MATERIAL DE ESTUDIO Y RESUMEN: BIOLOGIA 08 COMPOSICIÓN FÍSICO- QUÍMICA DE LA MATERIA VIVA

MATERIAL DE ESTUDIO Y RESUMEN: BIOLOGIA 08

COMPOSICIÓN FÍSICO- QUÍMICA DE LA MATERIA VIVA.

PARTE 1: El átomo de Carbono

 Los seres vivos están compuestos por numerosos tipos distintos de átomos. Alrededor de 30 de los 92 elementos químicos que se encuentran naturalmente en la tierra son esenciales para los seres vivos. Sin embargo la mayoría, aunque imprescindibles, se encuentran en una proporción muy baja, algunos de ellos solo en cantidades trazas. Así, la masa de la mayoría de las células está compuesta en un 99% por solo cuatro elementos: Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N) y Carbono (C). Estos cuatro elementos son los de menor peso molecular con capacidad de formar uno, dos, tres o cuatro enlaces covalentes, lo que aparentemente representó una importante propiedad durante las épocas en las que se comenzaron a forjar las moléculas que serían la base estructural de la vida. El carbono en particular, es el elemento que forma los esqueletos moleculares de todos los compuestos biológicos. ¿Cuáles son las características que hicieron del carbono el componente básico de las moléculas orgánicas?  El C puede formar enlaces covalentes simples con el H y tanto enlaces simples como dobles con el O y el N.  El C puede formar enlaces simples carbono-carbono muy estables. Además, un átomo de carbono puede formar enlaces covalentes simples con hasta otros cuatro átomos de carbono dado que posee en su capa mas externa 4 electrones, lo que le brinda la posibilidad de formar 4 enlaces covalentes. De esta forma, los átomos de carbono pueden formar lagas cadenas lineales, cadenas con diversos tipos de ramificaciones e incluso anillos. Permitiendo una enorme variedad de estructuras químicas. 

-El átomo de carbono puede, además, compartir no solo uno, sino dos o tres pares de electrones con otro átomo de carbono, generando enlaces dobles y triples.

Los grandes grupos de biomoléculas

 Es habitual agrupar las moléculas biológicas en cuatro grandes grupos: Los HIDRATOS DE CARBONO, los LÍPIDOS, las PROTEÍNAS y los ÁCIDOS NUCLEICOS. Cada una de estas grandes agrupaciones de moléculas abarca diferentes familias o subgrupos, sólo algunos de los cuales se mencionarán en este texto. Antes de entrar en la descripción de los diferentes grupos, es importante resaltar un concepto básico referido a la forma en que están estructuradas algunas de las biomoléculas. Algunas de ellas se forman por la unión repetida de decenas, cientos o incluso miles de moléculas más pequeñas (cuya estructura química puede ser idéntica o no, pero en este último caso siempre son muy similares entre sí). A estas moléculas relativamente pequeñas que se unen de manera repetitiva para dar moléculas más grandes se les da el nombre genérico de MONÓMEROS (mono, “uno”; meros, “unidad”) y a las grandes moléculas resultantes se las denomina POLÍMEROS (polys, “muchos”; meros, “unidad”). Así, estos conceptos no hacen referencia a una estructura química determinada sino a la forma en que las moléculas están estructuradas. Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono De los cuatro grupos de biomoléculas, tres se ajustan a la definición de polímeros: los hidratos de carbono, las proteínas y los ácidos nucleicos. El cuarto grupo, los lípidos, como veremos más adelante no se ajusta a esta definición. Aunque algunas familias de lípidos se forman por unión covalente de más de una molécula más pequeña (como en el caso de los triglicéridos, que están compuestos por una molécula pequeña, el glicerol, unida covalentemente a tres ácidos grasos) no son grandes cadenas de monómeros, como sí lo son los otros grupos. Así: los polímeros que llamamos proteínas (como la seda de la araña, el colágeno o la hemoglobina) son el resultado de la unión en una cadena lineal de monómeros llamados aminoácidos. Los polímeros que llamamos polisacáridos (como el almidón, el glucógeno o la celulosa) son el resultado de la unión, en cadenas lineales o ramificadas, de monómeros llamados monosacáridos o azucares simples. Finalmente, los polímeros que llamamos ácidos nucleicos (el ácido ribonucleico y el ácido desoxirribonucleico) son el resultado de la unión en cadena de monómeros llamados nucleótidos. Los miembros de los cuatro grupos de macromoléculas se construyen de manera similar en todos los seres vivos y están presentes en proporciones casi iguales en todos los organismos. A pesar de que un manzano tiene sin duda una forma diferente a la de una persona, su química básica es la misma, lo que demuestra la unidad de la vida. Una proteína que cumpla cierta función en la manzana, probablemente cumpla una parecida en el ser humano. Además, el hecho de que todos los seres vivos compartan estos cuatro grupos de macromoléculas determina que cuando un organismo heterótrofo (que no puede sintetizar sus moléculas orgánicas a partir de compuestos inorgánicos elementales) incorpora o ingiere otros organismos o sus restos para construir sus propias estructuras celulares, puede hacer uso de los monosacáridos, aminoácidos nucleótidos , ácidos grasos, etc. que formaban al individuo ingerido, ya que el mismo estaba formado por las mismas moléculas pequeñas que necesita el organismo que lo ha ingerido. Las macromoléculas que forman a los seres vivos se construyen a partir de moléculas más pequeñas mediante una serie de reacciones denominadas de condensación. Este tipo de reacciones genera enlaces covalentes, liberando una molécula de agua: Reacciones de condensación Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono Las reacciones de condensación que producen las diferentes macromoléculas son distintas en sus detalles, pero en todos los casos las moléculas mas grandes y complejas solo se forman si se le aporta energía al sistema. Lo inverso de una reacción de condensación es una reacción de hidrólisis (hidro = “agua”; lisis = “romper”) Estas reacciones rompen macromoléculas y rinden las moléculas más pequeñas que las formaban. En su conjunto las macromoléculas cumplen diversas y variadas funciones: almacenamiento de energía, sostén estructural, protección, catálisis, transporte, defensa, regulación, movimiento y herencia. Estas funciones no son necesariamente excluyentes. Por ejemplo, polisacáridos pueden cumplir una función estructural, pero también son esenciales como reserva de energía para las células. De la misma manera algunas proteínas también cumplen funciones estructurales, mientras que muchas otras se encargan de la catálisis de las reacciones del metabolismo. Sin embargo, sólo los ácidos nucleicos están especializados en el almacenamiento de la información genética, si bien algunos ARN cumplen funciones catalíticas. 2.1. Los 2.1. Los hidratos de carbono atos de carbono atos de carbono Los hidratos de carbono son, con seguridad, las biomoléculas más abundantes en el planeta. Para tener una idea de su magnitud, se calcula que sólo en un año, los organismos fotosintéticos transforman cien mil millones (100.000.000.000) de toneladas de CO2 y H2O en celulosa y otros hidratos de carbono. Desde el punto de vista de su estructura química, los hidratos de carbono representan quizás la familia de biomoléculas mas homogénea, pudiéndose resumir la estructura básica de los mismos con la sencilla fórmula mínima Cn(H2O)n donde n toma valores de entre 3 y 7. De dicha fórmula mínima proviene su nombre: hidratos de carbono. Como se mencionó arriba, y se verá en detalle mas adelante, la degradación de los hidratos de carbono representa la principal fuente de obtención de energía de la mayoría de los organismos P Para transformar moléculas sencillas en moléculas más complejas siempre es necesario incorporar energía Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono heterótrofos. Otros hidratos de carbono constituyen parte esencial de las paredes celulares que protegen las células de las plantas, las algas, los hongos y las bacterias, mientras que otros participan en los procesos de reconocimiento y/o adhesión entre células de los organismos pluricelulares. Hay muchas maneras de nombrar o clasificar a los hidratos de carbono, lo cual muchas veces complica su comprensión. Comenzaremos por dividirlos según el número de monómeros que constituye la molécula. Según este criterio consideraremos 3 categorías de hidratos de carbono: Monosacáridos. También llamados azúcares simples. Refieren a una sola molécula consistente en un polialcohol derivado de aldehídos o cetonas. Representan los monómeros de los hidratos de carbono. Son ejemplos de este grupo, la glucosa, la ribosa y la fructosa. Oligosacáridos (oligo = “varios”; sacárido “azúcar”). Moléculas formadas por la unión de 2 a 20 unidades de monosacáridos. Es importante resaltar acá que dentro de esta categoría se encuentran los Disacáridos (unión de solo 2 monosacáridos), el grupo más abundante y qué, al igual que los monosacáridos, reciben nombres comunes terminados con el sufijo “osa”. Son ejemplos relevantes de disacáridos la sacarosa (o azúcar común) y la lactosa. Los oligosacáridos formados por la unión de 3 o mas monosacáridos ya no reciben este tipo de nombre y en general no existen en las células como moléculas libres sino que se encuentran unidas a otras moléculas (principalmente a proteínas o a lípidos) formando glicoconjugados. Polisacáridos. Son los polímeros de los hidratos de carbono. Se los define como formados por 20 o mas unidades de monosacáridos, aunque los mas relevantes están formados por cientos o miles de monosacáridos unidos. Son ejemplos de este grupo, la celulosa, el almidón y el glucógeno. 2.1.1. Los monosacáridos Los monosacáridos monosacáridos Comenzaremos por describir la estructura química básica de los monosacáridos. Como se señaló más arriba, todos los monosacáridos pueden caracterizarse por la formula mínima Cn(H2O)n con 3 ≤ n ≤ 7. Todos son polialcoholes (es decir poseen varios grupos hidroxilo) derivados de aldehídos o de cetonas. Se indicó anteriormente que el grupo químico que caracteriza a aldehídos y cetonas es el grupo carbonilo, de manera que habrá dos “familias” de monosacáridos: la derivada de aldehídos (cuyos miembros son llamados genéricamente aldosas) y la derivada de cetonas (cuyos miembros son llamados genéricamente cetosas). A modo de ejemplo, en la figura 4 se muestran las estructuras Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono químicas de los miembros más sencillos de cada una de estas dos familias: el Gliceraldehido y la Dihidroxicetona, ambos presentan cadenas de sólo 3 átomos de carbono. El grupo carbonilo se muestra recuadrado en color. Como puede observarse, en la familia de las aldosas, el grupo carbonilo se encuentra en un carbono primario (del extremo), mientras que en la familia de las cetosas, el grupo carbonilo se encuentra en un carbono secundario. Dado que otra de las formas de llamar a los monosacáridos es por el número de átomos de carbono que forman su cadena, las dos moléculas mostradas en la figura 4 representan dos triosas (monosacáridos compuestos por 3 átomos de carbono). De acuerdo con esta manera de llamar a los monosacáridos, aquellos que posean cuatro átomos de carbono serán tetrosas, los de cinco serán pentosas, los de seis hexosas y los de siete, heptosas. Muchas veces se combinan las dos formas antes mencionadas de nombrar los monosacáridos. De esta manera, el gliceraldehido será una aldotriosa, mientras que la dihidroxiacetona será una cetotriosa. Figura 4. Estructura química de las dos triosas: el gliceraldehido (aldotriosa) y la dihidroxiacetona (cetotriosa) Como se habrá notado en la figura 4, el gliceraldehido lleva adelante una letra D. Esto tiene relación con una característica muy importante de los hidratos de carbono (y de otras moléculas orgánicas): la presencia de isómeros ópticos. Todos los monosacáridos (excepto la dihidroxiacetona) poseen lo que se llama un carbono “asimétrico”, o sea un átomo de carbono que se encuentra unido a cuatro grupos químicos diferentes. Si volvemos a la estructura del gliceraldehido, veremos que tiene un carbono asimétrico (el carbono número 2 de la cadena), unido a 4 grupos que se señalan en color en la Figura 5. Debido a la disposición que esos 4 grupos pueden adoptar en el espacio, el gliceraldehido puede presentarse en 2 formas isoméricas diferentes, las cuales son una la imagen especular (reflejada en el espejo) de la otra y reciben la denominación de D y L. Estos 2 isómeros podrían compararse, de alguna manera, a los miembros de un par de guantes: son iguales pero no pueden superponerse, uno equivale a la imagen en el espejo del otro. Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono Si bien podría suponerse que esta diferencia de disposición en el espacio entre estas dos moléculas es un detalle, desde el punto de vista biológico es importantísima, ya que de la misma manera que el guante izquierdo no sirve en la mano derecha, una molécula D, no podrá ser reconocida por otra que ha sido “diseñada” para reconocer a su isómero L. Dado que numerosos procesos biológicos se basan en la interacción y el reconocimiento entre moléculas, la existencia de diferentes isómeros de una misma especie química es de vital importancia. Figura 5. Representación de la molécula de Dgliceraldehido resaltando los cuatro grupos químicos diferentes unidos al carbono 2 (carbono asimétrico) En el caso del gliceraldehido, los 2 isómeros que difieren en la disposición espacial de los grupos químicos unidos a su único carbono asimétrico, se denominan L-gliceraldehido y D-gliceraldehido y se muestran en la Figura 6: Figura 6. Los isómeros D y L del gliceraldehido son uno la imagen especular del otro. Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono Todas las aldosas y todas las cetosas (menos la dihidroxiacetona que no tiene ningún carbono asimétrico) presentan isómeros D y L, difiriendo siempre, en la posición del grupo hidroxilo del carbono asimétrico mas alejado del carbono primario (el que porta el grupo carbonilo). Solo como un ejemplo más, la Figura 7 muestra los isómeros D y L de una pentosa (Ribosa). Figura 7. Representación de los isómeros D y L de la ribosa, una aldopentosa. Si bien hasta ahora hemos representado a las moléculas de los monosacáridos como cadenas lineales de carbono, tanto las pentosas como las hexosas y las heptosas, cuando están en solución acuosa tienden a formar estructuras cíclicas, siendo la estructura lineal casi inexistente en esas condiciones. Si usamos como ejemplo a la glucosa (una aldohexosa), como se muestra en la Figura 8, la forma lineal en solución acuosa es inestable, su grupo carbonilo tiende a reaccionar con el grupo OH del C5 (ver “forma intermedia”). Esta reacción forma un “hemiacetal”, que en este caso es una estructura cíclica hexagonal, como se muestra en la parte derecha de la figura 8. Aunque no se muestra en este texto y no se desarrollará en el curso, las hexosas también pueden formar hemiacetales pentagonales, por reacción del grupo carbonilo con el OH del C4. De todas maneras, para el caso de la glucosa, la forma pentagonal también está muy poco representada en solución acuosa, siendo la forma hexagonal mostrada en la figura 8, la forma predominante. Ejemplos de monosacáridos: Dentro de los monosacáridos, podemos mencionar, por su relevancia biológica: Hexosas: La glucosa (una aldohexosa), la fructosa (una cetohexosa) y la galactosa (otra aldohexosa). Pentosas: La ribosa (una aldopentosa), su derivado la desoxirribosa Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono Tetrosas: La eritrosa (una aldotetrosa) Triosas: El gliceraldehido (una aldotriosa) Figura 8. Formación del hemiacetal cíclico a partir de la molécula lineal de la glucosa Función biológica de los monosacáridos: En cuanto a la función biológica de los monosacáridos, la más importante es ser la principal fuente directa de energía química de la mayoría de los seres vivos. La glucosa es el monosacárido más universalmente utilizado para esta función y, como se verá más adelante en este curso, la descripción de las principales vías metabólicas de obtención de energía comienza siempre a partir de la degradación de la glucosa (glucólisis). Sin embargo, prácticamente todos los demás monosacáridos, pueden ser también utilizados como fuente de energía y, por ende pueden integrarse, de manera mas directa o mas indirecta al proceso de degradación denominado glucólisis. Es importante resaltar que si bien no serán estudiadas en este curso, existen innumerables derivados de los monosacáridos básicos, los cuales se forman por adición de diferentes grupos químicos o por oxidación de alguno de los átomos de carbono de la molécula. Muchos de estos derivados tienen importantes funciones biológicas, como la glucosamina, el acido galacturónico, la glucosa-fosfato o el ácido glucónico. 2.1.2.Los oligosacáridos Los oligosacáridos oligosacáridos Los monosacáridos se unen entre si mediante enlaces covalentes denominados enlaces glicosídicos, en donde el OH del hemiacetal reacciona con el grupo OH de otro monosacárido, como muestra la Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono figura 9 para el caso de la formación del disacárido lactosa por unión de las aldohexosas galactosa y glucosa. Figura 9. El enlace glicosídico entre el C1 de la galactosa y el C4 de la glucosa origina el disacárido lactosa, uno de los componentes principales de la leche de los mamíferos. Como se señaló anteriormente, el grupo más abundante de oligosacáridos los constituye el de los más pequeños: los disacáridos. Los disacáridos es la forma habitual en la que se transportan las moléculas de hidratos de carbono que se utilizarán como fuente de energía y también, en algunos casos, es la forma en que se almacenan dichas moléculas como reserva energética. Son ejemplos relevantes de disacáridos. Sacarosa (formada por la unión glicosídica entre el C2 de una fructosa y el C1 de una glucosa). Es la forma en que se transportan los hidratos de carbono sintetizados en los tejidos fotosintéticos de las plantas. Además, algunas plantas acumulan sacarosa en cantidades importantes como reserva de energía (caña de azúcar, remolacha azucarera). Lactosa (formada por la unión glicosídica entre el C1 de una galactosa y el C4 de una glucosa). Este disacárido se encuentra naturalmente en la leche de los mamíferos, en donde cumple una función esencial como fuente de energía. Maltosa (formada por la unión glicosídica entre el C1 de una glucosa y el C4 de otra glucosa). Es el producto de la degradación del almidón por una familia de enzimas denominadas amilasas y se encuentra en las semillas cuando las mismas degradan el almidón para utilizarlo como fuente de energía. El hombre hace uso de la maltosa generada en ciertas semillas (como la cebada) para la producción de bebidas como la cerveza. Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono Los oligosacáridos compuestos por más de 2 unidades glicosídicas, no suelen encontrarse libres, sino asociados a otras macromoléculas, formando glicoconjugados. La enorme variedad de combinaciones que los diferentes monosacáridos pueden generar al unirse para dar oligosacáridos, hace que dichos hidratos de carbono tengan como función principal participar de diversos procesos de reconocimiento celular. Quizás el ejemplo mas conocido sea el del sistema de grupos sanguíneos ABO. Los glóbulos rojos humanos pueden presentar 3 tipos diferentes de oligosacáridos relacionados entre sí, llamados A, B y O, los cuales difieren levemente en su estructura (Figura 10) y se encuentran unidos a esfingolípidos. Se cree que su función se relaciona con el reconocimiento y la identificación celular. Por ésta misma razón, un individuo puede, a través de su sistema inmune, detectar si un determinado oligosacárido es propio o es “extraño”. Si una persona que genéticamente ha heredado la información para fabricar solo moléculas de tipo A, recibe en su torrente sanguíneo glóbulos rojos que portan en su superficie el oligosacárido B, dicho oligosacárido actuará como antígeno, es decir, desencadenará en el organismo receptor un complejo mecanismo de defensa que finalizará con la producción de proteínas especificas (anticuerpos) que reconocerán, y finalmente destruirán, los glóbulos rojos que portan la molécula extraña. El oligosacárido O no posee poder antigénico y por eso es “aceptado” por cualquier individuo (por eso los individuos del grupo O son los denominados dadores universales de glóbulos rojos). Sin embargo, por la misma razón, un individuo del grupo O sólo puede tolerar glóbulos rojos de otro individuo O, ya que tanto los anfígenos A como B le son extraños. Extendiendo este ejemplo aún mas, cada tipo celular, de los cientos diferentes que posee un organismo complejo como el ser humano, tiene su propio conjunto de oligosacáridos de superficie, lo que lo hace único y lo diferencia de cualquier otro tipo celular del mismo individuo y, por supuesto, de las células similares del resto de los individuos de su especie. Es por eso que es tan complejo lograr el éxito en los transplantes de órganos, ya que es difícil lograr una mínima “compatibilidad” entre los oligosacáridos (antígenos) del dador y del receptor. En síntesis, los oligosacáridos se presentan en la cara externa de las células, asociados a lípido o proteínas de membranas y cumplen funciones de identificación y de interacción entre células. Función biológica de los oligosacáridos: Como se mencionó anteriormente, los más sencillos de los oligosacáridos, los disacáridos, cumplen funciones de transporte de energía y, en algunos, casos de reserva de energía. Los oligosacáridos por su parte cumplen vitales funciones de reconocimiento entre células. En animales superiores, este reconocimiento permite al organismo diferenciar lo propio de lo ajeno. Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono Figura 10. Representación esquemática de los oligosacáridos presentes en la membrana de los glóbulos rojos humanos y que determinan el sistema de grupos sanguíneos ABO. El grupo R representa el lípido de membrana unido a una molécula de glucosa, estructura común a todas las variantes. Los símbolos y números indican el tipo de enlace glicosídico. : Galactosa : N-AcetilGlucosamina : Fucosa : N-AcetilGalactosamina 2.1.3. Los Polisacáridos Los Polisacáridos Polisacáridos Típicamente los polisacáridos están compuestos de cientos o incluso miles de moléculas de monosacáridos unidos. Desde el punto de vista de los monosacáridos que lo componen, los polisacáridos suelen dividirse en dos grandes grupos: los homopolisacáridos, que son aquellos formados por la unión repetida de un solo tipo de monosacárido y los heteropolisacáridos, que son los conformados por la unión de mas de un tipo de monosacárido. A su vez, tanto los homo como los heteropolisacáridos pueden presentarse tanto en forma de cadenas lineales como en forma de cadenas ramificadas. Un detalle significativo es que a diferencia de lo que ocurre con otro tipo de polímeros, como las proteínas o los ácidos nucleicos, los polisacáridos no tienen un peso molecular definido o un tamaño exacto. Diferentes moléculas de un mismo polisacárido presentarán tamaños diferentes. Esto se debe, fundamentalmente a que los polisacáridos no se sintetizan utilizando un molde, como si ocurre en el caso de las proteínas (que se originan a partir de un molde de ARNm) o los ácidos nucleidos (que se sintetizan utilizando como molde un acido nucleico previo). El tamaño del Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono polisacárido parece estar dictado por las propiedades intrínsecas de las enzimas que los sintetizan y los factores que lo determinan o limitan dicho tamaño son actualmente desconocidos. Algunos homopolisacáridos cumplen funciones de almacenamiento de energía mientras que otros cumplen funciones estructurales. Se mencionaran a continuación algunos de los principales homopolisacáridos. El almidón y el glucógeno: reserva de energía en los vegetales y en los animales Los vegetales tienen una abundante cantidad de polisacáridos: entre ellos, uno de los más importantes es el homopolisacárido de glucosa denominado almidón. Cuando resulta necesario, las enzimas de las células vegetales pueden romper (hidrolizar) las uniones covalentes y transformar rápidamente este polisacárido en unidades simples de glucosa. En realidad, lo que llamamos almidón es una mezcla de dos tipos diferentes de moléculas: la amilosa y la amilopectina. La amilosa es un largo polímero lineal de unidades de glucosa unidas por enlaces glicosídicos α1-4. El término 1-4 hace referencia a que el grupo OH del carbono 1 de una glucosa es el que interviene en la unión glicosídica con el OH del carbono 4 de la siguiente molécula de glucosa. La letra griega α (alfa) refiere a cual de los 2 posibles isómeros que pueden existir en relación a la configuración alrededor del carbono 1 de la glucosa (que en las formas cíclicas es asimétrico) es el que intervino en la reacción. La amilosa puede tener tamaños de hasta más de un millón de moléculas de glucosa! El otro componente del almidón es la amilopectina. Este polisacárido también presenta pesos moleculares de hasta cien millones, pero a diferencia de la amilosa, tiene muchas ramificaciones, que se repiten cada 25 -30 residuos de glucosa. Esas ramificaciones, se forman cuando una glucosa (que esta formando parte de una cadena) se une a otra a través de su carbono 6. Como la glucosa que inicia la cadena se une por su carbono 1, el enlace se denomina α1-6. Sorprendentemente, la principal forma de almacenar energía a mediano plazo en las células animales, el glucógeno, es una molécula prácticamente idéntica (en tipo de monómeros componentes y en tipo de enlaces involucrados) a la amilopectina. La única diferencia entre ambos tipos de macromoléculas es el grado de ramificación. El glucógeno esta más ramificado, presentando una ramificación cada aproximadamente 10 residuos de glucosa. La figura 11 representa el aspecto de un fragmento de estas moléculas mostrando las uniones intervinientes. El almidón es almacenado dentro de las células vegetales en forma de gránulos de tamaño bastante grandes (10 micrones aproximadamente), muchas veces contenidos dentro de los cloroplastos (Figura 12-a). El glucógeno por su parte se almacena en innumerables gránulos de tamaño pequeño (0,1 micrones) y es muy abundante en las células hepáticas (Figura 12-b), encontrándose también en cantidades significativas en las células del músculo esquelético. Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono Figura 11. Estructura química del glucógeno y del almidón (amilopectina). Ambos son enormes polímeros ramificados de unidades de glucosa. Las cadenas se forman mediante enlaces de tipo α 1- 4 mientras que las ramificaciones se generan por formación de enlaces α 1-6. Figura 12. Fotografías tomadas con el microscopio electrónico de transmisión que muestran los gránulos de almidón en el cloroplasto de una célula vegetal (a) y los gránulos de glucógeno en una célula hepática (b). Las ramificaciones se forman por uniones glicosídicas α1-6 Las cadenas están formadas por glucosas unidas mediante enlaces glicosídicos α1-4 a b Gránulos de almidón Gránulos de glucógeno Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono La celulosa: material de protección de las células vegetales y de las algas. La celulosa es un homopolisacárido formado por largas cadenas lineales de glucosa, llegando a tener hasta 15000 residuos de este monosacárido. Es insoluble en agua y representa el principal componente estructural de las paredes celulares de las plantas y las algas. A diferencia de lo que ocurre con el almidón o el glucógeno, que son moléculas fácilmente hidrolizables (degradables) mediante enzimas que rompen los enlaces α 1-4, en la celulosa las glucosas se unen mediante enlaces ß 1-4 lo que las convierte en moléculas muy difíciles de degradar, existiendo relativamente pocos organismos con la capacidad de producir enzimas que hidrolicen estos enlaces. Esto muestra de manera muy grafica la enorme importancia que a nivel biológico pueden tener los isómeros de una molécula. El isómero ß sólo difiere del isómero α en la disposición en el espacio del grupo OH unido al C1 de la glucosa. Esta aparente muy pequeña diferencia entre ambas moléculas determina que, mientras unas sean excelente candidatos a ser usados como reserva de energía fácil y rápidamente utilizable, la otra (celulosa) sea la mejor opción para construir paredes celulares, estructuras permanentes y muy resistentes a la degradación enzimática. Esta resistencia a la degradación enzimática es lo que hace que prácticamente ningún integrante del reino Animalia sea capaz de degradar por si mismo la celulosa con el fin de utilizarla como fuente de energía. Las termitas, por ejemplo, utilizan la madera como fuente de energía, pero sólo por que tienen en su sistema digestivo protistas simbiontes que pueden producir celulasas. Algo parecido ocurre con las vacas, camellos y el resto de los rumiantes, que también poseen una variada flora ruminal de protistas y bacterias productores de celulasas. Los hongos que frecuentemente vemos creciendo sobre los troncos de los árboles, también producen enzimas que degradan la celulosa. También esta es la razón por la cual comernos un kilogramo de lechuga es una buena forma de hacer dieta, mientras que comernos ese mismo peso de almidón nos aporta una enorme cantidad de energía, gran parte de la cual seguramente almacenaremos como grasa de reserva. El hecho de que el almidón o el glucógeno puedan ser convertidos en grasas de reserva pone en evidencia una característica notable del metabolismo, la mayoría de los componentes que forman un determinado tipo de macromolécula, pueden ser convertidos en los componentes básicos de cualquiera de las otras macromoléculas. Esta parte del metabolismo celular, en donde convergen las vías de degradación y las vías de síntesis de macromoléculas se denomina “nudo metabólico” y será tratado en mayor detalle cuando se desarrolle el tema respiración celular. La quitina: pared celular de los hongos y exoesqueleto de los artrópodos. Como se mencionó en el último párrafo del apartado 2.1.1., existen una enorme serie de derivados de los monosacáridos, como por ejemplo la glucosamina, en la cual uno de los grupos OH (el del C2) es reemplazado por un grupo amino. Otro derivado es la molécula formada cuando la Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono glucosamina se une, por su grupo amino a un grupo acetilo para dar la N-acetilglucosamina. Estos derivados se muestran en la Figura 13. Figura 13. Estructura de los derivados de la glucosa β-DGlucosamina (izquierda) y N-Acetil β-D-Glucosamina (derecha). Cuando centenares de moléculas de N-acetilglucosamina se unen mediante enlaces β 1-4, forman un homopolímero lineal, sin ramificaciones y, al igual que ocurre con la celulosa, muy resistente a la degradación. Este homopolímero se denomina quitina y constituye el componente principal de los exoesqueletos de los artrópodos (insectos, crustáceos, arácnidos) así como de la pared celular de los miembros del reino Fungi (Figura 14). Los heteropolisacáridos también cumplen importantes funciones en diversos seres vivos. Se mencionan a continuación sólo 2 ejemplos de heteropolisacáridos de los muchos que se conocen en la actualidad. El péptidoglicano y la resistente pared bacteriana. Una de las características sobresalientes de las células bacterianas es su enorme resistencia a los cambios ambientales y las fuerzas que podrían fácilmente romper, por ejemplo, una célula animal. Esta resistencia es conferida por una pared celular que está constituida fundamentalmente por un heteropolisacárido denominado peptidoglicano. Una cadena de peptidoglicano está formada por la alternancia de 2 derivados de monosacáridos: la N-Acetilglucosamina (la misma molécula que compone a la quitina) y el Ácido N-Acetil murámico, unidos por enlaces β 1-4. La pared celular de las bacterias está formada por una enorme red de cadenas de peptidoglicano, las cuales, como su nombre lo sugiere, se conectan entre si por medio de cortas cadenas peptídicas (Figura 15). La presencia de estos puentes peptídicos es lo que hace posible la utilización de la penicilina y otros compuestos relacionados como antibióticos, ya que estas moléculas interfieren en la síntesis del peptidoglicano, impidiendo la formación de los puentes peptídicos. De esta manera, la pared no Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono puede formarse y las bacterias mueren por no poder hacer frente a los cambios osmóticos del medio ambiente. Las lágrimas humanas contienen una importante concentración de lisozima, una enzima con actividad bactericida que actúa rompiendo los enlaces β 1-4 entre la N-Acetilglucosamina y el Ácido N-Acetil murámico. Figura 14. Aunque parecería que no tienen nada en común mas allá de ser seres vivos con células de estructura eucarionte, este escarabajo y este hongo de sombrero comparten una molécula estructural que le permite a ambos protegerse y disponer de una estructura corporal resistente: la quitina, un homopolímero de N-acetilglucosamina. Los glicosaminoglicanos y la matriz extracelular de los animales. El espacio extracelular de los tejidos animales (los cuales son, por definición, pluricelulares), esta ocupado por una compleja matriz gelatinosa: la matriz extracelular. Esta matriz contribuye a mantener la integridad del tejido y representa, además, el medio a través del cual se produce la difusión de las moléculas que deben moverse desde y hacia las células. Uno de los componentes principales de la matriz extracelular son los glicosaminoglicanos, una familia de heteropolisacáridos lineales formados por la unión repetida de unidades de disacáridos. La estructura química de esos disacáridos le da la identidad y propiedades particulares a cada uno de los glicosaminoglicanos. Sin entrar en mucho detalle, podemos decir que uno de los componentes del disacárido es siempre o bien N-Acetilglucosamina o N-Acetilgalactosamina mientras que el otro es casi siempre el ácido Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono urónico de una aldohexosa (en los ácidos urónicos, el grupo -CH2OH en posición 6 de la hexosa es reemplazado por un grupo carboxilo). Estos heteropolisacáridos muchas veces tienen grupos sulfato esterificados, por lo que poseen una gran cantidad de cargas negativas. Esto hace que en solución acuosa, para minimizar la repulsión mutua entre esos grupos cargados, los glicosaminoglicanos adopten una conformación muy extendida y se asocien a muchas moléculas de agua, constituyéndose en verdaderas “esponjas” macromoleculares, estructura ideal para conformar la estructura de tendones y cartílagos, así como para facilitar las propiedades del humor vítreo del ojo o el liquido sinovial de las articulaciones. Finalmente, los glicosaminoglicanos de la matriz extracelular se asocian a diversos tipos de proteínas formando los llamados proteoglicanos. . Figura 15. La pared bacteriana (15.a) está compuesta principalmente por un heteropolisacárido denominado peptidoglicano. El mismo puede presentarse formando numerosas capas, como se observa en la figura 15.b. Cada capa está formada por la interacción de muchas fibras de peptidoglicano interconectadas por cortas cadenas polipeptídicas (15.c) a b c Biología 08-Cátedra Nasazzi-Composición Fisicoquímica de la materia viva. Parte 1: Generalidades del átomo de C y parte 2: Hidratos de carbono En síntesis, los hidratos de carbono representan la forma más universal de energía química, tanto como fuente directa (monosacáridos), como forma de transporte (disacáridos) o como forma de almacenamiento a mediano plazo (polisacáridos). Pero además, diversos hidratos de carbono cumplen variadas y cruciales funciones biológicas, ya sea como moléculas de reconocimiento célula-célula (oligosacáridos) o contribuyendo a la estructura de células y tejidos (como la celulosa, el péptidoglicano o los glicosaminoglicanos entre muchos otros). Lecturas recomendadas: 1-A nivel del curso: Biología. Curtis – Barnes (Editorial Panamericana) Vida: La ciencia de la Biología. Purves-Sadava-Orians-Heller (Editorial Panamericana) 2-Lecturas más profundas: Principios de Bioquímica. Lehninger-Nelson-Cox (Editorial Omega) 3-Sitios web: www.biologia.edu.ar http://es.wikipedia.org/wiki/Gl%C3%BAcido

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