Componentes Moleculares de la Célula: Bioelementos, Agua, Sales Minerales y Biomoléculas Orgánicas

Componentes moleculares de la célula

Bioelementos

Los bioelementos son los elementos químicos que componen la materia viva. Se clasifican en:

• Bioelementos primarios: C, H, O, N, P, S. Imprescindibles, constituyen el 99% de la materia viva.
• Bioelementos secundarios: Cl, Ca, Na, K, Mg. Imprescindibles para la mayoría de los seres vivos.
• Oligoelementos: Fe, Mn, Cu, Zn, I, F, Co. Variables según el organismo.

Propiedades de algunos oligoelementos

• F (Flúor): Refuerza dientes y huesos.
• I (Yodo): Se almacena en la glándula tiroides y se utiliza para la síntesis de las hormonas tiroideas, que regulan el metabolismo basal en adultos y el crecimiento en niños.
• Fe (Hierro): Interviene en el transporte de O₂.

Características del agua

1. La molécula de agua está formada por dos átomos de H y uno de O unidos por enlaces covalentes simples.
2. El papel primordial del H₂O en el metabolismo de los seres vivos se debe a sus propiedades físicas y químicas, derivadas de su estructura molecular.
3. A temperatura ambiente es líquida. La molécula de agua es un dipolo.
4. Entre los dipolos de agua se establecen fuerzas de atracción llamadas puentes de hidrógeno.

Propiedades del agua

• Líquida a temperatura ambiente.
• Alto poder de vaporización.
• Elevada tensión superficial.
• Elevado calor específico.
• Muy buen disolvente.
• Tiene cohesión entre sus moléculas y adhesión con otras.
• Tiene mayor densidad en estado líquido que en sólido.

Disociación del agua

Las moléculas de agua están unidas por puentes de hidrógeno, pero una de cada 10⁷ se disocia en sus iones: H₂O ⇌ H⁺ + OH^-.

• Sustancia ácida: pH < 7. Al disolverse en agua libera protones (H⁺).
• Sustancia básica: pH > 7. Al disolverse en agua disminuye la concentración de H⁺.

pH: El grado de acidez o basicidad de una disolución se mide como la concentración de protones que hay en la disolución, pH = -log [H⁺].

Ósmosis

La ósmosis es el proceso físico por el cual se produce el paso de moléculas de agua a través de una membrana semipermeable (permite el paso del disolvente, pero no del soluto) desde la disolución más diluida hasta la más concentrada, hasta que se igualen sus concentraciones.

• Disolución isotónica: Misma concentración en la célula que en la disolución.
• Disolución hipertónica: Mayor concentración en el agua que en la célula.
• Disolución hipotónica: Menor concentración en el agua que en la célula.

Moléculas hidrófilas e hidrófobas

• Moléculas hidrófilas: Son aquellas moléculas polares que se disuelven en agua debido a que establecen puentes de hidrógeno con las moléculas de agua y se alojan en el seno de su estructura reticular.
• Moléculas hidrófobas: Son aquellas moléculas apolares que no pueden establecer puentes de hidrógeno con la molécula, por lo que rompen la estructura reticular del agua.

Molécula polar: Son aquellas moléculas que se disuelven en agua debido a que forman puentes de hidrógeno con las moléculas de agua (hidrófilas).

Moléculas apolares: Son aquellas moléculas que no se disuelven en agua debido a que no pueden establecer puentes de hidrógeno con las moléculas de agua (hidrófobas).

Carácter reductor: Capacidad de un átomo o ion de ceder uno o más electrones a otro átomo o ion, el cual quedará reducido.

Sales minerales

Disueltas

Solubles en agua (forman enlaces iónicos que se deshacen en contacto con los dipolos del agua).

Funciones:

• Soluciones tampón.
• Mantenimiento de la concentración iónica de los organismos.
• Generan potenciales eléctricos que sirven de señales sobre el medio externo.
• Intervienen en procesos biológicos muy importantes, (Ca²⁺) contracción muscular, coagulación.
• Regulan la presión osmótica.

Sólidas

Formando:

• Esqueletos externos:
  • Carbonato cálcico (CaCO₃): Concha de caracol, corales.
  • Sílice (SiO₂): Algas microscópicas, ciertas esponjas y algunas estructuras vegetales.
• Esqueletos internos: Fosfato tricálcico Ca₃(PO₄)₂, huesos en vertebrados.

Soluciones tampón

Una solución tampón es una mezcla de un ácido y una sal capaz de equilibrar el pH intracelular o extracelular dentro de unos márgenes determinados.

• Medio intracelular: Tampón fosfato (H₂PO₄)^- ⇌ (HPO₄)^2- + H⁺. Si el interior de la célula sufre un descenso de pH es porque la concentración de protones aumenta. Esto se amortigua pasando de hidrogenofosfato a dihidrogenofosfato (de derecha a izquierda).
• Medio extracelular: Tampón bicarbonato: H₂CO₃ ⇌ HCO₃^- + H⁺. Lo mismo que sucede en el interior de la célula pasa en el exterior con el bicarbonato.

Biomoléculas orgánicas

• Glúcidos: C_nH_2nO_n. C₂H₆O₂ (azúcares, polisacáridos).
• Lípidos: Ácidos grasos, colesterol.
• Proteínas: Polímeros de aminoácidos.
• Ácidos nucleicos: Polímeros de nucleótidos.

Glúcidos

• Son las biomoléculas más abundantes, también se llaman hidratos de carbono o carbohidratos.
• Están constituidos básicamente por C, H, O.
• Funciones principales: energética o estructural.
• Forman parte del ciclo energético de la biosfera: Se forman por la fotosíntesis y se degradan por respiración celular.
• Forman parte de otras biomoléculas: ácidos nucleicos.
• Aproximadamente un 15% del peso seco celular.

Monosacáridos

Nomenclatura: Los carbonos se enumeran asignando el número 1 al extremo que lleva el grupo aldehído o al que esté más próximo al grupo cetona (aldopentosa, cetopentosa).

Isómeros: Moléculas que tienen igual número de átomos y del mismo tipo, pero distinta forma de unirse dichos átomos.

• Isómeros de función: Solo varía el grupo funcional: aldosa y cetosas con el mismo número de carbonos.
• Estereoisómeros: Presentan un carbono asimétrico (quiral): 4 radicales diferentes. Tienen la misma fórmula estructural, distinta disposición de los átomos y distintas propiedades físico-químicas.
  • Enantiómeros: Son imágenes especulares, se diferencian en la posición del grupo OH del carbono asimétrico de referencia (el más alejado del grupo funcional). Si el grupo OH está a la derecha lleva el prefijo D y si está a la izquierda L.
  • Epímeros: No son imágenes especulares y se diferencian en la posición del OH de otro C asimétrico que no sea el de referencia. Tienen distinto nombre. Ejemplos: D-glucosa, D-galactosa.
• Isómeros conformacionales: CIS (bote), TRANS (silla).

Estructura cíclica de los monosacáridos: Los monosacáridos en disolución acuosa sufren una reacción del grupo carbonilo con algún grupo hidroxilo. Tipo furano: 5. Tipo pirano: 6.

• Enlace hemicetal: Es el que se forma al reaccionar el grupo aldehído con el grupo alcohol del último carbono.
• Enlace hemiacetal: Se forma al reaccionar el grupo cetona con el grupo alcohol del penúltimo carbono.

Funciones de algunos monosacáridos:

• D-glucosa: Presente en todos los seres vivos, importante fuente de energía.
• D-galactosa: Es el monosacárido más abundante después de la glucosa, forma parte de la lactosa (disacárido) y de otros polisacáridos.
• D-ribosa: Componente del ácido ribonucleico.
• D-fructosa: Forma parte del disacárido sacarosa, azúcar presente en la fruta, intermediario en el metabolismo.
• D-manosa: Forma parte de las glucoproteínas animales.
• 2-D-desoxirribosa: Forma parte del ácido desoxirribonucleico.

Disacáridos

Formados por dos monosacáridos unidos por enlaces O-glucosídicos.

Enlace O-glucosídico:

• Monocarbonílico: Entre el OH del carbono anomérico de un monosacárido y un OH de un carbono no anomérico del otro monosacárido, presenta un carácter reductor.
• Dicarbonílico: Entre los grupos OH de los carbonos anoméricos de los dos monosacáridos que se unen, no tienen carácter reductor.

Disacáridos más comunes:

• Sacarosa: α-Glucosa y β-Fructosa. Función energética.
• Lactosa: β-Galactosa y β-Glucosa. Función energética.
• Maltosa: α-Glucosa y α-Glucosa. Función energética.
• Celobiosa: β-Glucosa y β-Glucosa. Función estructural.

Polisacáridos

Cadenas de miles de monosacáridos.

• Pueden ser lineales o ramificados.
• Como son grandes, el peso molecular es elevado.
• No son dulces.
• Son insolubles en agua o con grandes dificultades.
• No tienen poder reductor.
• Los monosacáridos que forman las cadenas de polisacáridos pueden ser homopolisacáridos o heteropolisacáridos.

Homopolisacáridos

• Glucógeno: Reserva energética en animales.
• Almidón: Reserva energética en vegetales.
• Celulosa: Estructural, pared vegetal en animales.
• Quitina: Estructural, exoesqueletos de artrópodos, pared celular de hongos.

Heteropolisacáridos

• Hemicelulosa: Pared celular de vegetales (celulosa + hemicelulosa).
• Heterósidos: Glucoaminoglucanos.