Apuntes de Biología 1. Agua, sales minerales, glúcidos y lípidos

 

I. NIVEL MOLECULAR

Capitulo 1-      BIOELEMENTOS, GLUCIDOS Y LÍPIDOS

Tema 1.1. BIOELEMENTOS, AGUA Y SALES MINERALES

Objetivos mínimos:

-Definir qué es un bioelemento y citar algunos ejemplos destacando sus propiedades biológicas.

-Conocer la estructura, propiedades y funciones biológicas del agua.

-Citar algunos ejemplos de sales minerales habituales en los seres vivos y resumir sus funciones biológicas.

Temporalización: 1,5 a 2 horas.

Contenidos:

Los bioelementos. Clasificación de las principales molé­culas inorgánicas de interés biológico. El agua y sus funciones. Sales minerales y sus funciones.

Los bioelementos

            Los elementos químicos que constituyen los seres vivos se llaman bioelementos, o también elementos biogenéticos. Estos son los mismos que integran la corteza terrestre, si bien en la materia viva y en el mundo inanimado se hallan en proporciones muy diferentes.

            Al realizar un estudio químico de los seres vivos encon­tramos que la materia viva está constituida por unos setenta elementos químicos.

            Se pueden clasificar atendiendo a su abundancia en:

-bioelementos primarios. Constituyen un grupo cuyo conjunto supone el 99% de la materia viva. Son el carbono, el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, el fósforo y el azufre. Se les llama primarios por su abundancia y porque son imprescindibles para la formación de las moléculas orgánicas. Esta idoneidad es debida a las siguientes características:

a)         Son abundantes en las capas externas de la Tierra.

b)         Tienen peso atómico bajo y pueden reaccionar entre sí for­mando enlaces covalentes estables pero susceptibles de romperse con facilidad.

c)         El carbono en particular tiene cuatro electrones en su periferia, por lo que puede formar enlaces covalentes dirigi­dos hacia los cuatro vértices de un tetraedro ima­ginario. También el silicio presenta esta propiedad, sin embargo, los enlaces C-C son estables y las cadenas Si-Si son inestables. Los enlaces C-H, C=O y C-N constituyen una serie de funciones diferentes que aumentan la diversidad molecular y las cadenas Si-O-Si-O, las siliconas, son tan estables que prácticamente son inalterables. Además el CO₂ es gaseoso y soluble en agua, por lo que puede ser absorbi­do y expelido por los seres vivos, el SiO₂ es sólido, insoluble en agua e incapaz de ser utiliza­do por los seres vivos.

-bioelementos secundarios. Son todos los elementos químicos restantes que forman parte de los seres vivos. En este grupo pueden distinguirse algunos que se encuentran en todos los seres vivos (Na, K, Ca, Mg, Cl, Fe, etc.) mien­tras que otros sólo son necesarios en algunos seres vivos y no en resto (Al, Pb, etc.). Cuando un elemento biogenéti­co es necesario para un organismo se dice que es indispen­sable, por ejemplo el yodo lo es para los vertebrados pero no para el resto de los animales.

Los elementos que se encuentran en proporciones inferiores al 0,1 % se denominan oligoelementos.

            Las funciones que realizan los bioelementos son:

* Funciones plásticas y estructurales. Entre estos cabe citar C, O, H, N, P, S y Ca.

* Funciones catalíticas. Generalmente oligoelementos. El Fe actúa en el transporte de oxígeno, el Co forma parte de la vitamina B₁₂ y el I forma parte de las hormonas tiroideas.

* Funciones osmóticas. Varios elementos, en forma iónica, intervienen en fenómenos osmóticos (distribución de agua en compartimentos intra y extracelulares), mantienen el potencial de membrana y otros fenómenos relacionados. Son importantes el Na⁺, Cl^- (extracelulares) y K⁺ (intracelular).

Clasificación de las principales moléculas inorgánicas de interés biológico

            Cualquier grupo de átomos (iguales o distintos) que formen una unión que no se disgregue espontáneamente, sino que permanez­ca unida el tiempo suficiente para ser estudiada, recibe el nombre de molécula. Las moléculas constituyentes de los seres vivos reciben el nombre de biomoléculas o principios inmediatos.

            Las biomoléculas se clasifican en dos grupos:

-Biomoléculas inorgánicas. Podemos encontrarlas en los seres vivos y fuera de ellos.

Las biomoléculas inorgánicas se pueden clasificar según su estado físico en:

a) Sólidas (sales precipitadas, fosfatos y carbonatos).

b) Líquidas (agua y disoluciones de cationes -NH⁺₄-, aniones -HPO⁼₄).

c) Gaseosas (oxígeno, nitrógeno, anhídrido carbónico).

-Biomoléculas orgánicas. En este grupo incluimos:

a) Los glúcidos como la glucosa o el almidón.

b) Lípidos, como las grasas o el colesterol.

            c) Prótidos, como la insulina o la hemoglobina.

d) Ácidos nucleicos, ADN y ARN.

e) Metabolitos intermedios, muy variados se forman en la degradación o en la síntesis de otros grupos, como el ácido cítrico y la urea.

El agua y sus funciones

            La vida, tal como la conocemos, se desarrolla en el agua. Incluso los organismos no acuáticos tienen un medio interno hídrico.

            Es la sustancia que más abunda en los seres vivos. El organismo obtiene agua de tres maneras: 1) en forma líquida, 2) como constituyente de los alimentos sólidos y 3) como resultado de reacciones metabólicas en la respiración celular.

            La molécula de agua está formada por un átomo de oxíge­no y dos átomos de hidrógeno. El átomo de oxígeno presenta en su periferia seis electrones, dos de ellos, junto con los dos electrones procedentes de los dos átomos de hidrógeno, son compartidos formándose dos enlaces, que presentan un tercio de carácter iónico y dos tercios de carácter covalente; las uniones O-H forman entre sí un ángulo de 104º 28'.

            La molécula de agua a pesar de tener una carga total neutra posee una distribución asimétrica de los electrones y se comporta como un dipolo. El oxígeno presenta una carga parcial negativa y cada uno de los hidrógenos una carga parcial positiva.

            Las moléculas de agua tienden a establecer puentes de hidrógeno entre ellas y forman asociaciones de moléculas. El agua líquida es un agregado de polímeros y moléculas libres, de ahí su estado líquido en condiciones ambientales (a diferencia de otras moléculas semejantes como el SO₂ y el NO₂).

            Esta estructura explica sus propiedades especiales y su importancia biológica.

a)         Se encuentra líquida en un amplio intervalo de temperatu­ras.

b)         El agua presenta un elevado calor específico*. El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a una sustancia para elevar un grado su temperatura. Se necesi­tará mucho calor para vencer la gran cantidad de puentes de hidrógeno que se establecen en los polímeros de agua.

c)         El agua presenta un elevado calor de vaporización**. De la misma manera que en el apartado anterior se necesitará mucha energía para pasar del estado líquido al gaseoso. Esta energía puede absorberla del medio produciendo un enfriamiento rápido que puede utilizar el ser vivo para rebajar su temperatura corporal.

* Calor específico: es el calor necesario par elevar la tempe­ratura de 1 g de una sustancia en 1º C. Para el agua es de 1 cal/g.

** Calor de vaporización es el calor necesario para vaporizar 1 g de líquido. Para el agua es de 536 cal/g.

d)         Elevada constante dieléctrica. El agua permite la disocia­ción de las sales minerales, porque debilita las fuerzas electrostáticas entre los iones; por su carácter dipolar, tiende a rodear a los iones aislándolos unos de otros y facilitando la disolución de sales.

e)         El agua presenta una gran reactividad química. Su gran capacidad de formación de enlaces de hidrógeno determina la capacidad de solubilización de moléculas con grupos polares  con lo que se facilita su transporte y los mecanismos de muchas reacciones hidrolíticas.

f)         Bajo grado de ionización. La molécula de agua tiene una capacidad de ionización baja, sólo una de 533 millones de moléculas se disocia en los iones H⁺ y OH^-. Así en un litro de agua pura la [H⁺] = 10^-7. Debido a que al disociarse genera un protón y un hidroxilo su pH es neutro y se considera su valor, 7, como el de la neutralidad.

g)         El agua presenta una elevada fuerza de cohesión. También es debido a los puentes de hidrógeno que se establecen entre las moléculas de agua.

h)         El agua presenta un comportamiento anómalo de la variación de la densidad con la temperatura. Debido a los puentes de hidrógeno que unen a sus moléculas el agua líquida es más densa que el hielo.

i)          Es un líquido poco viscoso debido a la fugacidad de los polímeros.

Las funciones que desempeña el agua son:

1) Derivadas de su elevado calor específico: actúa como amortigua­dor de las temperaturas exteriores y en le regulación de la temperatura de los organismos homeotermos.

2) Derivadas del comportamiento anómalo de la densidad: El hielo, menos pesado, flotará y actuará como aislante térmico posibilitando el mantenimiento de la gran masa de agua que alberga gran cantidad de vida.

3) Derivadas de su elevada constante dieléctrica y de su gran reactividad: La capacidad para disolver sustancias tanto inorgáni­cas como orgánicas polares. De hecho el agua es el vehículo de entrada de alimentos al organismo, el vehículo de salida de desechos, el medio de transporte dentro del organismo y el medio en el que se dan todas las reacciones vitales. El agua se considera el disolvente universal. En el seno del agua se realizan todas las reacciones químicas que ocurren en los organismos.

4) Derivada de su capacidad de disociación: La concentración de protones es crítica para muchos procesos biológicos y en la mayor parte de ellos se necesita un pH neutro (7) o cercano a la neutralidad que es el propio del agua. Las reacciones vitales tienen lugar en el seno del agua.

5) Derivada de la elevada cohesión: Permitir que las columnas de agua no se rompan cuando ascienden por capilaridad a través de los vasos de los vegetales. Por otra parte, al ser un líquido incompre­sible, es idóneo para dar volumen a las células constituyendo un esqueleto hidrostático en algunos invertebrados.

6) Derivada de la baja viscosidad: Su capacidad lubricante en articulaciones (líquido sinovial).

Sales minerales y sus funciones

            Las sales minerales pueden encontrarse en los seres vivos de tres formas: sin disociar y precipitadas o disociadas; estas últimas, a su vez, en forma de cationes y aniones disueltos en agua o asociados a moléculas orgánicas.

a)         Las sales precipitadas constituyen estructuras sólidas, insolubles, de función esquelética. Por ejemplo el CaCO₃ de las conchas de moluscos, la sílice de las cañas de las gramíneas, etc. El hidroxiapatito forma parte del tejido óseo.

b)         Las sales minerales disueltas dan lugar a cationes y aniones. Los principales son:

            - cationes: Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺.

            - aniones: Cl^-, SO₄^2-, CO₃^2-, HCO₃^-, NO₃^- ,PO₄H^2-.

            Los diversos cationes y aniones se encuentran en proporciones variables en los medios intra y extracelulares donde a menudo actúan en:

b.1)      El mantenimiento de la presión osmótica (fuerza de atracción del agua) y por tanto responsables de los fenómenos de turgescencia y plasmolisis.

            Es de experiencia común que cuando se ponen en contacto dos disoluciones de distinta concentración, tanto el agua como el soluto tienden a difundir, hasta que se obtiene una disolución única de concentración intermedia.

            En el caso en que se pongan en contacto dos disoluciones a través de una membrana especial (semipermeable), que permite el paso de agua pero no de soluto, la tendencia a igualar las concentraciones se manifiesta por un paso de agua de la disolución más diluida hacia la más concentrada. La presión mecánica (hidros­tática) necesaria para contrarrestar el paso de agua se llama presión osmótica. Las membranas de las células son mucho más permeables al paso de agua que de solutos por lo que actúan de manera parecida a las semipermeables, dando origen a fenómenos de presión osmótica.

            Cuando se coloca un eritrocito en una solución isotónica se mantiene en equilibrio con ella. Si se coloca en medio de agua destilada, el agua entra masivamente en él, la membrana no puede resistir la presión osmótica generada, y produce el estallido y la hemolisis. Cuando el medio en que se sitúa es hipertónico, el agua del interior de la célula tiende a salir dejándolo arrugado. En vegetales la pared celular impide la rotura de la célula, pero esta se hincha, por la entrada masiva de agua, fenómeno que se conoce como turgescencia.

b.2)      El mantenimiento del pH. Los seres vivos disponen de unos mecanismos capaces de regular la concentración de H⁺. Reciben el nombre de amortiguadores, tampones o buffers. Estos sistemas pueden liberar hidrogeniones cuando faltan en el medio y pueden captarlos cuando están en exceso, manteniendo la concentración de H⁺ aproxi­madamente constante. Los tampones son amortiguadores del pH formados por un ácido débil y la sal de ese ácido, por ejemplo el tampón [carbónico - bicarbonato]. Si el pH aumenta interviene el ácido para su neutralización:

                        CO₃H₂+ OHNa  --> CO₃HNa + H₂O

            Ácido + Base --> sal + agua (reacción de neutralización);

            Si el pH disminuye actúa la sal consiguiendo el mismo efecto.

            CLH  + CO₃HNa --> CLNa + CO₃H₂; CO₃H₂ --> CO₂ + H₂O

            ácido + sal   --> sal + ácido débil

b.3) También son responsables de la generación de potenciales de membrana (Na⁺, K⁺ y Ca⁺⁺), e intervienen en fenómenos fisiológicos tan dispares como la contracción muscular (Ca⁺⁺ y Mg⁺⁺), la trans­misión del impulso nervioso y la coagulación de la sangre.

c) Los iones asociados actúan a menudo como cofactores de reac­ciones específicas.

Hidrocarburos y radicales

Los hidrocarburos son compuestos binarios de carbono e hidrógeno. Los demás compuestos orgánicos se estructuran a partir de los hidrocarburos. El carbono tiene valencia cuatro y puede unirse a cuatro átomos de hidrógeno. Las moléculas de carbono pueden unirse entre sí formando cadenas más o menos largas, en ellas los átomos de carbono comparten una de sus valencias con el otro carbono y el resto con los hidrógenos.

Nombre

Los hidrocarburos se nombran con palabras formadas por tres partes:

-La primera alude al número de carbonos de la molécula:

Met-1

Et-2

Prop-3

But-4

Pent-5

Hex-6, etc.

-La segunda alude al tipo de enlaces:

Todos sencillos-an-

Doble enlace-en-

Enlace triple-in-.

-La tercera alude al carácter hidrocarburo y se indica mediante la terminación -o-.

La cadena carbonada se numera empezando por el extremo más próximo a su grupo funcional. Ejemplos:

Hexano: 6 carbonos de enlaces simples.

CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃

1-buteno: 4 carbonos (But), un doble enlace en posición 1(en)

4   3   2  1

CH₃-CH₂-CH=CH₂

Etino:

CH^-=CH

Al sustituir un hidrógeno de un hidrocarburo por una valencia libre se obtiene un radical.

Alcoholes

Pueden considerarse como derivados de los hidrocarburos por sustitución de un átomo de hidrógeno por un hidroxilo (-OH). Se nombran como los hidrocarburos cambiando el sufijo -o- por -ol-. Si hubiera varias funciones alcohol en la misma molécula, se antepone el prefijo di, tri, tetra, etc. correspondiente y se localiza cada una de ellas por el número del carbono al que están unidas. Ejemplos:

1-propanol:

CH₃-CH₂-CH₂OH

1,2-propanodiol:

CH₃-CH(OH)-CH₂OH

Aldehidos y cetonas

Son derivados de los hidrocarburos pro sustitución de dos átomos de hidrógeno en un mismo carbono por uno de oxígeno, dando lugar a un grupo oxo (=O). Si la sustitución tiene lugar en un carbono primario el compuesto resultante se llama aldehido y se nombra con la terminación -al-. Si la sustitución tiene lugar en un carbono secundario, se trata de una cetona, y se nombra con el sufijo -ona-. Ejemplos:

3-propanal:

COH-CH₂-CH₃

Propanona:

CH₃-CO-CH₃

Acidos carboxílicos

En un mismo átomo de carbono (forzosamente primario) se inserta un grupo oxo (=O) y un grupo hidroxilo (-OH). Se utiliza para nombrarlos la terminación -oico-. Ejemplos:

Etanoico o acético:

COOH-CH₃

Palmítico:

COOH-(CH₂)₁₄-CH₃

Aminas

Se originan cuando uno o varios hidrógenos del amoniaco se sustituyen por radicales alkilo. Ejemplos:

Etilamina:

CH₃-CH₂-NH₂

Aminoácido:

COOH-C-NH₂

R

Funciones azufradas

Los tioles son semejantes a alcoholes que tuvieran azufre en lugar de oxígeno. Cuando el grupo -SH- es la función princi­pal, la molécula se nombra con la terminación -tiol-

Tema 1.2. GLUCIDOS Y LÍPIDOS

Objetivos mínimos:

-Explicar el concepto de glúcido: Estructura general y funcio­nes de interés biológico.

-Definir qué es un monosacárido. Conocer la fórmula cíclica de la glucosa, fructosa, ribosa y desoxirribosa. Reconocer sus funcio­nes de interés biológico.

-Definir qué es un polisacárido. Explicar en qué consiste el enlace glicosídico. Conocer la estructura y funciones de interés biológico de la celulosa, almidón y glucógeno.

-Explicar el concepto de lípido. Resumir sus funciones biológi­cas.

-Definir y explicar la estructura general de los ácidos grasos. Diferenciar entre ácidos grasos saturados e insa­turados.

-Conocer la estructura general y funciones biológicas de los acilglicéridos.

-Conocer la estructura general y funciones biológicas de los fosfolípidos. Destacar su naturaleza anfipática.

-Explicar qué son los esteroides y reconocer su importancia biológica.

Temporalización: 2,5 a 3 horas.

Contenidos:

           

Características generales de los glúcidos. Clasificación. Monosacáridos (ribosa, desoxirribosa, glucosa y fructosa). Polisacáridos (almidón, glucógeno, celulosa). Características generales de los lípidos (acilglicéridos, fosfolípidos y esteroides).

Características generales de los glúcidos

            Los glúcidos, azúcares o hidratos de carbono, son biomoléculas constituidas por C, O e H. Químicamente pueden definirse como polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas, o como los productos formados por la condensación de estos compuestos entre sí mediante enlaces glucosídicos.

            El primer nombre viene del griego y alude al carácter dulce de la mayoría de los glúcidos simples, el segundo es una generaliza­ción del representante más clásico del grupo, es decir, el azúcar de caña, o sacarosa. Finalmente, el nombre hidratos de carbono alude al hecho de que H y O guardan en la mayoría de ellos la misma proporción que en el agua C_n(H₂O)_m.

            Los azúcares sencillos abundan en la fruta y en la leche; en cambio, sus polímeros abundan en los cereales, tubérculos y legumbres (en vegetales), hígado y carne (en animales). La celulosa, polisacárido vegetal, es la sustancia orgánica más abundante en la Biosfera.

            Las principales funciones biológicas de los glúcidos son las siguientes:

a) Constituyen el material energético de uso inmediato.

b) Cumplen funciones estructurales.

c) Pueden constituir material energético de reserva.

d) Muchos glúcidos (glicoptoteínas) que forman parte de la membrana intervienen en el reconocimiento celular y en los fenómenos de histocompatibilidad.

Clasificación

            De acuerdo con su naturaleza química los azúcares se clasifi­can en:

Monosacáridos:

-           Son simples y no hidrolizables. Ejemplo: glucosa.

Oligosacáridos:

-           Formados por la unión de un pequeño número de monosacáridos. De su hidrólisis podemos obtener entre 2 y 10 monosacáridos. Ejemplo: sacarosa.

Polisacáridos:

-           Constituidos por la unión de un número elevado de monosacári­dos. Si los monosacáridos que se obtienen de su hidrólisis son iguales reciben el nombre de homopolisacáridos. Si los monosacári­dos que obtenemos en la hidrólisis son diferentes entre sí se denominan heteropolisacáridos. Ejemplo: almidón.

Glúcidos complejos o Heterósidos:

-De su hidrólisis se obtienen monosacáridos y una sustancia no glucídica llamada aglucón. Ejemplo: glucoproteína.

Monosacáridos (ribosa, desoxirribosa, glucosa, fructosa)

            Son glúcidos simples, no hidrolizables (no se pueden descompo­ner en moléculas más sencillas). Químicamente pueden definirse como polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas.

            Se nombran con un prefijo que indica si presentan grupo aldehido o cetona y el número de átomos de carbono de su molécula, y se finalizan con la terminación "osa". Ejemplo: cetotriosa, aldopentosa, aldohexosa, etc.

            Para conocer mejor las propiedades de los monosacáridos debemos comenzar por su estructura molecular. Un carbono asimétrico es el que presenta cuatro sustituyentes distintos. Los monosacári­dos, con excepción de la dihidroxiacetona, contienen uno o más de estos carbonos asimétricos que condicionan la formación de isómeros. Se pueden dar biomoléculas con la misma fórmula molecular (compuestas por los mismos átomos) pero que presentan distintas propiedades (debido a que sus átomos están orientados de distinta manera), se dice que estas biomoléculas son isómeros entre sí. Los isómeros suelen tener propiedades físicas u químicas diferentes.

            En azúcares y aminoácidos se denomina isómero D al que presenta el grupo funcional a la derecha del espectador y L al que lo tienen a la izquierda. Ejemplo D-gliceraldehido y L-gliceral­dehido.

            Algunas moléculas tienen varios carbonos asimétricos, por convenio se considera forma D la que presente su último carbono asimétrico con su grupo funcional a la derecha y L si lo dispone a la izquierda.

            Cuando dos esteroisómeros difieran en la posición de un sólo grupo funcional se llaman epímeros. Ejemplo: La D-glucosa es epímero de la D-galactosa.

            Cuando dos esteroisómeros sean imágenes especulares se denominan enantiómeros. Ejemplo: La D-glucosa es un enantiómero de la L-glucosa.

            En disolución, que es como se presentan en la materia viva, los monosacáridos se comportan como si presentasen un nuevo carbono asimétrico. Para explicar este hecho Hawort dedujo que estas moléculas adquieren formas cíclicas, constituyendo anillos pentagonales o hexagonales.

            En la glucosa, el paso de la forma a la cíclica se realiza como sigue: el grupo aldehido, situado en el primer carbono, reacciona con el grupo hidroxilo del quinto carbono. Se forma un hemiacetal intramolecular. El anillo restante se denomina piranosa, por su similitud con el pirano.

            En la fructosa, el grupo cetona, situado en el segundo carbono, reacciona con el hidroxilo del quinto carbono para formar un hemiacetal. Este anillo de cinco componentes se denomina furanosa por su similitud con el furano.

            Esta estructura permite la existencia de dos nuevos esteroisó­meros llamados anómeros α y ß. El anómero α es el que presenta el nuevo grupo carbonilo hacia abajo y  el ß hacia arriba.

Propiedades:

-Son sustancias sólidas, de color blanco y de sabor dulce.

-Son solubles en agua (hidrófilos), cristalizables e insolu­bles en disolventes orgánicos.

-Pueden sufrir reacciones de isomerización y epimerización, que transforman unos isómeros y epímeros en otros. Así la fructosa (isómero de la glucosa) y la manosa (epímero de la glucosa) se pueden transformar en glucosa. Esto es impor­tante pues la glucosa es el único monosacárido que se encuentra en estado libre en el organismo y el punto de partida de la mayoría de los procesos metabólicos.

-Suelen desviar el plano de la luz polarizada por lo que se dice que tienen poder rotatorio. La existencia en sus molécu­las de átomos de carbono asimétricos hace que estos compuestos tengan actividad óptica que puede ser dextrógira (+) o levógira (-). Esta actividad permite distinguir a los isómeros ópticos. La isomería óptica no depende de la isomería D y L (según la configuración que presente su último átomo de carbono asimétrico). Así, por ejemplo, la D-glucosa es dextrógira (+) mientras que la D-fructosa es levógira (-).

-Reducen, en determinadas condiciones, el ión cúprico (azul) a cuproso (rojo), es decir, tienen poder reductor.

-La mayoría de los monosacáridos presentan una propiedad llamada mutarrotación, que consiste en la interconversión de los isómeros α y ß. Se observa cuando se mide el poder rotatorio de una disolución de α-D-glucosa. Nada más preparar­se la disolución desvía la luz polarizada 112º. Cuando transcurre un tiempo el valor de desviación es 52º. El poder rotatorio de la ß-D-glucosa es de 19º y lo que ha sucedido es que parte de la α-D-glucosa se va transformando en ß-D-glucosa.

            Entre los monosacáridos más importantes figuran dos pentosas y dos hexosas. Las hexosas más importantes son la glucosa (al­dohexosa) y la fructosa (cetohexosa).

            Las pentosas son la ribosa y la desoxirribosa que inter­vienen en la formación de los ácidos nucleicos, la ribosa en el ARN y la desoxirribosa en el ADN.

            La ribosa (aldopentosa), además, es constituyente del ATP molécula que se considera la moneda energética del organismo. También forma parte del NAD y NADP, coenzimas en reacciones de oxidoreducción.

            La glucosa es una aldohexosa, se encuentra libre en las uvas y otros frutos maduros, en la miel y en la sangre.

            Se puede considerar a la glucosa como el azúcar más importante en los seres vivos, se utiliza como material ener­gético por excelencia, acumulándose polimerizada en muchas fuentes de alimentos cuando no se necesita, en forma de almidón (vegetales) o de glucógeno (animales), y, liberándose  por hidró­lisis en caso contrario. Penetra en la célula y se degrada para obtener energía química (ATP).

            La fructosa (cetohexosa) se encuentra en las frutas, como la glucosa y en la miel y puede convertirse en glucosa mediante una enzima isomerasa. La reacción anterior es reversible. Es un importante intermediario en las distintas vías metabólicas de los glúcidos.

Polisacáridos (almidón, glucógeno, celulosa)

            Los polisacáridos son polímeros lineales o ramificados de monosacáridos simples enlazados mediante uniones O-glicosídicas. Se pueden encontrar desde moléculas formadas por cuarenta monosacári­dos (inulina) hasta varios centenares de moléculas unidas de manera lineal (amilosa), e incluso millares de ellas en forma ramificada (amilopeptina y glucógeno).

            La unión entre monosacáridos se realiza mediante enlaces O-glicosídicos. Este enlace consiste en la formación de un acetal entre el carbono carbonílico de un monosacárido y uno de los carbonos alcohólicos del otro con la pérdida de una molécula de agua. Este enlace puede ser α o ß-glicosídico, dependiendo de la posición que ocupan el grupo -OH del primer monosacárido.

            La unión se produce puede ser de dos tipos:

a)         Mediante un enlace monocarbonílico, en el que intervienen un carbono anomérico del primer monosacárido y un carbono no anomérico cualquiera del otro monosacárido. Como el carbono anomérico del segundo monosacárido queda libre, se mantiene el poder reductor.

b)         Mediante un enlace dicarbonílico, en el que el enlace se forma entre los carbonos anoméricos de ambos monosacáridos. Se pierde el poder reductor. Un ejemplo es la sacarosa.

            Los homopolisacáridos los podemos clasificar a su vez en homopolisacáridos de reserva y homopolisacári­dos estructurales.

            Homopolisacáridos de reserva: Su función es almacenar la energía. Los más importantes están constituidos por numerosas unidades de α-glucopiranosa.

            El almidón, al igual que el glucógeno, está formado por moléculas de D-glucosa que pueden unirse formando:

a)         Amilosa: o almidón lineal. Consta de unas 200 unidades de D-glucosa unidas con enlaces α(1>4). Es soluble en agua donde adquiere una estructura helicoidal no ramificada, en la que cada vuelta de hélice comprende seis unidades glucosa. Se tiñe de azul con el I₃^-.

b)         Amilopectina: o almidón ramificado. Compuesto por unas 1000 unidades de D-glucosa, que, además de las uniones (1α->4) contiene, cada 25 o 30 de ellas, una ramificación (1α->6), de la que parte una nueva cadena formada por enlaces (1α->4). Es soluble en agua caliente y se digiere fácilmente como la amilosa. Se tiñe de color rojo oscuro, casi viole­ta, con el iodo.

            Amilosa y amilopectina constituyen las moléculas de almidón que son las encargadas de almacenar la energía en plantas. El almidón se sintetiza en las plantas a  partir de los azúcares formados durante la fotosíntesis. Constituye, en las células, agregados insolubles de gran tamaño que no pueden difundirse a través de las paredes celulares y, al ser su número pequeño, no producen un aumento de la presión osmótica.

            El Glucógeno está constituido por un gran número de molécu­las de α-D-glucosa (pueden sobrepasar las 30.000) unidas por enlaces glicosídicos del tipo α(1->4). Es la molécula de reserva energética en animales. Tiene estructura similar a la amilopecti­na, es decir, una cadena de moléculas de D-glucosa ramificada, pero con ramifica­ciones más frecuentes, cada 8-12 monómeros. Las ramificaciones están unidas por enlaces α(1->6). La estructura ramificada permite una rápida hidrólisis y liberación de monómeros, pues la hidrólisis se produce en los monosacáridos más alejados de aquel que contiene el carbono reductor. Se encuentra en hígado y músculos esqueléti­cos. Es el principal azúcar de reserva en animales.

            Homopolisacáridos estructurales: Su función es construir estructuras.

            La celulosa es el principal exponente, está constituida por más de un millar de glucosas enlazadas linealmente por enlaces (1ß->4). Para formar este enlace la molécula de glucosa debe girar 180º respecto a la anterior y adquiere el aspecto de una cadena retorcida. Entre las fibras de celulosa pueden establecer­se muchos puentes de hidrógeno. Por este enlace y su estructura, es insoluble en agua y no es digerible por el hombre. Los rumiantes poseen flora intestinal que les permite digerir la celulosa.

Tema 1.2.        Características generales de los Lípidos (acilgli­céridos, fosfolípidos y esteroides

Características generales de los Lípidos

            Los lípidos son biomoléculas constituidas por C, O e H, aunque pueden contener otros elementos como N, P y S (lípidos complejos). Su nombre deriva del griego "lipos" que significa grasa. Son moléculas muy variadas desde el punto de vista químico (algunas contienen ácidos grasos, otras son derivados del isopreno, etc.) pero todas ellas tienen en común:

-Son insolubles en agua.

-Son solubles en disolventes orgánicos (éter, benceno, etc.). Estos disolventes (frecuentemente utilizados como quitaman­chas) se denominan genéricamente disolventes de grasa.

            Sus funciones son variadas:

-Se acumulan como sustancias de reserva (grasas). La mayor parte de los alimentos ingeridos en exceso se transforman en lípidos que se depositan en distintas zonas del organis­mo. Su contenido energético es mucho más elevado que el de los glúcidos y el de las proteínas. Cuando se quema un gramo de grasa se producen 9,3 Kilocalorías por gramo, cuando se quema un glúcido sólo se obtienen 4,1 Kilocalorías por gramo.

-Tienen papel estructural, destacan especialmente los fosfolí­pidos y glucolípidos que por la especial estructura de sus moléculas son componentes esenciales de las membra­nas celula­res.

-Pueden actuar como aislantes térmicos (grasas) y como amorti­guadores mecánicos. Las grasas que se encuentran en el panículo adiposo nos sirven para conservar el calor corporal y las que recubren órganos nos protegen de golpes.

-Tienen función reguladora. Diversas sustancias de este grupo actúan como hormonas (esteroides) y vitaminas (A, D, E).

-Otros son pigmentos (carotenoides) que captan la luz de diferentes longitudes de onda.

-Las ceras actúan como protectores, recubriendo superfi­cies, frente al agua y evitando la podredumbre.

            Dentro de los lípidos podemos distinguir los siguientes grupos:

-           Ácidos grasos.

-           Lípidos saponificables:

                        * Lípidos simples:

                                   . Grasas

                                   . Ceras

                        * Lípidos complejos:

                                   . Fosfolípidos

                                   . Glucolípidos

-           Lípidos insaponificables:

                                   . Carotenoides

                                   . Esteroides

Acilglicéridos

            Los acilglicéridos, también llamados grasas, se definen como ésteres de la glicerina y ácidos grasos. Por tanto, uno de los componentes más importantes de los acilglicéridos son los ácidos grasos. Los ácidos grasos son, además, los ingredientes más genuinos de otros lípidos como los fosfoglípidos y glicolípidos.

Acidos grasos

            Los ácidos grasos son ácidos orgánicos formados por una cadena hidrocarbonada con un número par de carbonos que está acabada en uno de sus extremos por un grupo carboxilo (-COOH).

            La cadena adopta una disposición zigzagueante, con un ángulo en el enlace C-C de 109º. La cadena suele presentar un número elevado de átomos de carbono (en general más de 12). El número de átomos de  carbono es par.

            Cuando en la cadena existe un doble enlace, la estructura cambia debido a que los dobles enlaces quedan rígidos en un mismo plano y no pueden girar como antes. Se forman así isómeros de tipo cis-trans. Los isómeros cis presentan los radicales o sustituyentes a ambos lados del doble enlace en la misma posición (mismo plano), los trans los presentan en posiciones opuuestas (distinto plano). La mayoría de los ácidos grasos son de la forma cis.

            Los ácidos grasos pueden ser:

-Saturados (sólo tienen enlaces simples entre los átomos de C). Ejemplo: CH₃-(CH₂)_n-COOH

            Algunos ejemplos de ácidos grasos saturados:

            - Acido butírico (4C)

            - Acido palmítico (16C)

            - Acido esteárico (18C)

El ácido palmítico y el esteárico son sólidos, blancos, insolubles en agua, pero solubles en álcalis y en disolven­tes orgánicos.

-Insaturados (pueden tener uno o más dobles enlaces entre C). Ejemplo: CH₃-CH=CH-COOH

Como ejemplo de ácidos grasos insaturados:

- Acido oleico (18C), doble enlace entre los carbonos 9 y 10. El ácido oleico abunda en el aceite de oliva.

            - Acido palmitoleico (16), (9=10)

- Acido linoleico (18), (9=10 y 12=13)

- ácido linolénico (18). (9=10, 12=13 y 15=16)

Los ácidos linoleico, linolénico y araquidónico son esen­ciales para el hombre que no puede sintetizarlos y debe tomarlos en la dieta. Antes se conocían como vitamina F.

            Los ácidos grasos presentan las siguientes propiedades:

Solubilidad:

Los ácidos grasos son moléculas anfipáticas, es decir, tienen una clara bipolaridad. La cadena hidrocarbonada es hidrófoba, mostrando tendencia a establecer enlaces de Van der Waals con otras cadenas semejantes. Por el contrario el grupo carboxilo es hidrófilo y puede unirse a otros grupos similares mediante puentes de hidrógeno. Cuando los ácidos grasos se encuen­tran en medio acuoso, los grupos hidrófilos se orientan hacia las moléculas de agua y los grupos hidrófobos se alejan de estas. Se forman así estructuras llamadas micelas y bicapas.

Punto de fusión:

El punto de fusión de los ácidos grasos varía según que éstos sean saturados o insaturados. En general, el punto de fusión disminuye según aumenta el número de dobles enlaces en la molécula. El punto de fusión asciende cuando aumenta el número de carbonos que posee la molécula, debido al incremento que se produce en el número de enlaces de Van der Waals que se forman y, por tanto, en la energía que debe de suministrarse para romperlos. La orientación variable de las cadenas insaturadas dificulta la formación de los enlaces de Van der Waals y, como consecuencia, el punto de fusión desciende. Los ácidos insatura­dos, con dobles enlaces en posición cis son líquidos oleosos.

Acilglicéridos

            Los acilglicéridos, como explicamos anteriormente, son ésteres de la glicerina y ácidos grasos. Son los lípidos más abundantes de la naturaleza, en vegetales se encuentran fundamen­talmente en semillas (girasol, almendra, nuez, etc.), o en frutos (aceituna). En animales, abundan en el tejido adiposo (la acumulación excesiva se llama obesidad), en la médula ósea y en las células huevo.

            La glicerina puede reaccionar con un ácido graso (monoacil­glicérido), con dos (diacilglicérido), o, casi siempre con tres (triacilglicérido).

            La reacción de la molécula de glicerina con los ácidos grasos recibe el nombre de esterificación y da lugar a una molécula llamada grasa (el enlace es de tipo éster) y a una molécula de agua por cada ácido graso.

CH₂OH   CH₃-(CH₂)_n-COOH           CH₂-COO-CH₂-CH₃

CHOH  + CH₃-(CH₂)_n-COOH --->   CH- COO-CH₂-CH₃  + H₂O

CH₂OH   CH₃-(CH₂)_n-COOH           CH₂-COO-CH₂-CH₃

Glicerina + 3 mol. ácidos grasos ---> grasa + agua

            Esta reacción es reversible, en sentido opuesto la reacción se llama saponificación y para que se produzca, en la industria, es necesario la adición de un álcalis caliente que rompa la grasa para obtener la glicerina y moléculas de jabón (sales de ácidos grasos).

CH₂-COO-CH₂-CH₃                             CH₂OH        

CH- COO-CH₂-CH₃  + 3 Na(OH) ---> CHOH  + 3 CH₃-(CH₂)_n-COONa

CH₂-COO-CH₂-CH₃                              CH₂OH

Grasa + 3 moléc. OHNa ---> glicerina + 3 mol. de jabón

            Dentro del organismo esta reacción tiene una análoga que se realiza mediante una enzima hidrolasa (lipasa) que desdobla la grasa en glicerina y ácidos grasos.

 Grasa + agua -- lipasa--> 3 moléc. ácidos grasos + glicerina

            Cuando se mezclan triglicéridos en agua y se agita puede observarse la formación de una emulsión (las grasas se dividen en gotitas). Si cesa la agitación la emulsión desaparece pues las gotitas vuelven a reunirse (emulsión transitoria). Si al agua añadimos los jabones y agitamos, las moléculas de jabón se disponen con su cola hidrófoba alrededor de las gotas de grasa y con su cabeza hidrófila en contacto con el agua. Así las moléculas de jabón impiden que las moléculas de grasa vuelvan a unirse dando lugar a una emulsión permanente.

            En el organismo humano, las sales biliares actúan de forma similar a los jabones, emulsionan las grasas y las preparan para su posterior digestión aumentando su superficie.

Propiedades de los acilglicéridos

-Si los ácidos que componen un acilglicérido son de corta cadena o insaturados, dicha molécula es líquida a tempe­ratura ambiente y recibe el nombre de aceite (trioleína del aceite de oliva). Si los ácidos grasos son saturados, el acilglicérido es sólido y se llama sebo.

-Las grasas puras son moléculas incoloras, inodoras e insípi­das; si se oxidan se enrancian y adquieren un olor y un sabor característico.

-Son insolubles en agua. Son solubles en disolventes orgáni­cos (lipófilos).

-Tienen poca densidad y flotan en agua.

Funciones de los acilglicéridos

-Son las principales sustancias de reserva del organismo.

-Protegen órganos.

-Aíslan el organismo frente a la pérdida de calor.

Fosfolípidos

            Los fosfolípidos son lípidos que contiene fósforo. Hay dos grupos los fosfoglicerolípidos y los esfingofosfolípidos.

            Los fosfoglicerolípidos se pueden considerar como diacilgli­céridos en los que el tercer grupo hidroxilo de la glicerina está esterificado con le ácido fosfórico.

            Son lípidos complejos formados por:

-Glicerol.

-Dos ácidos grasos que se esterifican con la glicerina.

-Ácido fosfórico que se esterifica con el tercer OH de la glicerina.

            CH₂-COO-(CH₂)_n-CH₃

            CH- COO-(CH₂)_n-CH₃

             O

  CH₂-O-P-O-CH₂-CH₂-NH₂ (fosfatidil etanolamina)

              OH

            Esta es la estructura del fosfoglicérido más simple llamado ácido fosfatídico. El ácido fosfatídico es el fosfolípido más sencillo, está constituido por glicerina esterificada con dos ácidos grasos y con ácido fosfórico.

            El ácido fosfatídico existe libre en la naturaleza, pero, en general, su grupo fosfórico suele unirse con funciones alcohol que pertenecen a moléculas nitrogenadas y originan distintos tipos de fosfoglicéridos (fosfatidilcolina o lecitina que abunda en la yema de huevo, fosfatidilserina, etc.). De él se derivan todos los demás fosfoglicéridos.

            Los esfingofosfolípidos son lípidos que presentan como alcohol la esfingosina:

                                                           C₁₃H₂₇-CH=CH-CHOH

                                                                            NH₂-CH

                                                                                    CH₂OH

            El doble enlace presenta configuración trans.

            Los cerámidos están constituidos por:

-Esfingosina. Es un aminoalcohol. C₁₃H₂₇-CH=CH-CHOH

                                                                          NH₂-CH

                                                                                   CH₂OH

-Un ácido graso unido al grupo amino.

            Carecen de cabeza polar.

            Al unirse un cerámido con una molécula de ácido ortofos­fórico y una base nitrogenada se forma un esfingofosfofátido. El cerámido­fosforilcolina, también llamado esfingomielina, forma parte de las vainas de mielina segregadas por las células de Schwann.

Propiedades

-Tienen un importante carácter anfipático, debido a su parte hidrófila (ácido fosfórico y base nitrogenada) y a la hidrófo­ba (ácidos grasos); por ello son idóneas para formar membra­nas.

-Son sólidos blancos que se oscurecen al entrar en contacto con el aire.

-Por hidrólisis liberan todos sus componentes.

Funciones de los fosfolípidos

            Estas moléculas son integrantes de las membranas biológicas por su especial estructura ya que son de naturaleza anfipática, es decir, están formadas por una parte apolar, integrada por el diglicérido y una parte polar, formada por el ácido fosfórico y la base nitrogenada. En medio acuoso los fosfolípidos se asocian formando micelas o bicapas, enfrentando sus extremos apolares y sumergiendo en el agua sus grupos polares.

            Los esfingofosfolípidos forman la vaina de mielina que recubre a los axones de las neuronas. Tienen función aislante.

Esteroides

            Los carotenoides y esteroides son lípidos complejos no saponificables, su estructura no está relacionada con los ácidos grasos. Son lípidos, en general, poco polares. Se pueden considerar derivados por condensación del isopreno (metilbuta­dieno), con estructura cíclica (anillo tetracíclico). Los esteroides derivan del anillo del esterano (ciclopentanoper­hidrofenantreno). Atendiendo a sus funciones biológicas se distinguen tres grupos fundamentales:

- Esteroles:

Se pueden definir como alcoholes esteroides. Son derivados del esterano que presentan un grupo OH en el carbono 3, una cadena ramifi­cada (de 8 a 10 átomos de carbono) en el 17 y un doble enlace entre el 5 y el 6. Son los más abundantes. El colesterol (cadena de ocho átomos de carbono en el carbono 17) es el esterol más abundante en animales, precursor de vitaminas, sales biliares, componente de las membranas celulares, etc. Puede formar ceras uniéndose a ácidos grasos saturados e insaturados. Las primeras son muy insolubles, con facilidad se depositan en las paredes internas de los vasos sanguíneos provocando arteriosclero­sis. El depósito continuado puede llegar a producir oclu­sión y provocar ataques cardiacos.

En vegetales es muy abundante el ergosterol. Los esteroles se hallan en las membranas biológicas modificando su fluidez.

- Acidos y sales biliares:

Derivan del colesterol, tienen en el carbono 17 una cadena de cinco átomos de carbono acabada en un grupo carboxilo (COOH), que en ocasiones se une con algún compuesto nitro­genado dando lugar a las sales biliares. Son poderosos emulsionantes de las grasas y coadyuvan eficazmente a su digestión. Son los principales componentes de la bilis.

- Hormonas esteroideas:

Son sustancias producidas por glándulas endocrinas, que se distribuyen por el torrente sanguíneo y ejercen funciones de regulación metabólica en tejidos específicos. Son derivados del colesterol en los que la cadena hidrocarbona­da del carbono 17 se reduce a dos átomos de carbono o incluso desaparece.

Los gestágenos son hormonas femeninas implicadas en el ciclo menstrual y en el embarazo, el más característico es la progesterona.

Los corticoides, segregados por la corteza suprarrenal son un grupo heterogéneo que actúa (mineralocor­ticoides) sobre el metabolismo hidrosalino o (glucocorticoides) sobre el de glúcidos.

Los andrógenos son hormonas virilizantes y los estrógenos son hormonas femeninas, implicadas sobre todo en la primera fase del ciclo menstrual.

Polisacáridos