Sesión 3: Fundamentos químicos de la organización general de las células

Los seres vivos diferimos en composición respecto del mundo que nos rodea. Mientras que la corteza terrestre presenta más de 100 elementos (átomos) diferentes, los seres vivos estamos conformados en un 99% por sólo 6 elementos, carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Esos elementos tienen la particularidad de poder establecer uniones químicas muy estables denominadas enlaces covalentes y formar así estructuras denominadas moléculas.

Biomoléculas inorgánicas
1.1 El agua
Aunque se trata de una pequeña molécula que presenta propiedades únicas que la hacen insustituible para el mantenimiento de la vida en nuestro planeta, muchas de sus propiedades y características se deben a su estructura: dos átomos de hidrógeno unidos por una unión covalente (unión fuerte) a un átomo de oxígeno.
Las moléculas de agua forman uniones puente de hidrógeno entre sí. La polaridad de las moléculas de agua permite que interactúen entre sí, ya que las zonas con densidades negativas (ɗ -) de una molécula son atraídas por las zonas con densidades positivas (ɗ +) de otra molécula.
La unión de tipo puente de hidrógeno es débil con respecto a las uniones covalentes; sin embargo, cada molécula de agua puede formar hasta cuatro puentes de hidrógeno con otras moléculas similares por lo cual se genera una estructura estable.

Las propiedades del agua que permiten la vida incluyen:
• La cohesión entre moléculas
•Su capacidad de moderar la temperatura
• Su expansión al congelarse
• Su versatilidad como solvente.

Además, su bipolaridad le confiere su gran capacidad como solvente, ya que muchas sustancias pueden solubilizarse en ella interactuando con sus densidades de carga positiva o negativa.
Efecto termorregulador: La capacidad del agua de ser solvente universal agrupa al resto de las moléculas en tres tipos, según su capacidad de ser disueltas en agua.
Las sustancias serán hidrofílicas si pueden interactuar con el agua, hidrofóbicas si no se mezclan con agua o moléculas anfipáticas si dentro de la misma molécula posee regiones que pueden interactuar con el agua y otras regiones que la rechazan. Así, todas aquellas moléculas polares con carga eléctrica o aquellas que presenten un gran número de uniones covalentes polares, son hidrofílicas e interactúan con el agua. Por el contrario, aquellas moléculas en las que predominan las uniones covalentes no polares son hidrofóbicas y no interactúan con el agua no pudiendo solubilizarse; por lo tanto, se separan de ella.

1.2 Sales o nutrientes minerales
Los seres vivos estamos conformados por biomoléculas inorgánicas como agua y sales y biomoléculas orgánicas como lípidos, glúcidos, proteínas y ácidos nucleicos. Algunos son esenciales para la vida y a otros, se los denomina beneficiosos. Dentro de los nutrientes minerales esenciales, si se analiza la cantidad que se encuentra en los seres vivos, podríamos clasificarlos en macronutrientes (se encuentra en grandes cantidades) y micronutrientes (se encuentra en muy pequeñas cantidades o trazas).
Los nutrientes minerales son de gran importancia para los seres vivos.
Por su parte, otros minerales proporcionan un medio iónico adecuado donde puedan ocurrir las reacciones metabólicas, o intervienen como coenzimas, ayudando a las enzimas (proteínas que llevan a cabo reacciones).

Biomoléculas orgánicas
Las biomoléculas orgánicas son los compuestos carbonados de los que está formada la materia de los seres vivos. El carbono es el átomo que compone la estructura básica de todas las moléculas orgánicas de los seres vivos.
Las biomoléculas, además pueden ser moléculas relativamente sencillas, formadas por unos pocos átomos de carbono, o pueden ser macromoléculas, moléculas grandes formadas por cientos de átomos de carbono. También pueden ser moléculas pequeñas que se repiten en estructura constituyendo unidades denominadas monómeros o polímeros si se trata de la unión covalente de una gran cantidad de monómeros.
Las moléculas de ADN (ácido desoxirribonucleico) son moléculas enormes, formadas por la unión covalente de unidades llamadas nucleótidos.


1 lípidos
Se caracterizan por su insolubilidad en agua. Dentro de la célula cumplen distintos roles: algunos permiten almacenar energía o bien actuar como combustible celular (triglicéridos y ácidos grasos), mientras que otros cumplen una importante función estructural ya que son los principales componentes de las membranas biológicas (fosfolípidos, glucolípidos y colesterol). Por otro lado, otro grupo interviene como mensajero celular, de manera de establecer la comunicación entre las células.
Tipos de lípidos
● Ácidos grasos: Presentan un grupo carboxilo y una cadena carbonada. El grupo carboxilo es un grupo funcional polar porque presenta uniones covalentes polares y la cadena carbonatada es de naturaleza no polar ya que le predominan las uniones covalentes no polares. Las moléculas de ácidos grasos son débilmente anfipáticas, significa que al estar en contacto con el agua forman micelas. Funcionan como combustibles celulares alternativos ya que se degradan para tener energía, pero a su vez pueden usarse para sintetizar otros lípidos más complejos.





● Triglicéridos: Formados por la unión de ácidos grasos y glicerol. También se los denomina grasas neutras. Estos compuestos son totalmente insolubles en agua. Si sus ácidos grasos son en su mayoría saturados, a temperatura ambiente estos triglicéridos son sólidos y reciben el nombre de grasa. Este tipo de triglicéridos son más comunes en células animales. En cambio, si el triglicérido presenta en su estructura ácidos grasos insaturados, a temperatura ambiente estará en estado líquido por lo que recibe el nombre de aceite. Este tipo de triglicéridos son más comunes en células vegetales. Dentro de las funciones de los triglicéridos, la principal es funcionar como reserva de energía a largo plazo.





● Fosfolípidos y glucolípidos: En cuya estructura encontramos fósforo. El elemento fósforo en las células se encuentra formando un ion negativo (anión) que se denomina fosfato. Este anión está formado por la unión de fósforo y átomos de oxígeno e hidrógeno. Este grupo fosfato se puede unir a distintos lípidos formando fosfoglicéridos y fosfoesfingolípidos. En ambos casos el grupo fosfato suele unirse a otro grupo y le otorga a la molécula de lípido polaridad, haciendo que estos lípidos sean anfipáticos. Los glucolípidos son lípidos que están unidos a una o más moléculas de monosacáridos (glúcidos). Los monosacáridos son moléculas polares por lo que también transforman a estos lípidos en anfipáticos. Se encuentran formando las bicapas lipídicas de las membranas biológicas. Las cabezas polares de estos lípidos interactúan con el agua y las colas no polares interactúan entre sí ocultándose del agua, estableciendo de esta forma monocapas o bicapas.
● Esteroides:corresponden a un conjunto de moléculas con estructura química cíclica conformadas fundamentalmente por carbono e hidrógeno.
● Colesterol: Es un esteroide presente en las células animales. Es un lípido ligeramente anfipático, por lo que lo encontramos formando parte de las membranas celulares de dichas células. Tiene función estructural. Además, el colesterol en nuestro organismo actúa como precursor de otros esteroides importantes como las hormonas esteroides, ácidos biliares y vitamina D.
● Lipoproteínas: Son asociaciones de un gran número de moléculas de lípidos y de proteínas. Para que sea posible transportar los lípidos a todas las células de nuestro organismo a través de la sangre, el hígado asocia los distintos lípidos con proteínas específicas formando estas lipoproteínas. Comúnmente nos referimos al colesterol como “bueno” o “malo” según a qué tipo de lipoproteína se encuentre asociado. Su función es el transporte de lípidos hidrofóbicos o anfipáticos cómo puede ser colesterol y triglicéridos a través de la sangre.


2. Glúcidos o carbohidratos
Los glúcidos, carbohidratos o hidratos de carbono son uno de los cuatro grupos de biomoléculas orgánicas que se encuentran en los seres vivos. Todos utilizamos los glúcidos como fuente de energía, pero -además- los glúcidos llevan a cabo otras funciones, como por ejemplo:intervienen en la estructura celular, participan en el reconocimiento de moléculas y la comunicación intercelular, además de formar parte de moléculas mucho más complejas de vital importancia. Los glúcidos son un grupo de biomoléculas que están formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno, en una proporción de aproximada de 1 átomo de carbono por cada 2 de hidrógeno y 1 de oxígeno, es decir Cn(H2O)n; de ahí que se los denomina también carbohidratos. los glúcidos son moléculas altamente hidrofílicas, y pueden interactuar con el agua, Según su extensión, se los clasifica en:
• Monosacáridos
• Oligosacáridos
• Polisacáridos

Monosacáridos: Están formados por cadenas de 3 a 8 carbonos. Poseen en su estructura un grupo funcional aldehído o cetona y varios grupos funcionales hidroxilos. Aquellos monosacáridos que presentan un grupo aldehído reciben el nombre de aldosas. Los que presentan un grupo cetona, se denominan cetosas. La función más importante de los monosacáridos es la de actuar como combustible celular. Otra de sus funciones es la de formar glúcidos más complejos. Para lograr esto, los monosacáridos, especialmente los que poseen 6 átomos de carbono, se unen entre sí en forma covalente por medio de las llamadas «uniones glucosídicas».
Oligosacáridos: Cuando los oligosacáridos están formados por dos unidades de monosacáridos, reciben el nombre de disacáridos. Dentro de este grupo podemos mencionar a la sacarosa, que es un disacárido de especial importancia; se encuentra exclusivamente en el mundo vegetal y es uno de los productos directos de la fotosíntesis que estos realizan, constituyendo la principal forma de transporte de azúcares desde las hojas hacia otras partes de la planta.
Otro grupo de oligosacáridos importantes lo constituyen los oligosacáridos de membrana. Estos oligosacáridos están formados por varias unidades de monosacáridos y se encuentran unidos a lípidos o proteínas de las membranas biológicas y cumplen importantes funciones en los procesos de reconocimiento de la superficie celular.

Polisacáridos: son polímeros, es decir, están formados por cientos de unidades de monosacáridos unidos por uniones glucosídicas. Pueden estar formadas por un mismo tipo de monosacáridos, en cuyo caso reciben el nombre de homopolisacáridos o bien por dos monosacáridos distintos que se unen alternadamente, los heteropolisacáridos.

3.Proteínas: Dentro del grupo de las biomoléculas, las proteínas son las que mayor número de funciones biológicas realizan, determinando tanto la forma de la célula como su función específica. Intervienen en las respuestas inmunológicas, permiten la comunicación entre células y también actúan como reguladores del metabolismo. Desde el punto de vista químico, las proteínas son biomoléculas formadas por largas cadenas lineales de aminoácidos unidas en forma covalente por medio de uniones peptídicas.
Aminoácidos. Son las unidades que forman las distintas proteínas. Como su nombre lo indica, un aminoácido es una molécula orgánica que posee un grupo funcional amino y un grupo funcional carboxilo ambos grupos están unidos a un mismo carbono que llamamos carbono alfa , el resto de las valencias de este carbono se completan con un átomo de hidrógeno y un resto o cadena carbonada variable . En la naturaleza existen 20 aminoácidos distintos, los cuales se diferencian entre sí, sólo en la estructura del R.
Aquellos aminoácidos cuyos R sean no polares o apolares, serán hidrofóbicos, aquellos que presenten R polares, serán hidrofílicos.
Unión peptídica. Es una unión covalente entre los aminoácidos, lo que permite la formación de las cadenas polipeptídicas. Para que se forme está unión, debe reaccionar el grupo ácido de un aminoácido con el grupo amino de otro, como resultado de esta reacción se libera una molécula de agua y se forma un dipéptido. El dipéptido formado posee dos extremos distintos, el extremo Aminoterminal (el primer aminoácido de la cadena=y) el extremo Carboxiloterminal (el último aminoácido de la cadena). El agregado sucesivo de aminoácidos en el extremo carboxiloterminal resultará entonces en la formación de una cadena de aminoácidos. De acuerdo con la longitud de esa cadena de aminoácidos podremos obtener:
• Péptidos: cadenas de unos pocos aminoácidos
• Polipéptidos: cadenas formadas por muchos aminoácidos
Una proteína es una molécula que puede estar formada por una o varias cadenas polipeptídicas.


Todas las proteínas están formadas por los mismos 20 aminoácidos, entonces ¿qué es lo que diferencia a una proteína de otra?
La respuesta está en su secuencia de aminoácidos, es decir, el orden en que los aminoácidos se van disponiendo uno a continuación del otro en cada tipo de proteína. Esta secuencia única y característica que presenta cada proteína determina que adopte una estructura tridimensional, ya que la cadena de aminoácidos se va plegando sobre sí misma debido a interacciones que se dan entre los aminoácidos. De esta forma cada proteína presenta una estructura tridimensional que llamamos conformación nativa que será la responsable de la función biológica de esa proteína.
Estructura primaria. Llamamos así a la secuencia de aminoácidos, la cual está determinada en el ADN. Esta secuencia es la que define el resto de los niveles estructurales. Está mantenida por las uniones peptídicas. Se observa que las proteínas X e Y difieren en la cantidad, tipo y orden de los aminoácidos que las conforman.











Estructura secundaria. Es la que resulta del plegamiento de los aminoácidos a medida que se va formando la cadena. Este plegamiento puede ser regular, en forma de alfa hélice o beta plegada o bien un plegamiento irregular o aleatorio. Este plegamiento está determinado por la secuencia y el tipo de aminoácidos presentes en la estructura primaria. Esta estructura se estabiliza por medio de puentes de hidrógeno entre distintos aminoácidos.
Estructura terciaria. Es la disposición espacial que adopta la proteína, luego de adquirir la estructura secundaria. Se estabiliza debido a interacciones puente hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y uniones del tipo puente disulfuro entre los R de los aminoácidos.
Estructura cuaternaria. Esta estructura se alcanza cuando la proteína está formada por dos o más cadenas polipeptídicas que interactúan entre sí por medio de uniones no covalentes.A las proteínas que presentan esta estructura se las denomina proteínas oligoméricas.
Para que una proteína realice su función biológica es necesario que conserve su estructura o conformación nativa, es decir la forma final que adopta esa proteína.

Desnaturalización e hidrólisis de una proteína
La desnaturalización es la pérdida de la conformación nativa debido a la ruptura de las estructuras secundaria, terciaria y si es que la posee, también la cuaternaria. Este proceso puede ocurrir por acción del calor, la presencia de ácidos o bases como así también por la de sustancias oxidantes.
Hidrólisis. El proceso de hidrólisis implica la ruptura de las uniones peptídicas, es decir, si una proteína sufre el proceso de hidrólisis, se rompe liberando los aminoácidos. Este proceso ocurre por ejemplo durante la digestión.
Función básica de las proteínas.
Prácticamente no hay ningún proceso biológico o estructura celular en donde no esté presente algún tipo de proteína. Las proteínas entonces pueden actuar como:
• Transportadores de sustancias: muchas proteínas están involucradas en el transporte de sustancias. Un grupo importante lo componen las proteínas transportadoras de membrana que permiten el pasaje de sustancias a través de la membrana plasmática.
• Reguladoras: existe una gran variedad de hormonas que tienen estructura proteica, un ejemplo lo constituye la insulina.
• Receptores: las proteínas receptoras reconocen sustancias llamadas “mensajeros” o “señales” responsables de los cambios en el funcionamiento de la célula. Algunas de estas proteínas se encuentran en la membrana plasmática y otras en el citoplasma de la célula.
• Catalizadoras: una mención especial corresponde a un grupo de proteínas llamadas Enzimas. Las enzimas son proteínas que aceleran las reacciones del metabolismo, sin ellas la vida no sería posible.
• Estructurales: algunas proteínas intervienen en la estructura de la célula, podemos mencionar por ejemplo a las proteínas presentes en el citoesqueleto. Otro ejemplo lo constituye el colágeno que se encuentra fuera de las células.

4.Ácidos nucleicos: Son moléculas complejas que almacenan, expresan y transmiten la información genética formadas por miles de unidades denominadas nucleótidos. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico(ARN).
● Nucleótidos. Son las biomoléculas complejas que forman los ácidos nucleicos. Un nucleótido resulta de la unión de una base nitrogenada, una pentosa y un ácido fosfórico.
➔ Una base nitrogenada: son moléculas cíclicas que contienen átomos de nitrógeno además del carbono formando parte de su estructura. Existen bases nitrogenadas que poseen un solo anillo, a estas bases las denominan pirimidinas y otras presentan dos anillos, denominadas purinas.
➔ Una pentosa (monosacárido de 5 carbonos) que puede ser la molécula de ribosa o de desoxirribosa.
➔ Un ácido fosfórico: un ácido inorgánico, este ácido debido al pH de la célula en general se encuentra sin los H, por lo que recibe el nombre de fosfato.
Estas tres moléculas se unen entre sí por medio de uniones covalentes formando un nucleótido. Si el nucleótido está formado por ribosa, tendremos ribonucleótidos que son los componentes del ARN. Si el nucleótido posee desoxirribosa, tendremos desoxirribonucleótidos que son los componentes del ADN.
Los nucleótidos pueden presentar uno, dos o tres grupos fosfato (ácido fosfórico) y se denominan teniendo en cuenta la base nitrogenada que los forma.

• Transportadores de energía: los nucleótidos trifosfatados transportan energía a través de los enlaces de alta energía que se forman entre los grupos fosfatos. Actúan como intermediarios energéticos del metabolismo.(ATP)
• Coenzimas: algunos nucleótidos actúan como coenzimas, es decir se unen a enzimas para que estas puedan cumplir con su función. (NADH)
• Componentes de los ácidos nucleicos (monómeros) ya que se unen entre sí por medio de uniones fosfodiéster. Estas son uniones covalentes que se forman entre dos nucleótidos. Para ello reacciona el OH de la pentosa de un nucleótido, con el grupo fosfato de la pentosa de otro nucleótido. De esta manera la unión fosfodiéster es una unión 3´-5´. El agregado sucesivo de nucleótidos por medio de uniones fosfodiéster permite formar las cadenas polinucleotídicas. Estas cadenas presentan dos extremos distintos, ya que en un extremo el grupo fosfato de la posición 5´ no forma parte de ninguna unión y en el otro extremo el OH de 3´ también estará libre (sin formar parte de ninguna unión). Por este motivo decimos que las cadenas polinucleotídicas presentan una orientación determinada, un extremo recibe el nombre de extremo 5´ y el otro extremo será el extremo 3´.

ARN o ácido ribonucleico. Son polímeros que están formados por una sola cadena de ribonucleótidos de Adenina, guanina, citosina y uracilo. Se conocen varios tipos de ARN: ARNm (mensajero), ARNt (transferencia), ARNr (ribosomal) y ARNpn (pequeños nucleares) y ARNpc (pequeños citoplasmáticos). Todos los ARN están involucrados directa o indirectamente en la síntesis de proteínas.

Los ARN participan de la síntesis de las proteínas, cada uno cumple un rol específico en dicho proceso. Todos los ARN se sintetizan a partir de secuencias específicas del ADN por medio de un proceso llamado transcripción.
• ARNm:Son las moléculas que transportan la información para sintetizar proteínas. Esta información está contenida en su secuencia de nucleótidos.
• ARNt:Son los encargados de llevar los aminoácidos que se encuentran en el citoplasma de la célula al ribosoma.
• ARNr: Forman parte de la estructura de los ribosomas que son los organoides donde se realiza la síntesis de proteínas. Estos ARNr se asocian a proteínas para formar las subunidades ribosómicas.
• ARNpc:Participan en el desplazamiento de las proteínas recién sintetizadas.
• ARNpn: Intervienen en procesos de maduración de los otros ARNs.


ADN o ácido desoxirribonucleico. Son polímeros lineales de desoxirribonucleótidos de adenina, guanina citosina y timina. No poseen nucleótidos de uracilo. A diferencia de los ARN, las moléculas de ADN están formadas por dos cadenas (bicatenario). Dichas cadenas no son iguales, sino que son complementarias entre sí. La adenina se complementa con la timina y la guanina con la citosina. A su vez las cadenas están orientadas de distinta forma, mientras una cadena está orientada en sentido 5´a 3´ la otra cadena está orientada de 3´a 5 ´, es decir, las cadenas son antiparalelas. Los nucleótidos de cada cadena interactúan entre sí por medio de puentes hidrógeno.

Las moléculas de ADN son las responsables de almacenar la información genética de un ser vivo. Dicha información está contenida en la secuencia de nucleótidos que cada molécula de ADN posee. Por medio de esta información el ADN puede controlar todos los procesos metabólicos de la célula. Además de almacenar la información, por medio del proceso de transcripción esa información se puede expresar, es decir, a partir de esa información la célula puede sintetizar todas y cada una de las proteínas necesarias El ADN es la clave para la continuidad de la vida, ya que a través del ADN se transmite la información que pasa de la línea parental a los descendientes.