiendo pares de electrones. El carbono, oxígeno y
nitrógeno, pueden formar enlaces dobles y triples.
• Facilitan la adaptación de los seres vivos al campo gravitatorio
terrestre, ya que son los elementos más ligeros de la
naturaleza.
b). Bioelementos secundarios.- Aparecen en una proporción cerca
del 3.3 %. Y ellos son, calcio, sodio, potasio, magnesio, cloro, azufre y
fósforo desempeñando funciones de vital importancia en fisiología
celular.
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El Azufre.- Se encuentra en dos aminoácidos. (Cisteina y metionina)
presentes en todas las proteínas. También en algunas sustancias como
el Coenzima A.
El Fósforo.- Forma parte de los nucleótidos, son compuestos que
forman los ácidos nucleicos. Forman parte de coenzimas y otras
moléculas como fosfolípidos, sustancias fundamentales de las
membranas celulares. También forma parte de los fosfatos, sales
minerales de los seres vivos.
El Magnesio.- Forma parte de la molécula de la clorofila, y en forma
iónica actúa como catalizador, junto con las enzimas, en muchas
reacciones químicas del organismo.
El calcio.- Forma parte de los carbonatos de calcio, de estructuras
esqueléticas. En forma iónica interviene en la contracción muscular, la
coagulación sanguínea y la transmisión del impulso nervioso.
El sodio.- Este catión es abundante en el medio extracelular, es
sumamente importante para la conducción nerviosa y la contracción
muscular.
El potasio.-. Este catión es el más abundante en el interior de las
células, es necesario para la conducción nerviosa y la contracción
muscular.
El cloro.- Es el anión más frecuente; es de suma importancia para
mantener el balance de agua en la sangre y fluido intersticial.
c).- Oligoelementos.- Se denominan así al conjunto de elementos
que están presentes en los organismos en forma vestigial, (proporción
inferior al 0,1 %) pero que son indispensables para el desarrollo
armónico, pues su carencia puede acarrear graves trastornos para los
organismos. Se han aislado unos 60 oligoelementos en los seres vivos,
pero solamente 14 de ellos pueden considerarse comunes para casi
todos, y estos son: Hierro, magnesio, cobre, zinc, flúor, yodo, boro,
silicio, vanadio, Cromo, cobalto, selenio, molibdeno y estaño.
Hierro.- Es muy fundamental para la síntesis de la clorofila, también
actúa como catalizador en las diferentes reacciones químicas, después
forma parte de los citocromos que intervienen en la respiración celular,
y en la hemoglobina que interviene en el transporte de oxígeno.
Manganeso.- Este elemento interviene en la fotolisis del agua,
durante el proceso de fotosíntesis de las plantas.
Yodo.-. Es muy necesario para la síntesis de la tiroxina, esta hormona
interviene en el metabolismo.
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Flúor.- Este elemento esta presente en el esmalte dentario y de los
huesos.
Cobalto.- Forma parte de la vitamina B12, que es muy necesario para
la síntesis de la hemoglobina.
Silicio.- Este elemento proporciona resistencia al tejido conjuntivo,
también sirve para endurecer los tejidos vegetales en las gramíneas.
Cromo.- Este elemento interviene junto a la insulina en loa regulación
de la glucosa en la sangre.
Zinc.- Actúa como catalizador en muchas reacciones de nuestro
organismo.
Litio.- Actúa sobre los neurotransmisores y la permeabilidad celular.
En dosis adecuada puede prevenir estados de depresiones.
Molibdeno.- Este elemento forma parte de las enzimas vegetales que
actúan en la reducción de los nitratos por parte de las plantas.
d).- Biomoléculas Inorgánicas.-
1.- El Agua.- Los organismos vivos dependen absolutamente del agua
para su existencia. El agua es una molécula simple y muy extraña, y
esta considerada como el líquido de la vida. Es la sustancia más
abundante en la biosfera, donde se la encuentra en sus estados y es
además el componente mayoritario de los seres vivos; pues entre al 65
y el 95 % del peso de las mayorías de las formas vivas es agua. El agua
fue además el soporte de donde surgió la vida. Es una molécula con un
extraño comportamiento que la s convierte en una sustancia diferente
a la mayoría de los líquidos, posee unas extraordinarias propiedades
físicas y químicas que van a ser responsables de su importancia
biológica.
El agua es un excelente disolvente de las sustancias iónicas y de las
polares, es el medio en el cual están disueltas una parte considerable de
las sustancias celulares. La capacidad del agua para ionizarse y para
participar en las reacciones ácido-base es fundamental para las
reacciones de las proteínas, de los ácidos nucleicos, y de otras
biomoléculas.
La estructura de una molécula de agua, H2O no es lineal, sino que
tiene la forma de V. el ángulo entre los dos enlaces covalentes O – H es
104,5. La forma angular de la molécula de agua le permite formar
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uniones intermoleculares que dan al agua sus propiedades poco
comunes. La distribución desigual en la carga en un enlace se conoce
como un dipolo, y se dice que el enlace es polar.
1.- 1.- Propiedades del agua.-
a).- Acción disolvente.
El agua es un líquido que mas sustancias disuelve, por eso decimos que
es el Disolvente Universal. Esta propiedad, tal vez la mas
importante de la vida, se debe a su capacidad de formar puentes de
hidrógeno con otras sustancias que pueden presentar grupos polares o
con carga iónica (alcoholes, azucares con grupos R-OH, aminoácidos y
proteínas con grupos que presentan cargas + y -) lo que da lugar a
disoluciones moleculares. También las moléculas de agua pueden
disolver a sustancias salinas que se disocian formando disoluciones
iónicas.
La capacidad Disolvente es la responsable de dos funciones a saber:
• Medio donde ocurren las reacciones del metabolismo.
• Sistemas de transporte.
b).- Elevada fuerza de cohesión.-
Una consecuencia importante de la polaridad de la molécula de agua es
la atracción de las moléculas de agua entre sí. La atracción entre uno de
los átomos de hidrógeno ligeramente positivo de una molécula de
agua y el átomo de oxígeno ligeramente negativo de otra produce
un puente de hidrógeno.
Estos puentes de hidrógenos mantienen a las moléculas de agua
fuertemente unidas, Formando unas estructuras compacta que la
convierte en un líquido casi incompresible. Al no poder comprimirse
puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático,
como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la
roca mediante la presión generada por sus líquidos internos.
c).- Elevada fuerza de adhesión.-
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Esta fuerza esta también en relación con los puentes de hidrógeno
que se establecen entre las moléculas de agua y otras moléculas polares
y es responsable junto con la cohesión del llamado fenómeno de la
capilaridad. Cuando se introduce un capilar en un recipiente con agua,
esta asciende por el capilar como si trepase agarrándose por las
paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente, donde la
presión que ejerce la columna de agua se equilibra con la presión
capilar. A este fenómeno se debe en parte la ascensión de la savia
bruta desde las raíces hasta las hojas, a través de los vasos leñosos.
d).- Gran calor específico.-
Se la define como la cantidad de calor necesario para incrementar la
temperatura de 1 gramo de agua en 1° C. se requiere un gran cantidad
de calor para elevar la temperatura del agua debido a que cada
molécula del agua participa en múltiples puentes de hidrógeno que
deben ser rotos para incrementar la energía cinética de las moléculas
de agua.
En esta oportunidad nos servirá el mismo razonamiento, teniendo en
cuanta que los puentes de hidrógeno son los responsables de esta
propiedad. Para evaporar el agua, primero hay que romper los puentes
de hidrógenos y posteriormente dotar a las moléculas de agua de la
suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa.
Para evaporar un gramo de agua se necesitan 540 calorías, a una
temperatura de 20° C.
1.- 2.- Funciones del agua.-
Las funciones del agua se relacionan íntimamente con las propiedades
anteriormente descritas. Estas funciones se podrían resumir en los
siguientes puntos:
a).- Soporte en medio donde ocurren las reacciones
metabólicas.
b).- Amortiguador térmico.
c).- Transporte de sustancias.
d).- Lubricante, amortiguadora del roce entre órganos.
e).- Favorece la circulación y la turgencia.
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f).- Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos.
g).- puede intervenir como reactivo en las reacciones del
metabolismo, aportando hidrogeniones o hidroxilos al
medio.
2.- LAS SALES MINERALES.-
Las sales minerales en función de su solubilidad se distinguen dos
tipos: insolubles y solubles en agua.
a).- Sales inorgánicas insolubles en agua.-
Su función es de tipo plástico, formando estructuras de protección y
sostén, como por ejemplo:
• Esqueleto interno y dientes de vertebrados, en el que
encontramos fosfatos, cloruros, fluoruros y carbonatos de
calcio.
• Caparazones de carbonato de calcio de crustáceos y
moluscos.
• Endurecimiento de células vegetales, como en gramíneas,
(impregnación con sílice).
• Otolitos del oído interno, formado por cristales de
carbonato cálcico que intervienen en el mantenimiento del
equilibrio interno o partículas de magentita, que al parecer
pueden utilizar algunos animales como función de brújula
para orientarse en sus desplazamientos.
b).- Sales inorgánicas solubles en agua.-
La actividad biológica que proporcionan se debe a sus iones que
desempeñan fundamentalmente las siguientes funciones:
• Funciones catalíticas, algunos iones como Mª+2, Cu+2,
Mg+2, Zn+2, etc. Actúan como cofactores enzimáticos
siendo necesarios para la actividad catalítica de ciertas
enzimas. El ión ferroso-férrico forma parte del grupo hemo
de la hemoglobina y mioglobinas, proteínas encargadas del
transporte de oxígeno.
• Funciones osmóticas, Intervienen con los procesos
relacionados con la distribución del agua entre el medio
celular y el medio donde vive esa célula. Los iones de Na, K,
Cl y Ca, participan en la generación de gradiente
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electroquímico, imprescindible en el mantenimiento de
potencial de la membrana y del potencial de acción y en la
sinapsis neuronal.
• Función tamponadora, Se lleva a cabo por los sistemas
carbonato-bicarbonato, y también por el monofosfato-
bifosfato y permite mantener estable el PH de la célula.
3.- BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS.-
3.-1.- Glúcidos.- Los hidratos de carbono, compuestos por carbono,
hidrógeno y oxígeno, representan la principal fuente de energía para la
célula y también son constituyentes estructurales importante de la
pared celular y de las sustancias intercelulares. Se clasifican de acuerdo
con el número de monómeros que contienen en monosacáridos,
disacáridos, oligosacaridos y polisacáridos.
Las funciones de los carbohidratos se las puedes resumir de la
siguiente manera:
• Energética, por que constituyen por su abundancia el
combustible celular por excelencia.
• Estructural, ya que se encuentra formando parte estructural
de las membranas estructurales.
• Reserva, por que se encuentran almacenadas en forma de
polímeros en animales y plantas cuyos componentes
principales son el glucógeno y el almidón respectivamente.
• Sostén y protección, pues en los vegetales forman
estructuras poliméricas, como la celulosa que forma la
pared celular que recubre las células vegetales y que es un
elemento importante en el sostén del vegetal.
3.-2.- Los Lípidos.- Los lípidos son un conjunto de sustancias
estructuralmente heterogéneas, las cuales pueden ser extraídas de
tejidos animales o vegetales al ser tratadas con solventes orgánicos.
Entre las principales funciones de los lípidos se encuentran las
siguientes:
• Constituyen componentes estructurales de membranas,
pues junto con las proteínas forman la llamada membrana
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unidad lipoproteica en todos los sistemas membranosos
celulares.
• Son materiales energéticos celulares por que estas
sustancias representan un gran contenido por su estado
reducido.
• Constituyen sustancias de reservas, ya que se almacenan en
tejidos y semillas como en los tejidos adiposos y en las
semillas de los vegetales.
• Tienen funciones protectoras, ya que están presentes en las
paredes celulares de las bacterias y plantas, en el
exoesqueleto de insectos, y en la piel de los vertebrados.
3.- 3.- Las proteínas.- Representan las moléculas orgánicas mas
abundante en el interior de la célula, pues constituyen alrededor del 50
% o más de su peso seco. Son macromoléculas de alto peso molecular.
Sus funciones más destacadas son:
• Actúan como instrumentos moleculares mediante los cuales
se expresa la información genética (nucleoproteínas).
• Funcionan como biocatalizadores (enzimas).
• Tienen función estructural (proteínas en membranas).
• Actúan como vehículos de transporte (hemoglobina,
seroalbúminas).
• Constituye reserva de materiales nutritivos (proteínas).
• Presentan función protectora o inmunológica (globulina).
• Función reguladora (hormonas).
3.- 4.- Los ácidos nucleicos.- Representan estructuras moleculares
de gran importancia en las células, ya que participan directamente en la
transmisión y codificación de la información genética. Están
constituidos por azucares del tipo de las pentosas (ribosa y
desoxirribosa), bases orgánicas (purinas y pirimidinicas) y ácido
fosfórico.
Las funciones de los ácidos nucleicos se las puede resumir de la forma
siguiente:
El DNA se localiza fundamentalmente en el núcleo celular y posee la
codificación genética de la célula y el RNA y se encuentra
principalmente en el citoplasma celular y participa en la biosíntesis de
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proteínas. Recientemente se ha detectado la presencia de ácidos
nucleicos en orgánulos celulares como las mitocondrias y los
cloroplastos, lo que hace suponer cierta independencia en la
reproducción de estos.
6.- GENERALIDADES DEL METABOLISMO CELULAR.-
El metabolismo de una célula son todas las reacciones químicas, por
medio de las cuales se efectúa la nutrición. El metabolismo se defina
como el conjunto de procesos físicos-químicos-fisiológicos que ocurren
en los organismos capaces de intercambiar sus componentes y energía
en el entorno, lo cual le permite su autoconservación y autorreparación.
Representa la actividad celular altamente integrada y plagada de
propósitos en la que participan muchos sistemas multienzimáticos con
la finalidad de intercambiar sustancias y energía con el entorno, y
propiciar por lo tanto el desarrollo de la vida celular.
Las funciones del metabolismo celular se las puede resumir de la forma
siguiente:
• Obtener energía química del medio, de los elementos
orgánicos o de la luz solar.
• Convertir los elementos nutritivos exógenos en precursores
de los componentes macromoleculares de las células.
• Reunir los componentes moleculares para formar as
proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y otros componentes
celulares.
• Formar y biodegradar aquellas biomoléculas necesarias
para las funciones vitales.
El metabolismo como proceso fisiológico transcurre mediante dos fases
antagónicas y simultáneas conocidas como anabolismo y catabolismo,
denominándose a las moléculas o intermediarios químicos metabolitos.
6.- 1.- El catabolismo.- Constituye la fase de la degradación del
metabolismo. Las reacciones en esta fase son esencialmente
degradantes; grandes moléculas orgánicas se transforman en
constituyentes mas simples. En este proceso ocurren reacciones
oxidativas en la que se desprende energía química utilizable (ATP)
energía necesaria para el sostenimiento, multiplicación, crecimiento y
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desarrollo del organismo, para el trabajo osmótico, mecánico,
generación de impulsos nerviosos, etc.
6-2.- El anabolismo.- Representa la fase constructiva del
metabolismo. Se caracteriza por presentar reacciones biosintéticas con
la formación de estructuras moleculares complejas a partir de
estructuras más simples. El anabolismo suele tener etapas reductoras y
consume energía potencial (ATP, NAD+H+ y otros).
Siendo que las fases del metabolismo ocurren simultáneamente, no
aisladas unas de otras, ambas están relacionadas por una zona central
del proceso que se caracteriza por reacciones intermedias, a manera de
diferentes vías metabólicas que al conectarse con las reacciones que
corresponden a las diferentes reacciones anabólicas y catabólicas,
integran el metabolismo intermediario.
El nexo del anabolismo con el catabolismo se manifiesta en tres niveles,
y ellos son:
• En lo referente alas fuentes carbonadas. Los productos del
catabolismo se transforman en sustrato de los procesos
anabólicos, a causa de la interconversión de las reacciones
que caracterizan a la zona central.
• En el suministro energético. El catabolismo produce
energía química en forma de ATP o compuestos fácilmente
convertibles en éste. El anabolismo requiere energía o
consumo de ATP.
• En lo referente al poder reductor. El catabolismo es
esencialmente oxidativo. Consume poder oxidante
generando poder reductor. El anabolismo es esencialmente
un proceso reductivo, consumiendo el poder reductor
generado por el catabolismo.
Las diferentes reacciones del metabolismo se realizan en estructuras
especializadas dentro del citoplasma, y ellas son:
• Glucólisis y fermentación: parte soluble del citoplasma.
• Oxidación o combustión de los carbohidratos, grasas y
aminoácidos, en las mitocondrias.
• Síntesis de proteínas: ribosomas del retículo
endoplasmático a partir de aminoácidos específicos.
• Síntesis de ácidos nucleicos (ARN y ADN), en el núcleo.
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• Fotosíntesis (células vegetales); en el cloroplasto.
7.- LA CADENA RESPIRATORIA.-
La cadena respiratoria recibe ese nombre por que consiste en un
complicado sistema de moléculas que toman átomos de hidrógeno y
electrones de diferentes sustancias que las células obtienen de la
degradación de los materiales con los que se nutren. A través de los
componentes de la cadena respiratoria, estos hidrógenos y electrones
viajan hacia el oxígeno, con el cual se combinan al final. En cierta
forma este proceso puede verse como la manera en la que las células
llevan a cabo la combinación del oxígeno con el hidrógeno para formar
agua, y es realmente lo que constituye la respiración celular. Pero en el
proceso se puede obtener una cantidad muy grande de energía
derivada, en términos muy sencillos, de la gran tendencia que tiene el
hidrógeno para unirse con el oxígeno.
La cadena respiratoria se realiza precisamente en las membranas de las
mitocondrias de las células, o en la membrana externa de las bacterias,
cuando los átomos de hidrógeno o en alguna parte de la cadena, los
electrones que provienen de ellos viajan hacia el oxígeno, liberan una
cantidad de energía, que en lugar de disiparse, se utiliza para mover
hidrogeniones (H+) de un lado al otro lado de las membranas. Este
transporte de hidrogeniones (H+) representa en gran medida la forma
de “atrapar” o convertir la energía derivada de la tendencia natural de
los electrones a llegar al oxígeno, en otra forma de energía, le diferencia
de concentración de los H+ en ambos lados de la membrana. La
tendencia natural de los hidrogeniones que se han concentrado de un
lado de la membrana representa una nueva forma de energía, que luego
puede ser aprovechada para mover a otras sustancias.
También se puede decir que en la cadena respiratoria sería la etapa
final del proceso de la respiración y que se “almacenan” en el NADH y
FADH2, Irán pasando por una serie de transportadores, situados en las
crestas mitocondriales formando tres grandes complejos enzimáticos.
La disposición de los transportadores permite que los electrones
“salten” de unos a otros, liberándose una cierta cantidad de energía
(son reacciones redox) que sirve para formar un enlace de alta energía
entre el ADP y el P, que da lugar a una molécula de ATP. El último
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receptor de electrones es el oxígeno molecular y otra consecuencia será
la formación de agua.
En resumen, la cadena respiratoria es un conjunto de procesos redox
altamente ordenados que producen una variación de energía lo
suficientemente alta como para permitir la síntesis de ATP, la energía
química biológicamente utilizable.
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TEMA No. 2.
LAS ENZIMAS
1.- INTRODUCCIÓN.-
Al igual que las disciplinas experimentales que han surgido como rama
común que es la biología, tiene una historia propia construida a través
de observaciones, experiencias, pruebas y teorías. Se inició con el
estudio de los procesos de fermentación y de putrefacción y Antoine-
Laurent Lavoiser (1743- 1794) fue el primero en plantear sobre bases
cuantitativas el proceso de la fermentación alcohólica al observar una
relación entre cantidad de azúcar presente y productos formados
durante el proceso. Sostuvo que la fermentación podía ser considerada
como una reacción química cualquiera. No obstante Pasteur demostró
pronto que los procesos de putrefacción y fermentación eran
provocados por la presencia de bacterias y levadura.
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2.- EVOLUCIÓN DE LA ENZIMOLOGIA
Si bien algunos químicos consideraron esos procesos como
metamorfosis de sustancias que provocaban excitaciones en otras que
estaban cerca de ellas, esta cuestión fue, como ya se ha dicho,
definitivamente resuelta por Buchner hacia finales del siglo XIX;
exprimiendo masas celulares de Saccharomyces cerevisie obtuvo un
liquido sin células, capaz de producir la mismas reacciones químicas
que se obtenían utilizando la suspensión de células, es decir, la
transformación del azúcar y anhídrido carbónico. Por tanto, de en
alcohol la levadura se podía extraer una sustancia capaz de regular un
proceso químico concreto.
Más adelante se constato que el almidón era degradado a
monosacárido y disacárido por la acción del jugo salival (ptialina) y se
describió la presencia de la pepsina en el jugo gástrico. Posteriormente,
fueron aisladas sustancias de carácter fermentativo a partir de
numerosas especies vegetales. Se observo que el extracto de algunas
raíces tenía capacidad para modificar el color azul de determinadas
sustancias y que el extracto de trigo era capaz de transformar el
almidón en disacáridos y dextrina.
Las enzimas son catalizadores muy potentes y eficaces, químicamente
son proteínas como catalizadores, las enzimas actúan en pequeña
cantidad y se recuperan indefinidamente. No llevan a cabo reacciones
que sean energéticamente desfavorables, no modifican el sentido de los
equilibrios químicos, sino que aceleran su consecución.
2.- 1.- Catalizador.- Un catalizador es una sustancia que acelera una
reacción química, hasta hacerla instantánea o casi instantánea. Un
catalizador acelera la reacción al disminuir la energía de activación.
Cada célula y cada tejido tiene su actividad propia, lo que comporta
continuos cambios en su estado bioquímico, en la base de la cual están
las enzimas, que tienen el poder de catalizar, facilitar y agilizar
determinados procesos sintéticos y analíticos. Los propios genes son
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reguladores de la producción de las enzimas; por lo tanto, genes y
enzimas pueden ser considerados como las unidades fundamentales de
la vida.
Este concepto poco difundido hasta casi el siglo XX, se ha desarrollado
y concretado cada vez más, y constituye un componente esencial de
diversas disciplinas: la microbiología, la fisiología, la bioquímica, la
inmunología y la taxonomía, formando además parte del campo
aplicado, en gran variedad de industrias. El rasgo particular de las
enzimas es que pueden catalizar procesos químicos a baja
temperaturas, compatible con la propia vida, sin el empleo de
sustancias lesivas para los tejidos. La vida es en síntesis, una cadena de
procesos enzimáticos, desde aquellos que tiene por sustratos los
materiales más simples, como el agua (H2O) y el anhídrido carbónico
(CO2) presentes en los vegetales para la formación de los hidratos de
carbono, hasta los más complicados que utilizan sustratos muy
complejos.
La formación de los prótidos, los glúcidos y los lípidos es un ejemplo
típico: son a la vez degradados y reconstruidos por otras reacciones
enzimáticas, produciendo energía a una velocidad adecuada para el
organismo, sin el gasto energético que exigen los métodos químicos de
laboratorio.
3.- COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS ENZIMAS.-
Desde el punto de vista químico, las enzimas están formadas de
carbono (C); hidrógeno (H); oxígeno (O); nitrógeno (N); y azufre (S)
combinados, pero siempre con peso molecular bastante elevado y
propiedades catalíticas específicas. Su importancia es tal que puede
considerarse la vida como un “orden sistemático de enzimas
funcionales”. Cuando este orden y su sistema funcional son alterados
de algún modo, cada organismo sufre más o menos gravemente y el
trastorno puede ser motivado tanto por la falta de acción, como por un
exceso de actividad enzimática.
Las enzimas en los sistemas biológicos constituyen las bases
de las complejas y variadas reacciones que caracterizan los
fenómenos vitales. La fijación de la energía solar y la síntesis de
sustancias alimenticias llevadas a cabo por los vegetales dependen de
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las enzimas presentes en las plantas. Los animales, a su vez, están
dotados de las enzimas que les permiten aprovechar los alimentos con
fines energéticos o estructurales; las funciones del metabolismo interno
y de la vida de relación, como la locomoción, la excitabilidad, la
irritabilidad, la división celular, la reproducción, etc. Están regidas por
la actividad de innumerables enzimas responsables de que las
reacciones se lleven a cabo en condiciones favorables para el individuo;
sin liberaciones bruscas de energía a temperaturas fijas en un medio de
Ph, concentración salina; prácticamente constante.
A diferencia de un catalizador inorgánico que interviene en numerosas
reacciones las enzimas producidas por los organismos vivos
habitualmente solo catalizan un tipo de reacción o solo una reacción
determinada; la especificidad de las enzimas es tan marcadas que en
general actúan exclusivamente sobre sustancias que tienen una
configuración precisa; por ejemplo, si solo atacan a los aminoácidos
que tienen su carbono, asimétrico, con estructura L-, no muestran la
menor actividad sobre formas idénticas de dichos aminoácidos, pero
que sean del tipo D-.
En los sistemas biológicos se llevan a cabo diversas
reacciones a partir de la misma sustancia; por ejemplo algunos
microorganismos convierten la glucosa en alcohol y bióxido de
carbono, al paso que otros gérmenes la convierten en ácido láctico o
ácido pirúvico o acetaldehido. Esto quiere decir que la glucosa puede
descomponerse en distintos productos y aunque todas las posibilidades
son teóricas y prácticamente posibles la presencia de ciertas enzimas
favorece uno de los caminos que llevan a la acumulación de
determinados compuestos.
Las enzimas, por lo tanto, se consideran como catalizadores altamente
específicos que:
• Modifican la velocidad de los cambios promovidos por ellas.
• Determinan que sustancias particulares, de preferencia a otras
distintas son las que van a sufrir los cambios.
• Impulsan dentro de los distintos cambios posibles que pueda
seguir una sustancia, cual de ellos en especial, será el utilizado.
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Las enzimas representan las sustancias encargadas de
graduar la velocidad de una reacción determinada en el
interior de las células; como en las diversas células se realizan
infinidad de reacciones, ya que en una de ellas se encuentran varios
miles de sustancias, se deduce, también, la presencia de varios miles de
enzimas. Es posible, por lo tanto, que la mayor parte de esta estructura
proteínica celular esté formada por enzimas, encargadas de las diversas
funciones de síntesis, degradación, oxidación, etc. características de la
actividad vital de los distintos organismos.
4.- NOMENCLATURA Y CLASIFICACION DE LAS ENZIMAS
Cien años atrás solo se conocían enzimas, muchas de estas, catalizaban
la hidrólisis de enlaces covalentes. Algunas enzimas, de manera
especial las que fueron descubiertas en un principio, recibieron
nombres ligados mas bien a su sitio de procedencia anatómica que no
siguen ninguna regla ni sistema; tal es el caso de la ptialina de la saliva,
que ataca al almidón de la pepsina del estómago y de la tripsina del
páncreas, que atacan proteínas; de la renina, que coagula la leche; de la
papaina, enzima proteolítica que se encuentra en la papaya y de las
catepsinas, también proteasas, que se encuentran en las células. Las
enzimas relacionadas con la coagulación de la sangre, como son la
trombina, la plasmina, el plasminógeno, etc. reciben también nombres
sistematizados.
Esta manera de llamarlas, se demostró que era inadecuada porque al
descubrirse varias enzimas, notaron que varias enzimas catalizaban
reacciones diferentes del mismo sustrato, por ejemplo, oxidación o
reducción de la función alcohol de un azúcar.
Aunque el sufijo –asa continúa en uso; actualmente, al nombrar a las
enzimas, se enfatiza el tipo de reacción catalizada. Por ejemplo: las
hidrogenasas catalizan la eliminación de hidrogeno y las transferasas,
reacciones de transferencia de grupo. Con el descubrimiento de mas y
mas enzimas, surgieron ambigüedades y con frecuencia no estaba claro
cual era la enzima que un investigador deseaba estudiar. Para remediar
esta deficiencia, la Comisión para el estudio de las enzimas, que
constituye con respecto a los sistemas anteriores un punto de vista más
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uniforme, preciso y descriptivo; esta formada por la Unión
Internacional de Bioquímica (IUB) adopto, en 1964, un sistema
complejo pero inequívoco de la nomenclatura enzimática basado en el
mecanismo de reacción.
El sistema se basa en la reacción química catalizada que es la propiedad
específica que caracteriza a cada enzima las cuales se agrupan en
clases, porque catalizan procesos semejantes, y en subclases que
especifican con mayor exactitud la reacción particular considerada. En
general, las enzimas reciben un nombre de acuerdo con el sustrato o los
sustratos que participan en la reacción seguida por el tipo de reacción
catalizada y, por fin, la terminación -asa. A menudo los nombres así
obtenidos resultan largos y complejos, por lo que es muy difícil que en
la práctica se pueda excluir el uso de los nombres triviales, consagrados
por la costumbre. Sin embargo, con fines de sistematización, se
reconoce la necesidad de aceptar el nuevo sistema.
Aunque su claridad y carencia de ambigüedad recomiendan al sistema
de nomenclatura IUB para trabajos de investigación, nombres más
ambiguos, pero bastante más cortos persisten en libros de texto y en el
laboratorio clínico. Por esta razón, a continuación solo se presenta
principios generales del sistema IUB:
1. Las reacciones y las enzimas que las catalizan se dividen en 6
clases principales, cada una con 4 a 13 subclases.
2. El nombre de la enzima tiene 2 partes: la primera es el nombre
del o los sustratos; la segunda, con terminación –asa, indica el
tipo de reacción catalizada.
3. Información adicional, si es necesario aclarar la reacción, puede
seguir el paréntesis. Por ejemplo: la enzima que cataliza L-malato
+ NAD=
= piruvato + CO2 NADH + H=
, se denomina como 1.1.1.37
L-malato:NAD+
oxidorreductasa (descarboxilante).
También es muy importante destacar que se suele clasificar a las
enzimas en seis grupos principales, correspondientes por sus términos
a las raciones que cada enzima ejerce sobre el sustrato. Estos grupos se
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subdividen en otro, según el tipo de sustrato y los átomos concretos que
son sensibles a sus acciones. Estos seis grupos son los siguientes:
1. Oxidoreductasas
2. Transferasas
3. Hidrolasas
4. Isomerasa
5. Liasas
4.-1.- Oxido-reductasas: Son las enzimas relacionadas con las
oxidaciones y las reducciones biológicas que intervienen de modo
fundamental en los procesos de respiración y fermentación. Las
oxidoreductasas son importantes a nivel de algunas cadenas
metabólicas, como la escisión enzimática de la glucosa, fabricando
también el ATP, verdadero almacén de energía. Extrayendo dos átomos
de hidrógeno, catalizan las oxidaciones de muchas moléculas orgánicas
presentes en el protoplasma; los átomos de hidrógeno tomados del
sustrato son cedidos a algún captor.
4.- 2.- Las Transferasas: Estas enzimas catalizan la transferencia de
una parte de la molécula (dadora) a otra (aceptora). Su clasificación se
basa en la naturaleza química del sustrato atacado y en la del aceptor.
También este grupo de enzimas actúan sobre los sustratos mas
diversos, transfiriendo grupos metilo, aldehído, glucosilo, amina,
sulfató, sulfúrico, etc.
4.- 3.- Las Hidrolasas: Esta clase de enzimas actúan normalmente
sobre las grandes moléculas del protoplasma, como son la de glicógeno,
las grasas y las proteínas. La acción catalítica se expresa en la escisión
de los enlaces entre átomos de carbono y nitrógeno (C-Ni) o carbono
oxigeno (C-O); Simultáneamente se obtiene la hidrólisis (reacción de
un compuesto con el agua) de una molécula de agua. El hidrógeno y el
oxidrilo resultantes de la hidrólisis se unen respectivamente a las dos
moléculas obtenidas por la ruptura de los mencionados enlaces. La
clasificación de estas enzimas se realiza en función del tipo de enlace
químico sobre el que actúan.
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4.- 4.- Las isomerasas: Transforman ciertas sustancias en otras
isómeras, es decir, de idéntica formula empírica pero con distinto
desarrollo. Son las enzimas que catalizan diversos tipos de
isomerización, sea óptica, geométrica, funcional, de posición, etc. Se
dividen en varias subclases.
4.- 5.- Las Liasas: Estas enzimas escinden (raramente construyen)
enlaces entre átomos de carbono, o bien entre carbono y oxigeno,
carbono y nitrógeno, y carbono y azufre. Los grupos separados de las
moléculas que de sustrato son casi el agua, el anhídrido carbónico, y el
amoniaco. Algunas liasa actúan sobre compuestos orgánicos fosforados
muy tóxicos, escindiéndolos; otros separan el carbono de numerosos
sustratos.
4. 6.- Las Ligasas: Es un grupo de enzimas que permite la unión de
dos moléculas, lo cual sucede simultáneamente a la degradación del
ATP, que, en rigor, libera la energía necesaria para llevar a cabo la
unión de las primeras.
5.- CARACTERÍSTICAS DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA.-
5.-1.- Naturaleza química.- Existen numerosas razones para afirmar que
las enzimas son proteínas. Las más importantes son las siguientes:
a. El análisis de las enzimas obtenidas en forma más pura,
cristalizada, demuestra que son proteínas.
b. Las enzimas son inactivadas a altas temperaturas y, en general, la
cinética de la desnaturalización térmica de las enzimas da
resultados muy parecidos a los de la desnaturalización térmica de
las proteínas; por ejemplo el Q10 de la mayoría de las reacciones
químicas es de 2 a 3, y, en el caso de las enzimas, a temperaturas
elevadas, alrededor de 60 a 70 C, la actividad neta aumenta varios
cientos, como sucede con la velocidad de la desnaturalización
térmica de las proteínas.
c. Las enzimas son activadas en una zona muy restringida de pH, y
presenta un punto óptimo de ph donde su actividad es mayor. Las
proteínas en su punto isoeléctrico, muestran propiedades
parecidas desde el punto de vista de viscosidad, solubilidad,
difusión, etc., que resulta del todo similares a las propiedades de
este tipo que muestran las enzimas.
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d. Todos los agentes que desnaturalizan a las proteínas también
destruyen o inactivan a las enzimas, ya sea el calor, los ácidos
fuertes, o los metales pesados que pueden combinarse con ellas.
e. Los problemas de solubilidad y de precipitación son comunes a
las proteínas y las enzimas; en general, son solubles en agua o
soluciones salinas, insolubles en alcohol, precipitan con
determinadas concentraciones de sales neutras, etc.
5.-2.- División y elementos que componen las enzimas.- Las
enzimas pueden dividirse en simples y complejas.
Enzimas simples.- Son aquellas que para ejercer su acción no
necesitan de otros factores sino solo de su parte proteica Ej, ureasa que
cataliza la transformación de la urea en amoniaco y dióxido de carbono.
Enzimas complejas.- Para ejercer su acción necesitan de otros
factores además de su parte proteica que en general denominamos
cofactores enzimáticos.
En función de su naturaleza pueden ser:
Apo0enzima.- Es la parte proteica de la enzima.
Sustrato.- Es la molécula a transformar por la enzima.
Cosustrato.- Es la molécula diferente a la molécula del sustrato que es
capaz de aceptar un grupo proveniente de este. Este tipo de
componentes es típico de las reacciones de transferencia.
Coenzima.-. Son moléculas orgánicas provenientemente
generalmente de las vitaminas donde abundan los derivados de la
vitamina B, como la coenzima A, el NAD. Otras coenzimas provienen
de algunos nucleótidos importantes como el ATP y ADP. Las coenzimas
tienen las características de regenerarse después de haber participado
en la reacción y en general, pueden separase de la enzima por diálisis
ya que están débilmente unidas a la enzima.
Activadores enzimáticos.- Son iones minerales, cuyos mecanismos
de acción no es bien conocido aunque se sabe que algunas enzimas
necesitan de estos elementos para efectuar la transformación del
sustrato, ejm, Mn+2, Mg+2, Cu+2, etc.
Además de esto, las enzimas tienen propiedades características:
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a).- ESPECIFICIDAD.-
Es la propiedad más sobresaliente de las enzimas. La reacción
enzimática ocurre por la combinación de la enzima con el sustrato la
cual es específica y esta determinada por la afinidad que existe entre los
grupos químicos del centro activo con los grupos químicos del sustrato.
Puede ser absoluta y relativa.
Especificidad Absoluta.- Se presenta cuando la enzima es específica
para un tipo de sustrato y no ataca a otros, ni siquiera que tengan
estructuras muy relacionadas, ejm. Ureasa, espartasa.
Especificidad relativa.- Cuando la enzima es capaz de catalizar la
transformación de más de un sustrato, aunque la afinidad con respecto
a cada uno de ellos es diferente, Ejm. Beta-glucosidasa y quimotripsina.
b).- EFICIENCIA CATALÍTICA.-
Se debe a que una sola molécula de enzima es capaz de transformar en
una unidad de tiempo, grandes cantidades de moléculas de sustrato,
ejm, la peroxidasa puede transformar en un minuto, cinco millones de
moléculas de peroxido de hidrógeno en agua y oxígeno.
c).- REVERSIBILIDAD.-
La enzima afecta por igual la reacción en cualquier sentido que esta se
verifique sin que cambie el punto de equilibrio de la reacción. En el
medio celular muchas veces par4ce no verificarse la reacción inversa,
es decir, parece que las enzimas dirigen la reacción enana sola
dirección. Esto se debe a la facilidad con que una reacción se encadena
con otra, de modo que los productos de una reacción son el sustrato
para otra. Por lo tanto, las condiciones físicas para la acción de la
enzima cambian constantemente al sustraer de la acción de la enzima
los productos que se van formando.
6.- REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMATICA.-
La regulación de la actividad enzimática esta determinada por factores
internos y externos.
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Factores externos.- Comprende la concentración de la enzima, la
concentración del sustrato, Ph y temperatura.
Factores internos.- Son las enzimas alostéricas (reguladores).
6.-1.- FACTORES EXTERNOS.-
Concentración del sustrato.- A medida que aumenta la
concentración del sustrato la acción se mantiene constante debido al
efecto de saturación de la enzima por el sustrato. Esto significa que
todos los centros activos de las moléculas de enzimas presentes en la
reacción se encuentran ocupados por el sustrato.
Concentración de la enzima.- al aumentar la concentración de la
enzima la velocidad de la reacción aumenta ya que aumenta el número
de centros activos capaces de transformar mayores cantidades de
sustratos en productos, siempre que se fijen las demás condiciones,
(PH, temperatura, tiempo)
Efecto del PH.- Al comprobar experimentalmente la influencia del
PH en la velocidad de las reacciones enzimáticas, se obtiene curvas que
indican que las enzimas presentan un PH óptimo al cual su actividad es
máxima. A Ph superiores o inferiores, la actividad de la enzima
disminuye.
El PH puede afectar de varias maneras:
• El centro activo puede contener aminoácidos con grupos
ionizados que pueden variar con el PH.
• La ionización de aminoácidos que no están en el centro activo,
puede provocar modificaciones en la conformación de la enzima.
• El sustrato puede verse afectado por las variaciones del PH.
• Algunas enzimas presentan variaciones peculiares. La pepsina del
estomago, presenta un óptimo de Ph = 2 y la fosfatasa alcalina del
intestino un Ph = 12.
Efecto de la temperatura.- Influye en la actividad. El punto óptimo
representa al máximo de actividad. A temperaturas bajas, las enzimas
se hallan “muy rígidas” y cuando se supera un valor considerable
(mayor de 50), la actividad cae bruscamente, por que como proteína, la
enzima se desnaturaliza.
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6.- 2.- FACTORES INTERNOS..-
Enzimas reguladores (alostéricos). Son enzimas que regulan la
velocidad de la vía metabólica completa y su actividad puede estar
regulada por la concentración del producto final o del sustrato inicial
de la secuencia en la que participen. Estas enzimas presentan un centro
alostérico alejado del centro activo de la enzima a los cuales se unen los
factores alostéricos que son moléculas capaces de regular la actividad
enzimática positivamente (aumenta la velocidad de la reacción) o
negativamente (disminuye la velocidad de la reacción).
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TEMA No. 3.
CARBOHIDRATOS O HIDRATOS DE CARBONO
1.- INTRODUCCIÓN
El metabolismo es una actividad altamente integrada y pletórica
de propósitos, en la que participan muchos conjuntos de sistemas
multienzimáticos. Aunque el metabolismo intermediario comprende
centenares de reacciones diferentes, catalizadas enzimáticamente, las
rutas metabólicas centrales muestran un plan de organización sencillo,
y son fáciles de comprender; además son idénticas en la mayor parte de
las formas de vida.
La degradación enzimática de cada uno de los principales elementos
nutritivos de las células a saber, los hidratos de carbono, lo lípidos y las
proteínas, tienen lugar de modo escalonado, a través de cierto número
de reacciones enzimáticas consecutivas. Las enzimas que catalizan
estas etapas y los diversos intermediarios químicos que se forman en la
ruta hasta los productos finales están, en su mayor parte, bien
comprendidos.
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2.- DEFINICIÓN DE CARBOHIDRATOS.-
Los hidratos de carbono son los compuestos orgánicos más abundantes
en la naturaleza; son las moléculas energéticas básicas de la célula; es
el grupo de compuestos también llamados glucidos, es decir, que
contiene hidrógeno y oxígeno en la misma proporción que en el agua y
carbono. La formula de la mayoría de estos compuestos se puede
expresar como sigue:
Cn(H2O)n.
Las plantas verdes y también algunas bacterias, como protozoos y algas
las producen en el proceso conocido como fotosíntesis, proceso durante
el cual absorben dióxido de carbono del aire, y por acción de la energía
solar producen hidratos de carbono y otros productos químicos
necesarios para que los organismos sobrevivan y crezcan. Los animales
sin embargo, obtienen sus hidratos de carbono de los alimentos. Una
vez que las células poseen hidratos de carbono, puede romperlos para
obtener energía química o utilizarlos como base para producir otras
moléculas.
Entre los hidratos de carbono se encuentran el azúcar, el almidón, la
dextrina, la celulosa y el glucógeno, son sustancias que constituyen una
parte importante de la dieta de los humanos y de muchos animales.
3.- ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS
CARBOHIDRATOS.-
Los glúcidos son biomoléculas formadas básicamente por carbono (C),
hidrógeno (H) y oxígeno (O). Los átomos de carbono están unidos a
grupos alcohólicos (-OH). Llamados también radicales hidrófilos y a
radicales hidrógeno (- H).
En todos los glúcidos siempre hay un grupo carbonilo, es decir, un
carbono unido a un oxígeno mediante un doble enlace (C=O). El grupo
carbonilo puede ser un aldehído (- CHO), o un grupo cetónico (-CO-).
As+i pues, los glúcidos pueden definirse como polihidroxialdehídos o
polihidroxicetonas.
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4.- CLASIFICACIÓN DE LOS CARBOHIDRATOS.- Atendiendo a
la cantidad de átomos de carbono que están contenidos en una
molécula, los carbohidratos se las suele clasificar de la siguiente
manera:
4.- 1.- Los Monosacáridos.- Los monosacáridos son glúcidos
sencillos, constituidos solo por una cadena. Se nombran añadiendo la
terminación –asa al número de carbonos que contiene la molécula. Así
por ejemplo:
H H
H C-O C-O
H C=O H-C-OH H- C - OH
C=O H – C – OH H-C-OH H- C - OH
H - C–OH H – C – OH H-C- OH H- C - OH
CH2OH CH2OH C H2OH H – C - OH
CH2OH
Triosa Tetrosa Pentosa Hexosa.
En el gráfico se ilustra una triosa, una terrosa, una pentosa y una
hexosa.
1.- Las triosas son abundantes en el interior de las células, ya que son
metabolitos intermediarios de la degradación de la glucosa.
2.- Las pentosas son glúcidos de 5 átomos de carbono y entre ellos se
encuentran ribosas y desoxirribosa, que forman parte de los ácidos
nucleicos y la ribulosa que desempeña un importante papel en la
fotosíntesis, debido a que a ella se fija el CO2 atmosférico, y de esta
manera se incorpora el carbono al ciclo de la materia viva.
3.- Las hexosas son glúcidos con 6 átomos de carbono. Entre ellas tiene
interés en biología, la glucosa y galactosa entre la aldohexosa y la
fructosa entre las cetohexosas.
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4.- 2.- Los Disacáridos.- Los disacáridos están formados por la
unión de dos monosacáridos, que se realiza de dos formas a saber:
1.- Mediante enlace monocarbonílico, entre el C1 anomérico de un
monosacárido, y un C no anomérico de otro monosacárido, como se ve
en la formula de la lactosa y maltosa. Estos disacáridos conservan el
carácter reductor.
Lactosa Maltosa
2.- Mediante enlace dicarbonílico, si se establece entre los dos carbonos
anoméricos de los dos monosacáridos, con el que el disacárido pierde
su poder reductor, por ejemplo como ocurre en la sacarosa.
Sacarosa
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4.- 3.- Los polisacáridos.- Los polisacáridos están formados por la
unión de muchos monosacáridos (puede variar entre 11 y varios miles),
mediante enlace O-Glucosídico similar al visto en disacáridos con
perdida de una molécula de agua por cada enlace. Tienen pesos
moleculares muy elevados, no poseen poder reductor y pueden
desempeñar funciones de reserva energética o función estructural. Los
polisacáridos que tienen función de reserva energética presentan
enlaces a-glucosídico y son:
1. Almidón que es el polisacárido de reserva propio de los
vegetales, y esta integrado por dos tipos de polímeros:
• La amilasa formada por unidades de maltosa, unidas
mediante enlaces a simples, presenta estructura
helicoidal.
• La amilopectina, formada también por unidades de,
maltosa, unidas mediante enlaces dobles, con
ramificaciones laterales.
2. El glucógeno es el polisacárido propio de los animales. Se
encuentra abundantemente en el hígado y en los músculos,
es una molécula muy similar a la amilopectina, pero con
mayor abundancia de ramificaciones.
Entre los polisacáridos estructurales, se destaca la celulosa que forma
la pared celular de la célula vegetal. Esta pared constituye un estuche
en el que queda encerrada la célula que persiste tras la muerte de ésta.
La celulosa esta constituida por unidades de β -glucosa, y la
peculiaridad del enlace β (beta) hace a la glucosa inatacable por las
enzimas digestivas humanas, por ello, este polisacárido no tiene interés
alimentario para el hombre.
5.-. FUNCIONES DE LOS CARBOHIDRATOS.-
• En los organismos vivos, los hidratos de carbono sirven tanto
para las funciones estructurales esenciales como para almacenar
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energía. En las plantas, la celulosa y la hemicelulosa son los
principales elementos estructurales. En los animales vertebrados,
las capas celulares de los tejidos conectivos contienen hidratos de
carbono. Para almacenar energía, las plantas usan almidón y los
animales, glucógeno; cuando se necesita la energía, las enzimas
descomponen los hidratos de carbono.
• Un hombre adulto requiere alrededor de 500 gr de carbohidratos,
la mayor parte de los cuales son suministrados por el almidón y/o
por el glucógeno y que posteriormente son degradados en el
conducto por la enzima amilasa.
• Las paredes de las células vegetales contienen un porcentaje del
homopolisacárido celulosa, la cual constituye más del 50 % de la
materia orgánica en la biosfera. A diferencia de los polisacáridos
de reserva, la celulosa y otros polisacáridos estructurales son
moléculas extracelulares extraídas por las células.
• El hombre y los mamíferos que pueden metabolizar el almidón, el
glucógeno, la lactosa, y la sacarosa como fuente de energía, no
pueden metabolizar la celulosa por que carecen de enzimas
capaces de catalizar la hidrólisis de los enlaces β-glucosídicos.
Los rumiantes como las vacas y los borregos, por el contrario, en
sus rúmenes tienen microorganismos que producen esas
enzimas, permitiéndoles digerir la celulosa y la celubiosa a
glucosa. Así los rumiantes pueden obtener energía al come
plantas como el pasto que sonrisas en celulosa. En los mamíferos
monogástricos, la celulosa permanece indigerida y solo
constituye “volumen” o “fibra”.
• La quitina es un homopolisacárido que se encuentra en el
exoesqueleto de insectos y crustáceos y también en las paredes
celulares de la mayor parte de los hongos y en muchas algas. La
quitina es un polímero lineal, similar a la celulosa, pero consiste
en residuos de N-acetilglucosamina.
• Además, los hidratos de carbono se utilizan para fabricar tejidos,
películas fotográficas, plásticos y otros productos. La celulosa se
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puede convertir en rayón de viscosa y productos de papel. El
nitrato de celulosa (nitrocelulosa) se utiliza en películas de cine,
cemento, pólvora de algodón, celuloide y tipos similares de
plásticos. El almidón y la pectina, un agente cuajante, se usan en
la preparación de alimentos para el hombre y el ganado. La goma
arábiga se usa en medicamentos emulcentes. El agar, un
componentes de algunos laxantes, se utiliza como agente
espesador en los alimentos y como medio para el cultivo
bacteriano; también en la preparación de materiales adhesivos,
de encolado y emulsiones. La hemicelulosa se emplea para
modificar el papel durante su fabricación. Los dextranos son
polisacáridos utilizados en medicina como expansores de
volumen del plasma sanguíneo para contrarrestar las
conmociones agudas. Otro hidrato de carbono, el sulfato de
heparina, es un anticoagulante de la sangre.
Aunque es importante mantener un equilibrio adecuado entre las
calorías que ingerimos y las que gastamos, las investigaciones
científicas sugieren que:
- Una dieta que contenga el nivel óptimo de carbohidratos pueden
prevenir la acumulación de grasa en el cuerpo;
- El almidón y los azucares aportan una fuente de energía de la
que se puede disponer rápidamente para el rendimiento físico;
- Las fibras alimentícias, que son un tipo de carbohidratos,
ayudan a que los intestinos funcionen correctamente.
5.- 1.- Metabolismo general de los carbohidratos.- El
metabolismo de los carbohidratos es muy importante para todos los
seres vivos, ya que constituyen la fuente energética fundamental.
Las principales vías del catabolismo son:
• Glucólisis.
• Ciclo de la pentosa fosfato.
Las principales vías del anabolismo son:
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• Fotosíntesis.
• Gluconeogénesis.
6.- GLUCÓLISIS:
Es la ruta central mediante la cual se extrae energía de los hidratos de
carbono. Y tiene lugar en el citoplasma celular. La glucólisis puede
contemplarse como un proceso que transcurre en dos fases; en primer
lugar, una fase de inversión de energía, en la que utiliza ATP para
sintetizar un azúcar fosfato de 6 carbonos que se desdobla en dos triosa
fosfatos, y en segundo lugar, una fase de generación de energía, en la
que la energía de los compuestos de súper – alta energía se utiliza para
impulsar la síntesis de ATP a partir de ADP. Se trata de una ruta
formada por 10 pasos, que va de la glucosa al piruvato en las células
con respiración, es decir, que permite transformar una molécula de
glucosa en dos moléculas de un compuesto de tres carbonos, el ácido
pirúvico. En los microorganismos anaerobios o en las células que
representan un deterioro de la respiración, el piruvato sufre reacciones
de reducción, con lo que el conjunto de la ruta puede cursar sin un
cambio neto del estado de oxidación. La glucólisis puede contemplarse
como un proceso que transcurre en dos fases; en primer lugar, una fase
de inversión de energía, en la que utiliza ATP para sintetizar un azúcar
fosfato de 6 carbonos que se desdobla en dos triosa fosfatos, y en
segundo lugar, una fase de generación de energía, en la que la energía
de los compuestos de súper – alta energía se utiliza para impulsar la
síntesis de ATP a partir de ADP. La fosfofructoguinasa y la
piruvatoguinasa son los dos lugares principales de control de la ruta.
Gran parte del control está en relación con las necesidades energéticas
de la célula, de tal manera, que las situaciones de baja carga energética
estimulan la ruta y las situaciones de baja carga energética y las
situaciones de abundancia energética retardan la ruta.
En la segunda fase, que afecta a las dos moléculas, se forman cuatro
moléculas de ATP y dos moléculas de NADH. Es aquí donde se produce
una ganancia neta de dos moléculas de ATP.
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Al final del proceso la molécula de glucosa queda transformada en dos
moléculas de ácido pirúvico, es en estas dos moléculas que se
encuentran en estos momentos la mayor parte de la energía contenida
en la glucosa.
Esquema de la glucólisis.
7.- ANABOLISMO: FOTOSÍNTESIS Y GLUCONEOGÉNESIS.-
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7.- 1.- La fotosíntesis.- La fotosíntesis es uno de los procesos
metabólicos de los que se valen las células para obtener energía. Es un
proceso complejo, mediante el cual los carbohidratos son sintetizados a
partir del CO2 atmosférico y del agua. La fotosíntesis es un proceso que
necesita energía, que es suministrada como energía luminosa.
Completa del ciclo global del carbono – organismos no fotosintéticos
expelen CO2, por la oxidación de carbohidratos, mientras que los
organismos fotosintéticos capturan CO2 y lo reducen a nivel de
carbohidratos (CH2O).
Los organismos capaces de la fotosíntesis se denominan fotótrofos, un
grupo diversificado que incluye ciertas bacterias, cianobacterias (algas
azul, verdes), algunas plantas no vasculares (superiores). Con la
excepción de las bacterias anaeróbicas, todos los fotótrofos desprenden
oxígeno como producto de la fotosíntesis. Se considera que la
atmósfera que rodea la tierra fue transformada de un ambiente
reductor a un ambiente oxidante hace mas de dos mil millones de años,
después de le evolución de las bacterias que producen oxígeno.
La reacción neta de la fotosíntesis se la puede escribir así:
Luz
CO2 + H2O ========= (CH2O) + O2.
Donde (CH2O) representa carbohidratos:
La fotosíntesis encierra dos procesos importantes que se pueden
describir por las dos reacciones parciales, y son:
H2O + APD + P¡ + NADP+ + ===== O2 + ATP + NADPH + H+
CO2 + ATP + NADPH + H+ ====== (CH2O) + ADP + P¡ + NADP+
---------------------------------------------------------------------------------
En suma: CO2 + H2O ====== (CH2O) + O2.
En el primer proceso, llamadas “reacciones luminosas”, los protones
derivados del agua se utilizan en síntesis quimiostáticas de ATP a partir
de ADP. En tanto, un átomo de hidrógeno del agua se utiliza para la
reducción de NADPH+ a NADPH. Las reacciones se caracterizan por la
producción, dependiente de la luz y del oxígeno gaseoso que deriva de
la ruptura de las moléculas del agua. Estas reacciones son posibles
debido a que los organismos fotosintéticos pueden recolectar la energía
luminosa durante varios procesos y la utilizan para conducir reacciones
metabólicas.
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El segundo proceso de la fotosíntesis comprende la utilización del
NADPH y del ATP en una serie de reacciones que llevan a la reducción
del bióxido de carbono gaseoso a carbohidratos. Como estas reacciones
no dependen directamente de la luz; sino de un solo suministro de un
ATP y de un NADPH, se les conoce como “las reacciones oscuras”. Si
bien las terminologías luminosas” y “oscuras” se ha aceptado
ampliamente, ambos procesos son por norma, simultáneamente con
los productos del proceso dependiente de la luz que se utilizan para
conducir las reacciones del proceso “oscuro”.
7.- 1 .- 1.- La fase “luminosa” .- De la fotosíntesis se la puede reducir
de la siguiente manera:
1.- Síntesis de ATP o fosforilación que a la vez pueden ser:
• Acíclica o abierta.
• Cíclica o cerrada.
2.- Síntesis de poder reductor NADPH.
3.- Fotólisis del agua.
La clorofila es en general, el pigmento más abundante y tiene al papel
mas significativo en la captación de la luz para la fotosíntesis. Se
encuentran cuatro tipos diferentes de clorofilas en loso organismos
fotosintéticos.
Los pigmentos presentes en los tilacoides de los cloroplastos se
encuentran organizados en fotosistemas (conjuntos funcionales
formados por mas de 200 moléculas de pigmentos); la luz captada en
ellos por pigmentos que hacen de antenas, es llevada hasta las
moléculas de clorofilas “Diana” que es la molécula que se oxida al
liberar un electrón, que es el que irá pasando por una serie de
transportadores, en cuyo recorrido liberará la energía.
Existen dos tipos de fotosistemas, el fotosistema (FSI), esta asociado de
moléculas de clorofilas que absorben a longitudes de ondas largas (700
nm) se conoce como P700. El sistema (FSII), esta asociado a moléculas
de clorofila que absorben a 680 nm, por eso se los denomina P680.
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Mientras la luz llega a los fotosistemas, se mantiene un flujo de
electrones desde el agua al fotosistema II, de este fotosistema I, hasta llegar al
NADP+ que los recoge; esta pequeña corriente eléctrica es la que mantiene el
ciclo de la vida.
7.- 1.- 2.- La Fase oscura.- En esta fase se va a utilizar la energía
química obtenida en la fase luminosa, en reducir CO2, nitratos y
sulfatos y asimilar los bioelementos C, H y S, con el fin de sintetizar
glúcidos, aminoácidos y otras sustancias. Las plantas obtienen el CO2
del aire a través de los estomas de sus hojas. El proceso de reducción
del carbono es cíclico y se conoce como “ciclo de calvin”; en honor a
su descubridor, M. Calvin. La fijación del CO” se reduce a tres fases y
son:
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Esquema demostrativo donde se puede apreciar que en el ciclo para
fijar el CO2, intervienen una serie de enzimas, y las más conocida es la enzima
rubisco (ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa/oxidasa), que puede actuar como
carboxilasa o como oxidasa, según la concentración de CO2.
8.- IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LA FOTOSÍNTESIS.-
La fotosíntesis es seguramente el proceso bioquímico más importantes
de la biosfera por varios motivos, entre las cuales se destacan:
1. La síntesis de materia orgánica a partir de la inorgánica se
realiza fundamentalmente mediante la fotosíntesis, luego
irá pasando de unos seres vivos a otros mediante las
cadenas tróficas; para ser transformada en materia propia
de los diferentes seres vivos.
2. Produce la transformación de la energía luminosa en
energía química, necesaria y utilizada por los seres vivos.
3. En la fotosíntesis se libera oxígeno, que será utilizada en la
respiración aerobia como oxidante.
4. La fotosíntesis fue el causante de los cambios producidos
en la atmósfera primitiva, que era anaerobia y reductora.
5. De la fotosíntesis, depende también la energía almacenada
en combustibles fósiles, como carbón, petróleo y gas
natural.
6. El equilibrio necesario entre seres autótrofos y heterótrofos
no seria posible sin la fotosíntesis. Se puede concluir
diciendo que la diversidad de la vida existente en la tierra
depende principalmente de la fotosíntesis.
9.- GLUCONEOGÉNESIS.-
(Gluco = glucosa; Neo = nueva; Génesis = síntesis): Su finalidad es
producir carbohidratos a partir de precursores no carbohidratos. En
vertebrados la gluconeogénesis hepática y renal proporciona glucosa,
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absolutamente necesaria (120 g/día), dado que el tejido nervioso, la
medula renal, los testículos, eritrocitos y sus tejidos embrionarios
requieren glucosa como su principal fuente de energía y la toman de la
sangre, debido a que no pueden almacenarla.
Es diferente de la glucólisis porque necesita alternativas a las 3
reacciones con cambios de energía libre grandes de esa vía.
• Formación de G-6-P a partir de glucosa, en células
gluconeogénicas la glucosa 6-fosfatasa revierte este paso.
• Formación de fructosa 1,6-bifosfato a partir de fructosa-6-P
mediante la fosfofructoginasa. En células gluconeogénicas
la enzima fructosa revierte la reacción.
La gluconeogénesis es muy importante en los animales, porque permite
ver la regulación de las vías metabólicas. Es necesaria porque muchos
tejidos de los animales no necesitan glucosa, mientras que otros son
completamente glucosadependientes (cerebro, eritrocitos, médula
renal….). Es importante e imprescindible tener siempre glucosa
disponible.
La gluconeogénesis ocurre solo en algunos órganos muy concretos,
sobre toso en el hígado. La corteza renal también puede llevarla a cabo.
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TEMA No. 4.
L O S L Í P I D O S
1.- INTRODUCCIÓN.
Los lípidos (del griego, lipas, grasa), como las proteínas y los
carbohidratos se encuentran en todos los organismos vivos y
desempeñan un papel importante en el mantenimiento de la vida. Sin
embargo, a diferencia de las proteínas y los carbohidratos los lípidos
son en extremos polimórficos y difícil de definir estructuralmente. Más
bien se definen operacionalmente, como compuestos orgánicos
insolubles en agua, (o ligeramente solubles), que se encuentran en los
sistemas biológicos. Los lípidos son hidrofóbicos (rechaza el agua).
También se pueden extraer de las células o de los tejidos biológicos
utilizando disolventes orgánicos relativamente no polares. Los lípidos
son muy diversos, tanto estructural, como funcionalmente.
2.- DEFINICIÓN DE LÍPIDOS.
Los lípidos son un grupo muy heterogéneo de biomoléculas orgánicas
que se encuentran en organismos vivos. Los lípidos están compuestos
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por carbono (C), hidrógeno (H), y oxígeno (O), aunque en proporciones
distintas a como estos componentes aparecen en los azucares. Además,
también pueden contener fósforo (P, nitrógeno (N), y azufre (S).
Aunque la estructura de los lípidos son con frecuencia complejas,
tienen algunos temas de su arquitectura que son comunes. Os lípidos
más sencillos son los ácidos grasos, ácidos monocarboxílicos de la
formula general R – COOH, donde R representa una cola de
hidrocarburo. Los ácidos grasos también son componentes de tipos
más complejos de tejidos, que incluyen los triacilgliceroles (grasas y
aceites), los glicerofosfolípidos, (llamados también fosfoglicéridos),
y los esfingolípidos y así como también las ceras.
2.-1.- Funciones de los lípidos.-
1. Función de reserva.- En algunos organismos, las grasas
y los aceites (triacilgliceroles) funcionan como depo0sito de
reserva de energía metabólica.
2. Función estructural.- Forman las bicapas lipídicas de las
membranas. Recubren a los órganos y les dan consistencia,
o los protegen mecánicamente, como el tejido adiposo de
pies y manos.
3. Función biocatalizadora.- En este papel, los lípidos
favorecen o facilitan las reacciones químicas que se
producen en los seres vivos. Cumplen estas funciones, las
vitaminas lipídicas, las hormonas esteroideas y las
prostaglandinas.
4. Función de transporte.- El transporte de lípidos desde
el intestino, hasta su lugar de destino, se realiza mediante
su emulsión, gracias a los ácidos biliares y a los
proteolípidos.
3.- COMPOSICIÓN QUÍMICA Y CLASIFICACIÓN.-
3.-1.- Composición química.- Cada molécula de grasa está formada
por cadenas de ácidos grasos unidas a un alcohol llamados glicerol o
glicerina. Cuando un organismo recibe energía asimilable en exceso a
partir del alimento o de la fotosíntesis, este puede almacenarlas en
forma de grasas que podrán ser reutilizadas posteriormente en la
producción de energía, cuando el organismo lo necesite.
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Ácidos grasos.- Los ácidos grasos son moléculas formadas por una
larga cadena hidrocarbonada de tipo lineal, y con un número par de
átomos de carbono. Tiene en un extremo de la cadena un grupo
carboxilo (-COOH). Estos compuestos responden a la siguiente formula
general:
CH3(CH2)nCOOH
Se conocen unos 70 ácidos grasos. Los cuales se pueden clasificar en
dos grupos, a saber:
Los ácidos que no tienen un doble enlace carbono-carbono se clasifican
como saturados, mientras que los que tienen al menos un doble
enlace carbono-carbono se clasifican como insaturados. Los ácidos
grasos insaturados con un doble enlace se llaman monoinsaturados,
y aquellos con dos o más, se llaman poliinsaturados.
• Los ácidos grasos saturados solo tienen enlaces simples
entre los átomos de carbono. Son ejemplos de este tipo
de ácidos el mirístico (14C); el palmítico (16C) y el
esteárico (18C).
• Los ácidos grasos insaturados tienen uno o varios
enlaces dobles en su cadena y sus moléculas presentan
codos, con cambios de dirección en los lugares donde
aparece un doble enlace. Son ejemplos el oleico (18C, un
doble enlace) y el linoléico (18C y dos dobles enlaces).
CH3(CH2)12COOH = ácido mirístico
CH3(CH2)14COOH = ácido palmítico.
CH3(CH2)16COOH = Acido esteárico.
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH = ácido oléico.
CH3(CH2)4CH=CH(CH2)4COOH = Ácido linoléico.
Los ácidos grasos más abundantes son por lo regular el oleato,
palmitato, y el estarato; aunque también destacan los ácidos grasos
insaturados. Los mamíferos son capaces de sintetizar ácidos grasos
saturados e insaturados de nuevo, pero requieren que en su dieta
contengan ciertos ácidos grasos insaturados. En particular, el linoleato
que abunda en los aceites vegetales y el linolenato, el cual es abundante
en los aceites de pescado; son considerados como ácidos grasos
indispensables para los mamíferos, debido a que no pueden
sintetizarlos. Los mamíferos pueden sintetizar otros ácidos grasos
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saturados a partir de un suministro adecuado a partir de linolenato y
linoletato.
4.- PROPIEDADES DE LOS ÁCIDOS GRASOS.-
• Solubilidad.-. Los ácidos grasos poseen una zona
hidrófila, el grupo carboxilo (-COOH) y grupos metilo (-
CH3) terminales. Por eso las moléculas de los ácidos grasos
son anfipáticas, pues por una parte la cadena alifática es
apolar, y por lo tanto soluble en disolventes orgánicos,
(lipófila), y por otra, el grupo carboxilo es polar y soluble en
agua (hidrófilo).
• Desde el punto de vista químico.- Los ácidos grasos
son capaces de formar enlaces éster con los grupos alcohol
de otras moléculas. Cuando estos enlaces se hidrolizan con
un álcali, se rompen y se obtienen las sales de los ácidos
grasos correspondientes, denominados jabones, mediante
un proceso denominado saponificación, de acuerdo al
siguiente esquema:
Ácido graso alcohol
CH3 – (CH2)n – COOH + HO – CH2 – R
R de saponificación
CH3 – (CH2)n – COO – CH2 – R
Enlace ester
R de saponificación
CH3 – (CH2)n – COO - CH2 – R
Jabón Alcohol
4.- 1.- La glicerina.- Es una sustancia incolora, con sabor dulce a
alcohol, de formula C3H8O3 (1, 2, 3, - propanotriol). La glicerina
líquida es resistente a la congelación, pero puede cristalizar a baja
temperatura. Es soluble en agua en cualquier proporción, y se disuelve
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en alcohol, pero es insoluble en éter y muchos otros disolventes
orgánicos.
Las grasas y aceites simples son esteres de ácidos grasos y glicerina.
Una vez obtenida como producto secundario en la fabricación del jabón
después de haber tratado las grasas y aceites con álcali. La glicerina
bruta se purifica por destilación.
El uso más frecuente de la glicerina es la elaboración de resinas
alquídicas. Otras aplicaciones son la fabricación de medicinas y otros
artículos de aseo, como pasta dental, agentes plastificantes para el
celofan y como agente humidificante de productos derivados del
tabaco. Dado que existen otros productos más baratos, solamente el 5
% de la producción industrial de la glicerina se la destina a la
fabricación de explosivos derivados de ella. Por su afinidad con el agua
y su viscosidad, la glicerina se la utiliza para la tinta de los tampones de
sellar. También se usa para lubricar la máquina que bombea los
productos del petróleo. Por su alta viscosidad y ausencia de toxicidad,
la glicerina es un excelente lubricante para las máquinas procesadoras
de alimentos.
5.- CLASIFICACIÓN DE LOS LÍPIDOS.-.
Los lípidos, para su mejor estudio, se los suele clasificar en dos grandes
grupos, atendiendo a que poseen en su composición ácidos grasos
(lípidos saponificables) o no lo posean (lípidos insaponificables). De
esta manera, se tiene:
1. Lípidos saponificables
A. Lípidos Simples.
1.- Acilglicéridos.
2.- Céridos.
B. Complejos.
1.- Fosfolípidos.
2.- Prostaglandinas.
2. Lípidos insaponificables.
A. Terpenos.
B. Esteroides.
C. Prostaglandinas.
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5.- 1.- Lípidos saponificables.-
Lípidos simples.- Son lípidos saponificables, en cuya composición
química, solo intervienen carbono, hidrógeno y oxígeno.
Acilglicéridos.- Son lípidos simples formados por la esterificación de
una, dos o tres moléculas de ácidos grasos con una molécula de
glicerina. También reciben el nombre de glicéridos o grasas simples.
Los acilglicéridos frente a bases dan lugar a reacciones de
saponificación en las que se producen moléculas de jabón.
Las ceras.- Son esteres no polares de alcoholes monohidroxílicos. Un
ejemplo de cera es el palmitato de miricilo (que es un ester del
palmitato) y además es un componente principal de las ceras de las
abejas. La hidrofobicidad del palmitato de miricilo, hace que la cera de
abeja sea en extremo insoluble en agua y que su punto de fusión
(consecuencia de largas cadenas hidrocarbonadas saturadas) sea muy
alto, lo que hace a la cera de abeja una sustancia dura y sólida a la
temperatura ambiente. Las ceras están distribuidas con amplitud en la
naturaleza; forman recubrimientos protectores a prueba de agua, de las
hojas y de los frutos de ciertas plantas y de las pieles, las plumas y de
los exoesqueletos de animales, una de las ceras más conocidas es la que
segregan las abejas para confeccionar su panal.
Lípidos complejos.- Son lípidos saponificables en cuya estructura
molecular además de carbono, hidrógeno y oxígeno, hay también
nitrógeno, fósforo, azufre o un glúcido.
Son las principales moléculas constitutivas de la doble capa lipídica de
la membrana, por lo que también se lípidos de membranas. Son
también moléculas anfipáticas.
Fosfolípidos.- Se caracterizan por presentar un ácido ortofosfórico en
su zona polar. Son las moléculas más abundantes de la membrana
citoplasmática. Algunos ejemplos de fosfolípidos son: fosfoglicéridos y
esfingoglicéridos.
Glucolípidos.- Son lípidos complejos que se caracterizan por poseer
un glúcido. Se encuentran formando parte de las bicapas lipídicas de
las membranas de todas las células, especialmente de las neuronas. Se
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sitúan en la cara externa de la membrana celular, donde realizan una
función de relación celular, siendo receptores de moléculas extremas
que darán lugar a respuestas celulares.
5.-2.- Lípidos insaponificables.-
Los terpenos.- Son moléculas lineales o cíclicas que cumplen
funciones muy variadas; entre los que se pueden destacar.
• Esencias vegetales como el mentol, el geraniol, limonero,
alcanfor, eucaliptol y vainillina.
• Vitaminas, como la vit K, vit A y vit E.
• Pigmentos vegetales, como la carotina y la xantofila.
Los esteroides constituyen una tercera clase de lípidos de
membrana.- Los esteroides constituyen una tercera clase de lípidos
que se encuentran siempre en las membranas biológicas. Los
esteroides – y las vitaminas lipídicas se clasifican en forma más
amplia como compuestos que son sintetizados a partir del isopreno con
una molécula de cinco carbonos. Los esteroides tienen un núcleo con
un ciclo característico, el cual consiste en cuatro anillos fusionados que
se designan con as letras A, B, C, D, como se presenta en la figura a
continuación.
El colesterol es un ejemplo de un esteroide; es un componente común
de las membranas plasmáticas de los mamíferos, pero solo se
encuentran rara vez en las plantas y nunca en los procariotes. A pesar
de su mala fama, el colesterol desempeña funciones indispensables en
la bioquímica de los mamíferos. El colesterol no es solo un componente
de membranas, sino que también es un precursor en la síntesis de las
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hormonas esteroideas y de las sales biliares. Es evidente en su
estructura, que el colesterol es bastante más hidrofóbico.
Entre las hormonas sexuales se encuentra la progesterona que prepara
los órganos sexuales femeninos para la gestación y la testosterona
responsable de los caracteres sexuales masculinos.
Entre las hormonas suprarrenales s encuentran la cortisona, que actúa
en el metabolismo de los glucidos regulando la síntesis de glucógeno.
Las funciones son diversas. Entre ellas destaca la producción de
sustancias que regulan la coagulación de la sangre y cierre de las
heridas; la aparición de la fiebre como defensa de las infecciones, la
reducción de la secreción de jugos gástricos que funcionan como
hormonas locales.
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TEMA No. 5.
LAS PROTEÍNAS
1. COMPOSICIÓN QUÍMICA Y CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS
Las proteínas son los materiales que desempeñan un mayor número de
funciones en las células de todos los seres vivos. Por un lado, forman
parte de la estructura básica de los tejidos (músculos, tendones, piel,
uñas, etc.) y, por otro, desempeñan funciones metabólicas y
reguladoras (asimilación de nutrientes, transporte de oxígeno y de
grasas en la sangre, in activación de materiales tóxicos o peligrosos,
etc.). También son los elementos que definen la identidad de cada ser
vivo, ya que son la base de la estructura del código genético (ADN) y de
los sistemas de reconocimiento de organismos extraños en el sistema
inmunitario.
2.- LAS PROTEÍNAS ESTÁN FORMADAS A PARTIR DE 20
AMINOÁCIDOS DIFERENTES.-
Las proteínas son macromoléculas que consisten en polímeros lineales
o cadenas de aminoácidos. Todos los organismos utilizan los 20
aminoácidos como bloques de construcción para ensamblar las
moléculas de proteínas. Por lo tanto, estos 20 aminoácidos se
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mencionan con frecuencia como los 20 aminoácidos estándar o
comunes. A pesar del número limitado de tipos de aminoácidos, las
variaciones en el cual se conectan y en el número de aminoácidos por
proteína permiten una variedad prácticamente ilimitada de proteínas.
Además, se puede decir que las proteínas son sustancias cristalinas,
casi siempre de sabor dulce. Y se caracterizan por poseer un grupo
carboxilo (-COOH) y un grupo amino (-NH2).
Los aminoácidos son las unidades elementales constitutivas de las
moléculas denominadas Proteínas. Son pues, y en un muy elemental
símil, los "ladrillos" con los cuales el organismo reconstituye
permanentemente sus proteínas específicas consumidas por la sola
acción de vivir. Los alimentos que ingerimos nos proveen proteínas.
Pero tales proteínas no se absorben normalmente en tal constitución sino
que, luego de su desdoblamiento ("hidrólisis" o rotura), causado por el
proceso de digestión, atraviesan la pared intestinal en forma de
aminoácidos y cadenas cortas de péptidos. Esas sustancias se incorporan
inicialmente al torrente sanguíneo y, desde allí, son distribuidas hacia los
tejidos que las necesitan para formar las proteínas, consumidas durante el
ciclo vital.
Se sabe que de los 22 aminoácidos proteicos conocidos, 8 resultan
indispensables (o esenciales) para la vida humana y 2 resultan
"semiindispensables". Son estos 10 aminoácidos los que requieren ser
incorporados al organismo en su cotidiana alimentación y, con más razón,
en los momentos en que el organismo más los necesita: en la disfunción o
enfermedad. Los aminoácidos esenciales más problemáticos son el
triptófano, la lisina y la metionina. Es típica su carencia en poblaciones en
las que los cereales o los tubérculos constituyen la base de la
alimentación. Los déficit de aminoácidos esenciales afectan mucho más a
los niños que a los adultos.
Hay que destacar que, si falta uno solo de ellos (aminoácidos esenciales)
no será posible sintetizar ninguna de las proteínas en la que sea requerido
dicho aminoácido. Esto puede dar lugar a diferentes tipos de
desnutrición, según cual sea el aminoácido limitante.
En esta imagen puede verse la fórmula de los 20 aminoácidos más
importantes, en color negro la parte común, mientras que en color azul
puede verse la parte variable, que les da a los aminoácidos distinto
comportamiento.
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4. LOS PÉPTIDOS Y EL ENLACE PEPTÍDICO.
Los péptidos están formados por la unión de aminoácidos mediante un
enlace peptídico. Es un enlace covalente que se establece entre el grupo
carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, dando lugar al
desprendimiento de una molécula de agua.
Así pues, para formar péptidos los aminoácidos se van enlazando entre sí
formando cadenas de longitud y secuencia variable. Para denominar a
estas cadenas se utilizan prefijos convencionales como:
Oligopéptidos.- si el n º de aminoácidos es menor de 10.
Dipéptidos.- si el n º de aminoácidos es 2.
Tripéptidos.- si el n º de aminoácidos es 3.
Tetrapéptidos.- si el n º de aminoácidos es 4.
Polipéptidos o cadenas polipeptídicas.- si el n º de aminoácidos es
mayor de 10.
Cada péptido o polipéptido se suele escribir, convencionalmente, de
izquierda a derecha, empezando por el extremo N- terminal que posee un
grupo amino libre y finalizando por el extremo C- terminal en el que se
encuentra un grupo carboxilo libre, de tal manera que el eje o esqueleto
del péptido, formado por una unidad de seis átomos (-NH-CH-CO-), es
idéntico a todos ellos. Lo que varía de unos péptidos a otros, y por
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