CURSO DE BIOQUIMICA BASICA - Universidad Veracruzana

1 CURSO DE BIOQUIMICA BASICA . COMPOSICION QUIMICA DE LOS SERES VIVOS. INTRODUCCI N. Los seres vivos est n caracterizados, entre otras cosas, por poseer una organizaci n celular, es decir determinadas mol culas se organizan de una forma particular y precisa e interact an entre s para establecer la estructura celular. As como las c lulas son los ladrillos con los que se construyen los tejidos y los organismos, las mol culas son los bloques con que se construyen las c lulas. Al estudiar qu micamente estas mol culas observamos que las mismas est n constituidas en un 98% por elementos tales como C, H, O, N, P y S; ( el 2 %. restante est representado por elementos como el Fe, Ca , Na, K, Cu, Mg, I, Cl. Etc.). La combinaci n de estos seis elementos puede dar lugar a la formaci n de millones de mol culas distintas, sin embargo como veremos m s adelante, la mayor a de los seres vivos est formado por un n mero relativamente bajo de tipos de compuestos. Aquellos compuestos en cuya composici n interviene el carbono se los denomina compuestos org nicos; dentro de este grupo podemos mencionar a los monosac ridos, polisac ridos, amino cidos, prote nas, l pidos , nucle tidos y cidos nucleicos ( no son los nicos compuestos org nicos que existen, pero s son la mayor a).

2 Estos representan aproximadamente el 30% de la composici n qu mica de los seres vivos. El 70% lo constituye el agua. Tambi n encontramos algunos iones tales como el Na, Fe, Ca, K, etc. en proporciones muy peque as. TOMOS Y MOL CULAS. Toda la materia, incluyendo a los seres vivos, est compuesta por distintos tomos. Un tomo es la part cula m s peque a de materia que puede existir libre conservando las propiedades fisico-qu micas caracter sticas de ese elemento y que es capaz de intervenir en reacciones qu micas. En la estructura del tomo encontramos una regi n central muy densa formada por dos tipos de part culas los protones y los neutrones. Ambos le otorgan masa al n cleo, los protones son part culas con carga positiva y los neutrones no est n cargados. Los neutrones contribuyen a mantener la estabilidad del n cleo y tambi n impiden que las cargas de los protones se repelan y provoquen la desintegraci n del n cleo. En torno a este n cleo encontramos otras part culas cargadas negativamente llamadas electrones.

3 Estos electrones giran alrededor del n cleo en zonas denominadas orbitales; los orbitales son las zonas del espacio cercana al n cleo donde hay mayor probabilidad de encontrar electrones. Los orbitales se organizan en niveles de energ a. A medida que nos alejamos del n cleo los niveles de energ a aumentan, de manera que los electrones cercanos al n cleo poseen menor nivel de energ a que los que se encuentran Dra. Ipsa G. Lim n E. P gina 1. CURSO DE BIOQUIMICA BASICA . alejados. Los electrones de los niveles de energ a m s externos son los que determinan la capacidad de reaccionar qu micamente. En estado elemental o no-combinado el tomo es el ctricamente neutro, ya que posee igual n mero de electrones que de protones. Los tomos de distintos elementos qu micos poseen un n mero caracter stico de protones. El n mero de protones se denomina NUMERO ATOMICO ( Z). La suma de protones y neutrones (no se tiene en cuenta a los electrones ya que su masa es despreciable) se conoce como NUMERO MASICO (A).

4 Fig. 2. 1 - Dos maneras de representar un tomo. (a) Modelo de Bohr de un tomo de carbono. Aunque este modelo no es un modo preciso de ilustrar la configuraci n de electrones, es de uso frecuente por su sencillez y conveniencia. (b) Nube de electrones. Los puntos indican las probabilidades de que un electr n est en un sitio en un momento dado. Existen tomos que tienen el mismo n mero de protones pero distinta cantidad de neutrones; si poseen el mismo n mero de protones y estos son los que les confieren las propiedades qu micas, estamos en presencia de tomos del mismo elemento, es decir de ISOTOPOS. ( poseen el mismo Z, pero tienen distinto n mero m sico). Algunos tomos que raramente reaccionan con otros, se encuentran formando parte del grupo VIII de la tabla peri dica y constituyen los llamados gases nobles o raros. Este grupo se caracteriza por la baja reactividad de los tomos. Al estudiarse la configuraci n electr nica (la distribuci n de los electrones en los distintos niveles de energ a) se observa que dichos elementos poseen en su nivel de energ a m s alto ( el m s alejado o externo).

5 Ocho electrones. Es decir que la estabilidad esta dada por esa configuraci n electr nica (dijimos anteriormente que la capacidad de reaccionar estaba dada por la distribuci n de los electrones de los niveles m s externos). El resto de los tomos no posee esa configuraci n electr nica por lo tanto son inestables de modo que tienden a reaccionar entre s . En general los tomos que reaccionan para formar una mol cula tienden a adquirir una configuraci n similar a la del gas noble, es decir tienden a completar ocho electrones en su nivel m s externo. Esto es conocido como la Dra. Ipsa G. Lim n E. P gina 2. CURSO DE BIOQUIMICA BASICA . regla del octeto, pero como toda regla siempre hay excepciones. UNIONES QU MICAS. Una de las fuerzas impulsoras en la naturaleza es la tendencia de la materia a alcanzar el estado de energ a libre m s bajo posible, este estado de menor energ a implica una mayor estabilidad, en las mol culas los n cleos y los electrones de los tomos interact an, logrando una mayor estabilidad (ya que tratan de adquirir la configuraci n electr nica de un gas noble).

6 Los tomos se mantienen unidos formando mol culas por medio de fuerzas, estas reciben el nombre de ENLACES O UNIONES QUIMICAS. En las reacciones metab licas se generan y se degradan continuamente mol culas, es decir que se forman y se rompen uniones qu micas UNI N I NICA. Algunos tomos tienden a ganar o a perder electrones con gran facilidad (debido a su configuraci n electr nica) formando part culas cargadas que se denominan IONES. Aquellos tomos que ganan con facilidad electrones se dice que son electronegativos, formar n entonces iones con carga negativa que se denominan ANIONES. Si el tomo pierde electrones predominar n las cargas positivas del n cleo y por lo tanto se formar n iones con carga positiva o CATIONES. En las uniones i nicas los tomos se mantienen unidos debido a las fuerzas de atracci n que surgen por tener cargas opuestas (cati n ani n). Los compuestos i nicos se caracterizan por un alto punto de fusi n, alto punto de ebullici n, en general son solubles en agua, por lo tanto en soluci n acuosa conducen la corriente el ctrica Un ejemplo de este tipo de uni n lo constituye el cloruro de sodio, el tomo de cloro es mucho m s electronegativo (atrae con mucha fuerza a los electrones).

7 Que el sodio, de modo que le arranca el electr n del ltimo nivel de energ a a ste ltimo. El cloro se transforma entonces en el ani n cloruro, y el sodio en un cati n, la atracci n el ctrica hace que los iones permanezcan unidos. Fig. Uni n i nica : cloruro de sodio Las uniones i nicas son importantes desde el punto de vista biol gico, ya que forman parte de las interacciones entre cidos nucleicos y prote nas. Sin embargo este tipo de uniones no las encontramos entre los tomos que predominan en la composici n qu mica de los seres vivos ( C, H, O, N , S, y P). Dra. Ipsa G. Lim n E. P gina 3. CURSO DE BIOQUIMICA BASICA . UNI N COVALENTE. Algunos tomos no tienen tendencia a ganar o perder electrones, sino que los comparten con otros tomos. Cuando la diferencia de electronegatividad no existe o es muy baja, los tomos que intervienen comparten electrones. El gas hidr geno est compuesto por mol culas de hidr geno y no por tomos de hidr geno separados. Una mol cula compuesta por dos tomos se llama diat mica.

8 Cuando un tomo de H se une a otro tomo de H ambos tienen la misma capacidad de atraer electrones, por lo tanto el par compartido se ubicar . a igual distancia de ambos n cleos. Los tomos de H comparten sus electrones para adquirir la configuraci n del gas noble, los electrones compartidos pertenecen a ambos tomos simult neamente. Muchos elementos de importancia biol gica son diat micos ( H, O, F, Cl, etc.). Esquem ticamente cada par de electrones compartidos se simboliza con una l nea, dos tomos pueden compartir 1, 2 o 3 pares de electrones. Fig. Ejemplo de uni n covalente En algunos casos existe una diferencia de electronegatividad entre los tomos que hace que l o los pares de electrones compartidos no se encuentren equidistantes de los n cleos, sino que est n m s cerca del tomo con mayor electronegatividad. De esta forma la distribuci n de los electrones es asim trica, cre ndose zonas donde predominan las cargas negativas de los electrones (cerca del elemento m s electronegativo) y zonas donde predominan las cargas positivas de los n cleos (el elemento menos electronegativo, ya que sus electrones est n lejos).

9 Este tipo de uni n covalente recibe el nombre de uni n covalente polar. - Cloruro de hidr geno Dra. Ipsa G. Lim n E. P gina 4. CURSO DE BIOQUIMICA BASICA . Este tipo de uni n es la que encontramos en la mayor parte de las mol culas biol gicas. El carbono (C) se une con los otros elementos (H, O, N, P, S) por medio de uniones covalentes, as como tambi n se une a otros tomos de carbono dando largas cadenas, como veremos m s adelante. UNI N PUENTE HIDR GENO. Es una uni n sumamente l bil, form ndose y destruy ndose continuamente, dependiendo su efecto estabilizador m s a la cantidad de dichas uniones, que a la fuerza de atracci n entre los tomos. Es muy importante en los sistemas biol gicos ya que contribuyen a dar estabilidad a macromol culas tales como las prote nas, los cidos nucleicos, etc. Cuando un tomo de hidr geno se une a un tomo muy electronegativo ( como ser el ox geno o el nitr geno) el par compartido se sit a lejos del n cleo del hidr geno , por lo tanto se crea una peque a separaci n de cargas, quedando el hidr geno ligeramente positivo (d+)y el oxigeno o el nitr geno levemente negativo (d -).

10 (d Indica la separaci n parcial de cargas). La d+ del hidr geno es atra da por la d- del elemento electronegativo de otra mol cula, de manera que el H queda formando un puente entre dos mol culas. Fig. Enlace de hidr geno. El tomo de Nitr geno de una mol cula de amoniaco (NH3) est unido a un tomo de hidr geno de una mol cula de agua (H2O) por un enlace de hidr geno. En este ltimo, un tomo de hidr geno combinado con un tomo electronegativo en un enlace covalente polar es compartido por otro tomo electronegativo por medio de una atracci n el ctrica d bil. FUERZAS DE VAN DER WAALS. Son fuerzas de atracci n inespec ficas que ocurren cuando los tomos se encuentran a distancias peque as y cuando moment neamente se forman diferencias de cargas en torno al tomo debido a los movimientos de los electrones. Esta distribuci n de carga fluctuante da al tomo una polaridad: una parte de l tiene una carga ligeramente negativa respecto a las dem s que quedan ligeramente positivas de manera que una zona negativa moment nea de un tomo interact a con una positiva de otro.