Biología: Bioelementos, Biomoléculas, Agua, Sales Minerales y Glúcidos

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BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos UNIDAD 3 LOS GLÚCIDOS 1.​Concepto y clasificación 2.​Monosacáridos: estructura y funciones 2.1. Características, clasificación y propiedades generales 2.2. Isomería de los monosacáridos 2.3. Ciclación de los monosacáridos 2.4. Principales monosacáridos e importancia biológica 3.​Enlace O-glucosídico. Disacáridos y polisacáridos 4.​ Asociación de glúcidos con otras moléculas 5.​ Identificación experimental de glúcidos 6.​ Glúcidos y salud Conceptos básicos: concepto, clasificación y funciones generales de los glúcidos. Propiedades físicas y químicas de los monosacáridos. Clasificación según el grupo carbonilo y el número de átomos de carbono.

Carbono asimétrico, enantiómeros, carbono anomérico y anómeros α y β. Reconocimiento de las formas lineales y cíclicas de glucosa, fructosa, galactosa, ribosa y desoxirribosa. Enlace O-glucosídico. Estructura e importancia biológica de maltosa, lactosa, celobiosa y sacarosa. Estructura y función de almidón, glucógeno y celulosa. Función general de la quitina. 1. Concepto y clasificación ​ Los azúcares o glúcidos (glykys = dulce) son biomoléculas orgánicas cuya fórmula empírica general es CnH2nOn o (CH2O)n, aunque algunos pueden tener fórmulas ligeramente desviadas de esta general (algunos pueden contener N, P o S).

Debido a ello, durante mucho tiempo se les han llamado hidratos de carbono, denominación que puede inducir a confusión pues no son tales. Desde el punto de vista químico, los monosacáridos son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas. Los glúcidos más complejos se forman por la unión de monosacáridos o de sus derivados. Clasificación Existen cuatro clases principales de glúcidos: monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos (la palabra “sacárido” proviene del griego sakcharon, que significa azúcar). ●​ Los monosacáridos (también llamados osas) o azúcares simples, consisten en una única unidad de polihidroxialdehído o polihidroxicetona.

●​ Los disacáridos están formados por la unión de dos monosacáridos. Los oligosacáridos, Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.1 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos formados por un número reducido de monosacáridos. Los polisacáridos, están formados por la unión de un gran número de monosacáridos unidos entre sí. En general, se utiliza el término ósidos para nombrar moléculas de monosacáridos unidas por enlaces O-glucosídicos). En el siguiente esquema, se realiza una clasificación de los glúcidos en dos grandes grupos, las osas o monosacáridos, y los ósidos (moléculas con dos o más monosacáridos).

Funciones generales de los glúcidos ●​ Estructural: forman parte de distintas estructuras biológicas, como la ribosa y desoxirribosa de los ácidos nucleicos, la celulosa de la pared vegetal o la quitina del exoesqueleto de artrópodos y de la pared de los hongos. ●​ Energética: algunos monosacáridos, especialmente la glucosa, constituyen una importante fuente de energía para las células. ●​ Reserva energética: el almidón en vegetales y el glucógeno en animales almacenan numerosas unidades de glucosa que pueden movilizarse cuando se necesita energía.

●​ Función de reconocimiento y comunicación celular: los oligosacáridos asociados a glucoproteínas y glucolípidos de la membrana participan en el reconocimiento entre células y actúan como marcadores y receptores celulares. ●​ Otras funciones: algunos glúcidos o sus derivados, especialmente cuando están asociados a otras moléculas, desempeñan funciones muy diversas. Por ejemplo, la heparina presenta actividad anticoagulante y determinados glúcidos forman parte de antibióticos, glucoproteínas y otras moléculas biológicamente activas (hormonas, anticuerpos, etc.). Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.2 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos 2. Monosacáridos: estructura y funciones 2.1.

Características, clasificación y propiedades generales Los monosacáridos son los glúcidos más sencillos. En su forma de cadena abierta, los monosacáridos comunes presentan una cadena carbonada no ramificada en la que los átomos de carbono están unidos mediante enlaces simples. En disolución acuosa, los monosacáridos de cinco o más átomos de carbono se encuentran mayoritariamente en formas cíclicas. El monosacárido más abundante de la naturaleza es la D-glucosa, de 6 C, a veces llamada dextrosa. En todas las formas de cadena abierta (sin ciclar), uno de los átomos de C está unido a un O por un doble enlace, formando lo que se conoce como un grupo carbonilo.

●​ Si el grupo carbonilo se encuentra en un extremo de la cadena carbonada, el monosacárido es un aldehído y se denomina aldosa. ●​ Si el grupo carbonilo se encuentra en una posición interna de la cadena, normalmente en el C2, se trata de un grupo cetona y el monosacárido se denomina cetosa. Ambos criterios de clasificación pueden combinarse; así, la glucosa es una aldohexosa, la fructosa una cetohexosa y la ribosa una aldopentosa. Los monosacáridos se clasifican también según el número de átomos de C que posee su cadena carbonada, que puede variar de 3 a 7: triosas (3C), tetrosas (4C), pentosas (5C), hexosas (6C) y heptosas (7C). A continuación, se muestran varios ejemplos.

Propiedades generales de los monosacáridos Propiedades físicas ●​ Son sólidos cristalinos, generalmente incoloros o blancos y de sabor dulce. ●​ Son solubles en agua debido a su carácter polar y a la presencia de numerosos grupos hidroxilo (-OH), capaces de establecer puentes de hidrógeno con las moléculas de agua. ●​ Presentan isomería, relacionada con la disposición espacial de sus átomos, que se estudiará en el apartado siguiente. Propiedades químicas ●​ Presentan poder reductor, es decir, pueden oxidarse cediendo electrones y provocar la reducción de otras sustancias.

Esta propiedad permite detectar experimentalmente algunos glúcidos mediante reactivos como Benedict, aspecto que se estudiará en el apartado 5. 2.2. Isomería de los monosacáridos Idea clave: la función biológica de una biomolécula depende en gran medida de su estructura química y tridimensional. Los enlaces covalentes, los grupos funcionales y la distribución espacial de sus átomos (estereoquímica) condicionan sus propiedades y, por tanto, su función biológica. Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.3 BLOQUE I.

Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos La isomería es una característica que aparece en moléculas que tienen la misma fórmula molecular, pero presentan distinta estructura o disposición espacial de sus átomos, lo que puede originar diferencias en sus propiedades físicas, químicas y biológicas. Estas moléculas se denominan isómeros. Existen varios tipos de isomería: ●​ Isomería de función. Se produce cuando dos moléculas tienen la misma fórmula molecular, pero presentan distintos grupos funcionales. En los monosacáridos, una aldosa y una cetosa con el mismo número de átomos de carbono pueden ser isómeros de función.

En la figura se muestra un ejemplo de isomería de función entre una aldosa y una cetosa con la misma fórmula molecular (C₄H₈O₄) ●​ Isomería espacial o estereoisomería. Se produce cuando dos moléculas tienen la misma fórmula molecular y sus átomos están unidos entre sí de la misma manera, pero difieren en la disposición espacial o configuración de dichos átomos. Estas moléculas se denominan estereoisómeros. La disposición espacial de los átomos puede tener gran importancia biológica, ya que puede modificar las propiedades y la función de una molécula. Un ejemplo de la importancia biológica de la estereoisomería puede observarse en algunos fármacos.

La talidomida, utilizada a finales de la década de 1950 y comienzos de la de 1960, presenta formas estereoisoméricas. Aunque poseen la misma fórmula molecular, su diferente disposición espacial hace que puedan interaccionar de manera distinta con las moléculas del organismo. Su uso durante el embarazo provocó graves malformaciones congénitas, lo que puso de manifiesto la importancia que puede tener la configuración espacial de una molécula en su actividad biológica. ¿Qué causa la variación de la configuración espacial de los átomos dentro de los monosacáridos? En los monosacáridos, la estereoisomería se debe principalmente a la presencia de carbonos asimétricos o centros quirales.

Un carbono asimétrico es un átomo de carbono unido a cuatro sustituyentes diferentes. La disposición espacial de estos sustituyentes puede dar lugar a diferentes estereoisómeros. Un carbono asimétrico también recibe el nombre de centro quiral (del griego cheir, “mano”). Enantiómeros y diastereómeros Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.4 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos Según la relación espacial entre dos estereoisómeros, se distinguen dos tipos: ●​ Enantiómeros: son estereoisómeros que constituyen imágenes especulares no superponibles entre sí, de forma semejante a la mano derecha y la mano izquierda.

●​ Diastereómeros o diastereoisómeros: son estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí. En los monosacáridos, la presencia de uno o más carbonos asimétricos permite la existencia de distintos estereoisómeros. Un ejemplo sencillo es el gliceraldehído, que presenta un único carbono asimétrico y, por ello, existe en dos formas enantioméricas. Configuraciones D y L de los monosacáridos Para representar la configuración espacial de los monosacáridos en el plano se utilizan habitualmente las proyecciones de Fischer.

La configuración D o L de un monosacárido se determina observando el carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo: ●​ Si el grupo –OH de este carbono se encuentra a la derecha, el monosacárido pertenece a la serie D. ●​ Si el grupo –OH se encuentra a la izquierda, pertenece a la serie L. El gliceraldehído, que posee un único carbono asimétrico, constituye el modelo de referencia: existen un D-gliceraldehído y un L-gliceraldehído, que son enantiómeros. La mayoría de los monosacáridos presentes en los seres vivos pertenecen a la serie D. Epímeros Cuando dos monosacáridos difieren únicamente en la configuración espacial de un solo carbono asimétrico, se denominan epímeros.

Por ejemplo, la D-glucosa y la D-galactosa son epímeros porque únicamente difieren en la configuración del carbono 4 (C4). Los epímeros son, por tanto, un tipo de diastereómeros, ya que no son imágenes especulares entre sí. ●​ Isomería óptica. Los enantiómeros presentan propiedades químicas muy similares, pero pueden diferenciarse por su interacción con la luz polarizada. (Las ondas luminosas no suelen estar polarizadas, de forma que la vibración electromagnética se produce en todos los planos. La luz que vibra en un solo plano se llama luz polarizada). Cuando una disolución de un monosacárido desvía el plano de la luz polarizada: Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.5 BLOQUE I.

Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos ●​ hacia la derecha, se denomina dextrógiro y se representa con el signo (+); ●​ hacia la izquierda, se denomina levógiro y se representa con el signo (–). Importante: la configuración D o L de un monosacárido no indica si es dextrógiro o levógiro. D/L describe su configuración espacial, mientras que (+)/(–) indica el sentido en el que desvía la luz polarizada. 2.3. Ciclación de los monosacáridos En disolución acuosa, los monosacáridos de cinco o más átomos de carbono se encuentran mayoritariamente en formas cíclicas, aunque existe un equilibrio con una pequeña proporción de moléculas en forma lineal.

Para representar su estructura se utilizan principalmente dos tipos de proyecciones: ●​ Proyección de Fischer: representa la forma lineal del monosacárido. La cadena carbonada se dispone verticalmente, situando el carbono más oxidado en la parte superior. ●​ Proyección de Haworth: representa de forma simplificada la estructura cíclica del monosacárido, con los grupos unidos a los carbonos situados por encima o por debajo del plano del anillo. La ciclación se produce mediante una reacción intramolecular entre el grupo carbonilo y uno de los grupos hidroxilo (-OH) de la propia molécula. ➢​ En las aldosas, el grupo aldehído reacciona con un -OH y se forma un hemiacetal.

➢​ En las cetosas, el grupo cetona reacciona con un -OH y se forma un hemicetal. A)​ Ciclación de la glucosa. La glucosa es una aldohexosa. En disolución acuosa, su forma lineal se cicla mediante una reacción intramolecular entre el grupo aldehído del C1 y el Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.6 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos grupo hidroxilo (-OH) del C5. Como consecuencia se forma un hemiacetal intramolecular y se origina un anillo de seis miembros, denominado glucopiranosa. En el proceso de ciclación, el C1, que formaba parte del grupo carbonilo, se transforma en un nuevo carbono asimétrico denominado carbono anomérico. La forma cíclica de la D-glucosa se denomina D-glucopiranosa.

B)​ Ciclación de la fructosa. La fructosa es una cetohexosa. Su ciclación puede producirse mediante una reacción intramolecular entre el grupo cetona del C2 y un grupo hidroxilo (-OH) de la propia molécula. Cuando reacciona el grupo cetona del C2 con el grupo -OH del C5, se forma un hemicetal intramolecular y se origina un anillo de cinco miembros, denominado fructofuranosa. En este proceso, el C2, que formaba parte del grupo carbonilo, se transforma en el carbono anomérico. La forma cíclica correspondiente se denomina D-fructofuranosa.

Carbono anomérico y anómeros α y β Durante la ciclación de un monosacárido, el carbono que formaba parte del grupo carbonilo se Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.7 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos transforma en un nuevo carbono asimétrico denominado carbono anomérico. ●​ En las aldosas, como la glucosa, el carbono anomérico es el que pertenecía al grupo aldehído: C1. ●​ En las cetosas, como la fructosa, corresponde al carbono del grupo cetona: C2. La aparición de este nuevo centro asimétrico origina dos formas cíclicas diferentes, denominadas anómeros alfa (α) y beta (β).

En las proyecciones de Haworth: ●​ Anómero α (alfa): el grupo -OH del carbono anomérico y el grupo -CH₂OH de referencia se encuentran en lados opuestos del anillo. ●​ Anómero β (beta): ambos grupos se encuentran en el mismo lado del anillo. Así, la D-glucosa puede encontrarse en forma de α-D-glucopiranosa o β-D-glucopiranosa, que únicamente difieren en la configuración del C1, su carbono anomérico. Mutarrotación En disolución acuosa, las formas α y β de un monosacárido pueden interconvertirse entre sí mediante la apertura transitoria del anillo y su posterior ciclación. Este proceso se denomina mutarrotación y conduce a una mezcla en equilibrio de las distintas formas anoméricas.

α ⇄ forma lineal ⇄ β En el equilibrio de la D-glucosa predomina la forma β-D-glucopiranosa, que es más estable que la forma α. 2.4. Principales monosacáridos e importancia biológica Los monosacáridos desempeñan importantes funciones biológicas. Además de actuar como fuente de energía o formar parte de otras biomoléculas, muchos de ellos y, especialmente, sus derivados fosforilados participan como intermediarios en numerosas rutas metabólicas. De forma general, las principales funciones de los monosacáridos son: ●​ Función energética: algunos monosacáridos, especialmente la glucosa, son utilizados por las células como fuente inmediata de energía.

●​ Función estructural: algunos forman parte de biomoléculas más complejas. Por ejemplo, la ribosa y la desoxirribosa forman parte de los ácidos nucleicos. Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.8 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos ●​ Función metabólica: numerosos monosacáridos y sus derivados actúan como intermediarios metabólicos, conectando diferentes rutas celulares. Además, en muchas rutas metabólicas los monosacáridos aparecen en forma de derivados fosforilados, lo que facilita su transformación dentro de la célula. Triosas Son monosacáridos formados por tres átomos de carbono. Solo hay dos tipos: ●​ Gliceraldehído.

Es una aldotriosa y posee un carbono asimétrico, por lo que presenta formas D y L. Su derivado fosforilado, el gliceraldehído-3-fosfato, es un importante intermediario de rutas metabólicas como la glucólisis y el ciclo de Calvin. ●​ Dihidroxiacetona. Es una cetotriosa que no presenta carbonos asimétricos y, por tanto, no forma enantiómeros. Su derivado, la dihidroxiacetona fosfato, participa como intermediario en la glucólisis y en otras rutas metabólicas. Pentosas Son monosacáridos formados por cinco átomos de carbono. Entre las de mayor importancia biológica destacan la ribosa, la desoxirribosa y la ribulosa. Unidad 3 Los glúcidos ●​ Ribosa.

Es una aldopentosa que forma parte del ARN y de numerosos nucleótidos, como el ATP. Su derivado ribosa-5-fosfato participa en la vía de las pentosas fosfato y es precursor en la síntesis de nucleótidos. ●​ 2-desoxirribosa. Es una pentosa derivada de la ribosa que forma parte del ADN. Se diferencia de la ribosa porque carece de un átomo de oxígeno en el carbono 2. ●​ Ribulosa. Es una cetopentosa cuyos derivados tienen gran importancia metabólica. La ribulosa-5-fosfato participa en la vía de las pentosas fosfato y la ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP) interviene en la fijación del CO₂ durante el ciclo de Calvin. Hexosas Son monosacáridos formados por seis átomos de carbono.

Entre las de mayor importancia biológica se encuentran la glucosa, la fructosa y la galactosa. ●​ Glucosa. Es una aldohexosa y el monosacárido de mayor importancia energética. Constituye uno de los principales combustibles de las células y es el punto de partida de rutas metabólicas como la glucólisis. También forma parte de numerosos disacáridos y polisacáridos, como maltosa, lactosa, sacarosa, almidón, glucógeno y celulosa. ●​ Fructosa. Es una cetohexosa presente, entre otros alimentos, en frutas y miel. Forma parte Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.9 BLOQUE I.

Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos de la sacarosa y puede incorporarse al metabolismo energético tras transformarse en intermediarios de la glucólisis. ●​ Galactosa. Es una aldohexosa. Forma parte de la lactosa y de diferentes glucolípidos y glucoproteínas. Puede transformarse en derivados que se incorporan al metabolismo de la glucosa. Conexión con metabolismo: muchos de estos monosacáridos volverán a aparecer en unidades posteriores. Sus derivados participan en rutas como la glucólisis y el ciclo de Calvin, lo que pone de manifiesto la estrecha relación entre las distintas rutas del metabolismo celular. 3. Enlace O-glucosídico.

Disacáridos y polisacáridos El enlace O-glucosídico es el enlace covalente característico mediante el que se unen monosacáridos entre sí. Se forma por una reacción de condensación entre el grupo -OH del carbono anomérico de un monosacárido y un grupo -OH de otro monosacárido, con liberación de una molécula de agua. La reacción inversa se denomina hidrólisis, y permite romper el enlace O-glucosídico mediante la incorporación de una molécula de agua. Nomenclatura del enlace O-glucosídico Los enlaces O-glucosídicos se nombran indicando: ●​ la configuración α o β del carbono anomérico que participa en el enlace; ●​ los números de los carbonos unidos.

Por ejemplo: α(1→4) indica que el carbono anomérico C1 de un monosacárido en configuración α se une al grupo -OH del C4 del segundo monosacárido. Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.10 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos Tipos de enlaces O-glucosídicos según la participación de los carbonos anoméricos ●​ Enlace monocarbonílico: participa el carbono anomérico de uno de los monosacáridos, mientras que el carbono anomérico del otro queda libre. Al quedar un carbono anomérico libre, el disacárido resultante conserva poder reductor. El extremo de la cadena que contiene el carbono anomérico libre se conoce como extremo reductor.

●​ Enlace dicarbonílico: participan los carbonos anoméricos de ambos monosacáridos. Al no quedar ningún carbono anomérico libre, el disacárido resultante no presenta poder reductor. Oligosacáridos y disacáridos Los oligosacáridos son glúcidos formados por la unión de un pequeño número de monosacáridos mediante enlaces O-glucosídicos. Los más sencillos son los disacáridos, constituidos por dos monosacáridos. Muchos oligosacáridos se encuentran unidos covalentemente a proteínas o lípidos, formando glucoproteínas y glucolípidos.

Estas moléculas son especialmente abundantes en la superficie celular, donde los oligosacáridos intervienen en procesos de reconocimiento, comunicación y señalización entre células. En las glucoproteínas también aparecen en la matriz extracelular, la sangre y determinados orgánulos celulares. (Importante: los oligosacáridos asociados a proteínas y lípidos se estudiarán con más detalle en el apartado 4). Los disacáridos son oligosacáridos formados por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace O-glucosídico. Su hidrólisis rompe este enlace y libera los monosacáridos que los constituyen. Los de mayor importancia biológica son: maltosa, lactosa, celobiosa y sacarosa.

Maltosa Está formada por dos moléculas de glucosa unidas mediante un enlace O-glucosídico α(1→4). Es un producto de la hidrólisis del almidón y posteriormente puede hidrolizarse originando dos moléculas de glucosa. Al quedar libre el carbono anomérico de la segunda glucosa, presenta poder reductor. Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.11 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos Lactosa Está formada por galactosa y glucosa unidas mediante un enlace O-glucosídico β(1→4). Es el principal disacárido de la leche y su hidrólisis libera glucosa y galactosa. Presenta poder reductor, ya que queda libre uno de sus carbonos anoméricos.

Celobiosa Está formada por dos moléculas de glucosa unidas mediante un enlace O-glucosídico β(1→4). Se obtiene durante la hidrólisis de la celulosa y constituye su unidad estructural repetitiva. Presenta poder reductor porque queda libre uno de los carbonos anoméricos. Sacarosa Está formada por glucosa y fructosa, unidas mediante un enlace O-glucosídico α(1→2)β entre sus dos carbonos anoméricos: el C1 de la glucosa y el C2 de la fructosa. Es el denominado azúcar común o de mesa y su hidrólisis origina glucosa y fructosa. No presenta poder reductor, porque ambos carbonos anoméricos participan en el enlace y ninguno queda libre. Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.12 ​ BLOQUE I.

Las biomoléculas​ Los glúcidos Disacárido Monosacáridos que lo forman Tipo de enlace O-glucosídico Tipo de enlace ¿Poder reductor? Importancia biológica / dónde se encuentra Maltosa Glucosa + glucosa α(1→4) Monocarbonílico Sí Se obtiene en la hidrólisis del almidón. Lactosa Galactosa + glucosa β(1→4) Monocarbonílico Sí Es el azúcar característico de la leche. Celobiosa Glucosa + glucosa β(1→4) Monocarbonílico Sí Se obtiene en la hidrólisis de la celulosa. Sacarosa Glucosa + fructosa α(1→2) Dicarbonílico No Es el azúcar común o azúcar de mesa; muy abundante en vegetales.

Los polisacáridos Los polisacáridos son glúcidos formados por la unión de un gran número de monosacáridos mediante enlaces O-glucosídicos. Son macromoléculas de elevada masa molecular y desempeñan principalmente funciones de reserva energética y estructural. . ●​ Propiedades generales En comparación con los monosacáridos y disacáridos, los polisacáridos presentan generalmente las siguientes características: ○​ No tienen sabor dulce. ○​ No son cristalizables. ○​ Son insolubles en agua (celulosa) o forman dispersiones coloidales. ○​ No poseen carácter reductor o es casi nulo. ○​ Poseen una elevada masa molecular. ●​ Clasificación.

Según los monosacáridos que los forman, se distinguen: ➢​ Homopolisacáridos: están constituidos por un único tipo de monosacárido o derivado. Entre los principales se encuentran almidón, glucógeno, celulosa y quitina. ➢​ Heteropolisacáridos: están formados por más de un tipo de monosacárido o derivado. Entre ellos se encuentran, por ejemplo, algunas pectinas, hemicelulosas y componentes de la matriz extracelular.

También existe una segunda clasificación según su función: Función principal Polisacáridos que estudiaremos Reserva energética Almidón y glucógeno Estructural Celulosa y quitina Idea clave: los polisacáridos de reserva que estudiaremos presentan principalmente enlaces α, mientras que los polisacáridos estructurales presentan enlaces β. El tipo de enlace condiciona la estructura tridimensional de la molécula y, por tanto, su función biológica. Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.13 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos Almidón El almidón es el principal polisacárido de reserva energética de los vegetales.

Está formado exclusivamente por moléculas de α-D-glucosa y se acumula principalmente en los plastos en forma de gránulos. En realidad, el almidón está constituido por dos polisacáridos diferentes: amilosa y amilopectina ■​ La amilosa es un polímero lineal de la α-D-glucosa con enlaces O-glucosídicos α(1 4). Debido a este tipo de enlace, la cadena adopta una disposición helicoidal. ■​ La amilopectina también está formada por α-D-glucosa con enlaces O-glucosídicos α(1 4) pero, a diferencia de la anterior, posee ramificaciones originadas por enlaces α(1 6). Por ello, su estructura es ramificada.

El almidón constituye una sustancia adecuada de reserva porque permite almacenar una gran cantidad de glucosa de forma compacta y con escaso efecto osmótico. Cuando la planta necesita movilizar esta reserva, el almidón puede ser hidrolizado enzimáticamente: las amilasas actúan sobre los enlaces α(1→4), mientras que otras enzimas actúan sobre los enlaces α(1→6) de las ramificaciones. Relación estructura-función: su estructura permite almacenar numerosas moléculas de glucosa sin mantenerlas libres en el citoplasma y, al mismo tiempo, recuperarlas mediante hidrólisis cuando son necesarias para el metabolismo energético.

El almidón puede identificarse experimentalmente mediante Lugol, que produce una coloración oscura característica. Glucógeno El glucógeno es el principal polisacárido de reserva energética de los animales. Está formado por unidades de α-D-glucosa unidas principalmente mediante enlaces α(1→4), con ramificaciones mediante enlaces α(1→6). Su estructura es semejante a la de la amilopectina, pero presenta un mayor grado de ramificación. En los animales se almacena principalmente en el hígado y el músculo Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.14 BLOQUE I.

Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos Al igual que el almidón, su carácter polimérico permite almacenar numerosas unidades de glucosa con un reducido efecto osmótico. Además, su elevado grado de ramificación facilita la movilización rápida de la reserva, ya que proporciona numerosos extremos de cadena sobre los que pueden actuar simultáneamente las enzimas. Celulosa La celulosa es el principal polisacárido estructural de la pared celular vegetal. Está formada por numerosas unidades de β-D-glucosa unidas mediante enlaces O-glucosídicos β(1→4). Las cadenas son lineales y se disponen en paralelo, estableciendo entre ellas numerosos puentes de hidrógeno, lo que origina microfibrillas muy resistentes.

Organización de la celulosa. Las unidades de β-D-glucosa se unen mediante enlaces β(1→4), formando cadenas lineales. Varias cadenas se asocian mediante puentes de hidrógeno, originando estructuras resistentes que constituyen las fibras de celulosa. Esa estructura explica su función: aporta rigidez y resistencia mecánica a la pared celular y ayuda a limitar la expansión excesiva de la célula por entrada de agua. Relación estructura-función: los enlaces β(1→4) originan cadenas lineales que pueden asociarse mediante puentes de hidrógeno, formando estructuras resistentes adecuadas para una función estructural.

Los seres humanos no poseemos celulasas, por lo que no podemos hidrolizar los enlaces β(1→4) de la celulosa. Por ello, no constituye una fuente directa de glucosa para nosotros, aunque sí tiene importancia como fibra alimentaria. Quitina La quitina es un polisacárido estructural presente en el exoesqueleto de los artrópodos (en algunos, como los crustáceos, impregnados de CaCO3 que les confiere una gran dureza) y en la pared celular de muchos hongos. Estructuralmente es un polímero de un derivado de la D-glucosa, la N-acetil-D-glucosamina en uniones β(1→4) que forma fibras que se disponen de un modo parecido a la celulosa. Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.15 BLOQUE I.

Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos Heteropolisacáridos Los heteropolisacáridos son polisacáridos formados por más de un tipo de monosacárido o derivado. Desempeñan principalmente funciones estructurales, protectoras o de soporte. Entre ellos destacan: ●​ Pectinas: componentes de la pared celular vegetal; tienen gran capacidad gelificante y se utilizan, por ejemplo, en la elaboración de mermeladas. ●​ Agar: polisacárido obtenido de algas rojas, muy hidrófilo, empleado en microbiología como componente de medios de cultivo y en la industria alimentaria como espesante.

●​ Goma arábiga: polisacárido vegetal de carácter viscoso, utilizado por algunas plantas para sellar heridas y con aplicaciones como espesante o adhesivo. A diferencia de los homopolisacáridos, su estructura puede ser muy diversa, tanto en los monómeros que los forman como en los tipos de enlace que presentan. 4. Asociación de glúcidos con otras moléculas Los glúcidos pueden unirse covalentemente a otras moléculas, como proteínas o lípidos, originando moléculas complejas (heterósidos) con importantes funciones biológicas. Glucoproteínas Son moléculas formadas por una proteína unida a uno o varios oligosacáridos.

Se localizan, entre otros lugares, en la membrana plasmática, la matriz extracelular y la sangre. Participan en funciones como el reconocimiento celular, la comunicación entre células y la respuesta inmunitaria. Ejemplos: numerosas proteínas de membrana e inmunoglobulinas. Glucolípidos Son moléculas formadas por un lípido unido a un oligosacárido. Se encuentran principalmente en la cara externa de la membrana plasmática y participan en el reconocimiento y comunicación celular. Idea clave: los oligosacáridos de glucoproteínas y glucolípidos actúan como una especie de “etiqueta molecular”, permitiendo que las células se reconozcan e interaccionen entre sí.

Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.16 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos Proteoglucanos Son moléculas formadas por una proteína asociada a largas cadenas glucídicas. Son componentes importantes de la matriz extracelular, especialmente en tejidos conjuntivos y cartilaginosos. Peptidoglucano El peptidoglucano es un componente estructural de la pared celular bacteriana, formado por cadenas de derivados de monosacáridos entrecruzadas mediante pequeños péptidos. 5. Identificación experimental de glúcidos Algunas biomoléculas pueden identificarse mediante ensayos sencillos que producen cambios de color característicos.

En el caso de los glúcidos, los ensayos más importantes son el de Benedict, para detectar glúcidos reductores, y el de Lugol, para detectar almidón. Ensayo de Benedict El reactivo de Benedict permite detectar azúcares reductores, es decir, glúcidos que poseen un carbono anomérico libre y pueden actuar como agentes reductores. El reactivo es inicialmente azul. Tras calentarlo en presencia de un azúcar reductor, puede aparecer una coloración que va desde verde, amarillo o naranja hasta rojo ladrillo, según la cantidad de azúcar reductor presente.

Por tanto: Resultado Interpretación Permanece azul No se detectan glúcidos reductores Cambia a verde, amarillo, naranja o rojo Presencia de glúcidos reductores Los monosacáridos presentan poder reductor. Entre los disacáridos estudiados, maltosa, lactosa y celobiosa son reductores porque conservan un carbono anomérico libre, mientras que la sacarosa no es reductora porque sus dos carbonos anoméricos participan en el enlace O-glucosídico. Ejemplo equivalente: reacción de Fehling. El reactivo de Fehling, al igual que el de Benedict, se utiliza para detectar azúcares reductores y se basa en el mismo principio general.

En ambos casos, el azúcar reductor se oxida y provoca la reducción de los iones Cu²⁺, de color azul, a Cu⁺, que forman un precipitado de óxido de cobre(I) (Cu₂O) de color rojizo. Resultado positivo: el color azul inicial desaparece y aparece una coloración o precipitado anaranjado-rojo, indicando la presencia de un azúcar reductor. Cu²⁺ (azul) → Cu⁺ → Cu₂O (precipitado rojo) Ensayo de Lugol El Lugol permite detectar la presencia de almidón. El reactivo presenta inicialmente una coloración amarillenta o parda. En presencia de almidón aparece una coloración azul oscuro o negro-azulada. Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.17 BLOQUE I.

Las biomoléculas​ ​ Los glúcidos Resultado Interpretación Color amarillento/pardo No se detecta almidón Color azul oscuro/negro-azulado Presencia de almidón 6. Glúcidos y salud Los glúcidos constituyen una de las principales fuentes de energía de la dieta. Su consumo debe formar parte de una alimentación equilibrada, junto con lípidos y proteínas, de manera que el aporte energético se ajuste a las necesidades del organismo. Consumo insuficiente de glúcidos Una ingesta insuficiente de glúcidos puede provocar una disminución de la disponibilidad de glucosa para las células. Un ejemplo es la hipoglucemia, caracterizada por una disminución de la concentración de glucosa en sangre.

La glucosa es especialmente importante para tejidos con elevada demanda energética, por lo que una hipoglucemia puede producir síntomas como debilidad, mareo, dificultad de concentración o alteraciones neurológicas si es intensa. Consumo excesivo de glúcidos Un consumo energético excesivo mantenido, especialmente cuando supera las necesidades del organismo, puede favorecer el almacenamiento de energía en forma de grasa y contribuir al desarrollo de sobrepeso y obesidad. Un consumo excesivo y mantenido de determinados glúcidos, especialmente dentro de patrones dietéticos poco saludables, se relaciona con un mayor riesgo de desarrollar diabetes mellitus tipo 2.

Importancia de una alimentación equilibrada Una alimentación saludable debe aportar glúcidos en cantidad adecuada y priorizar alimentos ricos en glúcidos complejos y fibra, como cereales integrales, legumbres, frutas y verduras, limitando el consumo habitual de productos con grandes cantidades de azúcares libres o añadidos. La dieta mediterránea constituye un ejemplo de patrón alimentario equilibrado, basado en una elevada presencia de alimentos vegetales, legumbres, cereales, frutas y verduras, junto con un consumo moderado de otros alimentos. Idea clave: Ni todos los glúcidos tienen el mismo efecto sobre la salud ni su consumo debe evitarse.

Lo importante es la cantidad total, el tipo de glúcido, los alimentos que los contienen y el equilibrio global de la dieta. Rafael Fernández Fernández ​ ​ 3.18 ​ BLOQUE A. Las biomoléculas​ Los bioelementos y las biomoléculas LOS BIOELEMENTOS Y LAS BIOMOLÉCULAS UNIDAD 1 1.​ Los componentes químicos de los seres vivos 2.​ Los bioelementos ​ 2.1. Bioelementos primarios ​ 2.2. Bioelementos secundarios 2.3. Oligoelementos 3.​ Las biomoléculas o principios inmediatos ​ 3.1. Clasificación ​ 3.2. Funciones principales Conceptos básicos: bioelemento, biomolécula, bioelementos más importantes, propiedades físico-químicas del átomo de Carbono, 1.

Los componentes químicos de los seres vivos ​ La definición de ser vivo es difícil y aventurada, por cuanto depende de los progresos de la ciencia biológica. No obstante, se puede definir como un organismo con una composición química definida, constituido por una o más células que cumple las tres funciones vitales, es decir, se nutre, se relaciona y se reproduce. ​ Pero, ¿qué quiere decir que posee una composición química definida? Un ser vivo está compuesto por un restringido conjunto de elementos químicos pertenecientes a la tabla periódica, por lo que no hay elementos especiales o distintos a los que se encuentran en las moléculas que conforman la materia general del universo.

No son, por tanto, elementos químicos exclusivos de los seres vivos. En la siguiente imagen se muestran los elementos químicos químicos de la tabla periódica que se pueden encontrar principalmente en los seres vivos en orden de abundancia (rojo ≃96%, naranja ≃3,3%, verde ≃ 0,1%, ). Como se puede observar en la tabla, solamente seis de ellos, carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S), constituyen más del 96% del peso de la materia viva. Esta composición, difiere notablemente de la que posee la corteza terrestre, en la que el oxígeno (O), el silicio (Si), el Aluminio (Al) y el hierro (Fe) son los elementos más abundantes.

A continuación, se muestra la comparativa en la composición y proporción de elementos químicos entre la geosfera, la biosfera, la hidrosfera y la atmósfera. Rafael Fernández Fernández​ 1.1 BLOQUE A. Las biomoléculas​ ​ Los bioelementos y las biomoléculas ABUNDANCIA RELATIVA DE LOS BIOELEMENTOS 2. Los bioelementos ​ Se denominan elementos biogénicos o bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos. En la actualidad se han identificado unos 70, pero no todos son indispensables o comunes a todos los seres vivos. Se pueden clasificar atendiendo a su abundancia y su necesidad en: ​ Rafael Fernández Fernández​ 1.2 ​ BLOQUE A.

Las biomoléculas​ Los bioelementos y las biomoléculas 2.1. Bioelementos primarios Son los componentes esenciales de los seres vivos que se encuentran en mayor proporción (en torno al 96,2%), estando presentes en todas las biomoléculas o moléculas orgánicas. Son C, H, O, N y en menor proporción el P y S. Las principales razones de la abundancia del C, H, O, N, S y P en los seres vivos se fundamentan en sus propiedades físico-químicas, que se pueden resumir en las siguientes: ●​ Son fácilmente incorporados a la biosfera desde las otras capas terrestres (litosfera, atmósfera e hidrosfera).

Este hecho asegura el intercambio constante de materia entre los organismos vivos y su medio ambiente (se conocen como los ciclos biogeoquímicos). Bioelemento Ejemplo de formas de incorporación a la materia viva C ●​ A través del CO2 atmosférico (fotosíntesis). ●​ A través de algunas sustancias disueltas en agua (bicarbonato). H ●​ A través del H2O de la hidrosfera. O ●​ A través del CO2 atmosférico (fotosíntesis). ●​ A través del O2 atmosférico (respiración). ●​ A través del H2O de la hidrosfera. N ●​ A través del N2 atmosférico (fijación). ●​ A través de algunas sustancias disueltas en agua (nitratos). S ●​ A través de algunas sustancias disueltas en agua (sulfatos).

P ●​ A través de algunas sustancias disueltas en agua (fosfatos). Rafael Fernández Fernández​ 1.3 BLOQUE A. Las biomoléculas​ ​ Los bioelementos y las biomoléculas ●​ Tienen pequeño tamaño, ya que poseen un número atómico bajo, por lo que al combinarse entre sí forman enlaces covalentes muy resistentes, originando moléculas muy estables. El carbono, nitrógeno y oxígeno, pueden compartir más de un par de electrones, formando enlaces dobles y triples, lo cual les dota de una gran versatilidad para el enlace químico. RECUERDA: El enlace covalente se forma al compartir un par de electrones entre dos átomos, uno procedente de cada átomo.

El par de electrones compartido es común a ambos átomos y los mantiene unidos, de manera que ambos adquieren la estructura electrónica de gas noble. De esta manera se forman moléculas como el CO2 o el Cl2. ●​ Dado que el oxígeno, el nitrógeno, el azufre y el fósforo son elementos electronegativos, muchas biomoléculas son polares y, por ello, solubles en agua, requisito imprescindible para que tengan lugar las reacciones biológicas fundamentales de la actividad vital. En la figura se muestra cómo varía la electronegatividad de los diferentes elementos químicos dentro de la tabla periódica, según Pauling.

La electronegatividad es la tendencia o capacidad de un átomo, en una molécula, para atraer hacia sí los electrones. Como se puede observar, el O y el N muestran unos valores muy elevados de electronegatividad. En el caso del oxígeno, puede generar polos eléctricos. Cuando el O, el N, el S o el P establecen enlaces covalentes con el hidrógeno o entre sí, forman moléculas dipolares, como es el caso del agua. ●​ De entre todos los bioelementos primarios, el carbono desempeña un papel fundamental al presentar las siguientes características físico-químicas: ○​ El átomo de carbono (C) posee cuatro orbitales con electrones desapareados que se disponen en una estructura tetraédrica.

La existencia de estos electrones hace posible la formación de hasta cuatro enlaces covalentes muy estables con otros átomos. Rafael Fernández Fernández​ 1.4 BLOQUE A. Las biomoléculas​ ​ Los bioelementos y las biomoléculas ○​ Tiene una gran facilidad para formar cadenas de C unidos por enlaces simples (comparten dos electrones), dobles (comparten cuatro) o triples (comparten seis electrones). En la figura, se muestran las diferentes formas en las que se pueden representar estos tipos de enlaces covalentes.

Esta propiedad permite que los átomos de C se organicen formando largas cadenas carbonadas constituyendo estructuras tridimensionales complejas (macromoléculas), como las que se muestran a continuación. 1. Cadena lineal formadas por enlaces simples (saturada). 2. Cadena lineal formadas por enlaces simples y algunos dobles (insaturada). 3. Cadena lineal ramificada. 4 y 5. Cadenas cíclicas (cerradas) mixtas formadas por átomos de C y de otro tipo. Esta conformación espacial tiene un papel fundamental en la actividad biológica de las moléculas.

​ ○​ Las combinaciones del carbono con otros elementos, como el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, etc., permiten la aparición de una gran variedad de grupos funcionales que dan lugar a las diferentes familias de sustancias orgánicas. Estos presentan características físicas y químicas diferentes, y dan a las moléculas orgánicas propiedades específicas, lo que aumenta las posibilidades de creación de nuevas moléculas orgánicas por reacción entre los diferentes grupos.

Principales grupos funcionales de las moléculas orgánicas Grupos polares (solubles en agua o hidrófilos) Grupos no polares (hidrófobos o insolubles en agua) Carboxilo (- COOH) Radical alquílico (- CH2 - R) Hidroxilo o alcohol (- OH) Radical etilénico (- CH = R) Carbonilo (>C=O) Radical fenilo (- C6H5) Amino -C-NH2 Sulfhidrilo -C-SH Rafael Fernández Fernández​ 1.5 BLOQUE A. Las biomoléculas​ ​ Los bioelementos y las biomoléculas Representación de los principales grupos funcionales polares presentes en las moléculas orgánicas. 2.2.

Bioelementos secundarios Son los bioelementos que se encuentran en torno al 3% y son de vital importancia al desempeñar muchas funciones biológicas importantes dentro de la fisiología celular. Se encuentran en todos los seres vivos y son el calcio (Ca), el magnesio (Mg), el sodio (Na), el cloro (Cl) y el potasio (K), que se encuentran en forma iónica. ●​ El Ca puede encontrarse formando parte de los huesos, conchas, caparazones, o como elemento indispensable para la contracción muscular o la formación del tubo polínico.

●​ El Na y el K son esenciales para la transmisión del impulso nervioso, junto con el Cl, contribuyen al mantenimiento de la cantidad de agua en los seres vivos, así como a mantener el equilibrio iónico de las membranas plasmáticas. ●​ El Mg forma parte de la estructura de la molécula de la clorofila y de muchas enzimas. 2.3. Oligoelementos Se encuentran en una proporción variable menor del 0,1%. Se han identificado alrededor de 60, pero sólo 14 son esenciales para la vida: hierro (Fe), manganeso (Mn), cobre (Cu), cinc (Zn), flúor (F), yodo (I), boro (B), silicio (Si), vanadio (V), cobalto (Co), cromo (Cr), selenio (Se), molibdeno (Mo) y estaño (Sn).

A continuación, se muestran algunos ejemplos. ●​ El Fe es fundamental para la síntesis de clorofila, catalizador en reacciones químicas y formando parte de citocromos que intervienen en la respiración celular, y en la hemoglobina que interviene en el transporte de oxígeno. ●​ El Mn interviene en la fotólisis del agua, durante el proceso de fotosíntesis en las plantas. ●​ El I es necesario para la síntesis de la tiroxina, hormona que interviene en el metabolismo. Rafael Fernández Fernández​ 1.6 BLOQUE A. Las biomoléculas​ ​ Los bioelementos y las biomoléculas ●​ El F forma parte del esmalte dentario y de los huesos.

●​ El Co forma parte de la vitamina B12, necesaria para la síntesis de hemoglobina. ●​ El Si proporciona resistencia al tejido conjuntivo, endurece tejidos vegetales como en las gramíneas. ●​ El Cr interviene junto a la insulina en la regulación de glucosa en sangre. ●​ El Zn actúa como catalizador en muchas reacciones del organismo. ●​ El Mo forma parte de las enzimas vegetales que actúan en la reducción de los nitratos por parte de las plantas. 3. Las biomoléculas o principios inmediatos ​ Son las moléculas que se encuentran en los seres vivos y que están constituidas por combinación de los bioelementos.

Las biomoléculas, para poder ser estudiadas, deben ser extraídas de los seres vivos mediante procedimientos físicos, nunca químicos, ya que si así fuera, su estructura molecular se alteraría. Los procedimientos físicos son la filtración, la diálisis, la cristalización, la centrifugación, la cromatografía y la electroforesis. 3.1. Clasificación De forma general se pueden clasificar atendiendo a su naturaleza química en biomoléculas orgánicas e inorgánicas. ●​ Biomoléculas inorgánicas: se encuentran tanto en los seres vivos como en la materia inerte, por tanto, no son exclusivas de la materia viva. Entre ellas, se encuentran el agua y las sales minerales.

También se podrían incluir el dióxido de carbono, el oxígeno, el nitrógeno gaseoso, etc. ●​ Biomoléculas orgánicas: se encuentran exclusivamente en los seres vivos o en sus restos. Están formados por cadenas de átomos de carbono. Entre ellas, se encuentran los glúcidos o hidratos de carbono, los lípidos o grasas, las proteínas y los ácidos nucleicos. Rafael Fernández Fernández​ 1.7 BLOQUE A. Las biomoléculas​ ​ Los bioelementos y las biomoléculas 3.2.

Principales funciones Biomoléculas Funciones biológicas principales Sales minerales ●​Función estructural: algunos fosfatos o carbonatos, forman estructuras de protección y sostén como los esqueletos internos de vertebrados y los caparazones o conchas de invertebrados. ●​Función reguladora: algunas sales iónicas regulan gran cantidad de procesos fisiológicos, como la contracción muscular, la transmisión del impulso nervioso, etc. Agua ●​Función reguladora: algunas sales iónicas regulan gran cantidad de procesos fisiológicos, como la contracción muscular, la transmisión del impulso nervioso, funciones osmóticas, regulación del pH etc.

Glúcidos ●​Función estructural: algunos azúcares forman parte de los ácidos nucleicos, otros forman parte de estructuras protectoras, como la quitina (del exoesqueleto de insectos) o la celulosa (de las plantas). ●​Función energética: almacenan energía a corto plazo (azúcares) o a medio plazo (como almidón o glucógeno). Lípidos ●​Función estructural: forman las membranas celulares, otros pueden formar estructuras de revestimiento de frutos o tegumentos de animales, etc. ●​Función energética: actúan como reserva de energía a largo plazo. ●​Otras funciones: aislantes térmicos, amortiguadores mecánicos, etc.

Proteínas ●​Función estructural: forman estructuras capaces de soportar gran tensión continuada, como un tendón o el armazón proteico de un hueso o un cartílago. ●​Función energética: algunas proteínas grandes, generalmente con grupos fosfato, sirven para acumular y producir energía, si se necesita. ●​Movimiento y contracción: la actina y la miosina forman estructuras que producen movimiento. Mueven los músculos estriados y lisos. La actina genera movimiento de contracción en muchos tipos de células animales. ●​Transporte: algunas proteínas tienen la capacidad de transportar sustancias, como oxígeno o lípidos, o electrones.

●​Función homeostática: consiste en regular las constantes del medio interno, tales como pH o cantidad de agua. ●​Función defensiva: las inmunoglobulinas son proteínas producidas por linfocitos B, e implicadas en la defensa del organismo. ●​Función hormonal: algunas proteínas funcionan como mensajeros de señales hormonales, generando una respuesta en los órganos blanco. ●​Función enzimática: las enzimas funcionan como biocatalizadores, ya que controlan las reacciones metabólicas, disminuyendo la energía de activación de estas reacciones. Ácidos nucleicos ●​Función reguladora: contienen la información genética. Inorgánicas Orgánicas Rafael Fernández Fernández​ 1.8 ​ BLOQUE I.

Las biomoléculas​ El agua y las sales minerales UNIDAD 2 EL AGUA Y LAS SALES MINERALES 1.​ El agua 1.1. Estructura 1.2. Propiedades físico-químicas 1.3. Funciones biológicas 1.4. Disoluciones acuosas. Difusión, ósmosis y diálisis 2.​ Las sales minerales 3.​ Agua, sales minerales y salud 3.1. Alteraciones del balance hídrico 3.2. Principales iones, funciones y posibles alteraciones 3.3.

Las analíticas bioquímicas como herramienta para estudiar el medio interno Conceptos básicos: estructura molecular y propiedades físico-químicas del agua, papel biológico del agua (disolvente, reactivo químico, termorregulador en relación con el elevado calor específico y elevado calor de vaporización, densidad y tensión superficial), disolución salina, disolvente, equilibrios osmóticos y ácido-base, sales minerales solubles e insolubles (y sus funciones). 1. El agua ​ El agua es la sustancia más abundante en los sistemas vivos, constituyendo el 70% o más del peso de la mayoría de los organismos.

Los primeros organismos vivos aparecieron en un entorno acuoso y el curso de la evolución ha sido moldeado por las propiedades del medio acuoso en que se inició la vida.

Abundancia La cantidad de agua presente en un ser vivo depende de la especie de que se trate (los organismos acuáticos contienen un porcentaje muy elevado mientras que los valores más bajos corresponden a especies adaptadas a vivir en condiciones de desecación o en zonas desérticas), la edad del individuo (en los individuos jóvenes la proporción es mayor que en los de más edad) y del tipo de tejido u órgano que consideremos, pues aquellos de gran actividad bioquímica contienen una proporción de agua mayor que los menos activos. Rafael Fernández Fernández ​ ​ 2.1 BLOQUE I.

Las biomoléculas​ ​ El agua y las sales minerales El agua se puede encontrar en la materia viva de tres formas: ●​ Agua circulante. Por ejemplo, en la sangre, en la savia, etc. ●​ Agua intersticial. La que se encuentra entre los espacios o intersticios de las células de los tejidos y órganos. ●​ Agua intracelular. Localizada en el citosol y en el interior de los orgánulos de las células. Incorporación y eliminación del agua El agua de los seres vivos se está renovando continuamente, de tal manera que existe un continuo aporte y una continua eliminación, existiendo un equilibrio entre ambos.

El aporte de agua al organismo se puede realizar de dos formas: ●​ Incorporándose del medio externo bien en forma líquida, mediante la bebida de la misma y de otros líquidos; o bien mediante la ingestión de alimentos más o menos ricos en agua. A esta agua se la llama agua exógena. ●​ Se puede obtener dentro del organismo a partir de otras moléculas orgánicas mediante diferentes reacciones metabólicas (oxidación de moléculas orgánicas). A esta agua se la llama agua endógena o agua metabólica. Por ejemplo, a partir de la oxidación de la glucosa se forma agua de la siguiente forma: El agua metabólica también puede contribuir al balance hídrico de algunos animales.

Por ejemplo, los camellos almacenan grasa en la joroba y, durante su oxidación metabólica, se produce cierta cantidad de agua. Sin embargo, su gran resistencia a la deshidratación no se debe únicamente a esta fuente de agua, sino principalmente a un conjunto de adaptaciones fisiológicas que les permiten reducir las pérdidas de agua y tolerar importantes variaciones en su estado de hidratación (producción de orina muy concentrada, reducción de las pérdidas de agua y capacidad para tolerar amplias variaciones de la temperatura corporal).

​ ​ La eliminación de agua se realiza de diversas maneras: a través de la orina, por el sudor, por la transpiración, por las heces, mediante la respiración, etc. Papel del agua en el origen y evolución de los seres vivos Muchas hipótesis sobre el origen de la vida sitúan las primeras etapas de la evolución química y biológica en medios acuosos, en los que el agua habría desempeñado un papel fundamental como disolvente y medio de reacción.

A lo largo del tiempo los organismos evolucionaron en el ambiente acuoso y más tarde consiguieron adaptarse a la vida fuera del agua, pero hasta los que la han abandonado, adaptándose totalmente al medio terrestre, no han podido prescindir de ella y mantienen un medio interno acuoso que proporciona las condiciones necesarias para la vida celular. “El agua es fundamental para la vida debido a que las propiedades físico-químicas que posee le permiten desempeñar funciones muy importantes.

Todo organismo desprovisto de ella muere, solo algunos organismos o estructuras biológicas, como determinadas esporas, quistes o semillas, pueden soportar una pérdida muy elevada de agua reduciendo intensamente su actividad metabólica”. Rafael Fernández Fernández ​ ​ 2.2 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ El agua y las sales minerales 1.1. Estructura ​ La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno y posee las siguientes características estructurales: ●​ Cada átomo de hidrógeno comparte un par electrónico con el átomo central de oxígeno (enlace covalente simple).

●​ La disposición de los cuatro pares electrónicos alrededor del oxígeno es aproximadamente tetraédrica; dos corresponden a enlaces O–H y dos a pares de electrones no enlazantes. La geometría molecular resultante es angular. ●​ El ángulo del enlace H-O-H es de 104,5º, menor que los 109,5º de un tetraedro perfecto debido a la compresión de los orbitales no enlazantes del átomo de oxígeno. ​ ●​ El núcleo del oxígeno (más electronegativo) atrae electrones más fuertemente que el núcleo de hidrógeno (un protón). Por tanto, los electrones se sitúan con más frecuencia cerca del átomo de oxígeno que del hidrógeno.

El resultado es la formación de dipolos eléctricos en la molécula de agua (confiriéndole su naturaleza dipolar), a lo largo de cada uno de los enlaces H-O; cada hidrógeno es portador de una carga parcial positiva (δ+) y el átomo de oxígeno es portador de una carga parcial negativa (δ-).

●​ Este permanente carácter dipolar del agua hace que sus moléculas puedan atraerse entre sí, estableciéndose interacciones electrostáticas llamadas puentes de hidrógeno, más débiles que los covalentes y de corta duración, pero al formarse un gran número de ellos, sus efectos determinan la mayor parte de las propiedades físicas del agua (elevada cohesión, elevada tensión superficial, elevados calor específico y de vaporización). También se pueden formar puentes de hidrógeno entre el agua y otras moléculas polares distintas. ​ Rafael Fernández Fernández ​ ​ 2.3 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ El agua y las sales minerales 1.2.

Propiedades físico-químicas ​ El agua posee las siguientes propiedades inherentes a su estructura y a las interacciones electrostáticas que establece entre sus moléculas y otras sustancias: ●​ Elevada fuerza de cohesión. Se define la cohesión molecular como la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. Los puentes de hidrógeno mantienen unidas las moléculas de agua, permitiendo la formación de columnas continuas y haciendo que el agua presente una elevada resistencia a separarse. ○​ Contribuye al mantenimiento de columnas continuas de agua en el xilema.

○​ Permite transmitir la tensión generada por la transpiración a lo largo de esa columna, participando en el ascenso de la savia bruta. ●​ Baja compresibilidad. Debido a que las moléculas de agua están muy próximas entre sí, resulta difícil reducir su volumen mediante presión. ○​ Permite que los líquidos actúen como soporte mecánico y transmitan presiones. ○​ Hace posible el funcionamiento de esqueletos hidrostáticos, como los de muchos anélidos. ○​ Contribuye al mantenimiento de la forma y volumen de estructuras llenas de líquido, como el globo ocular. ○​ Favorece la función amortiguadora de líquidos como el líquido sinovial de las articulaciones. ●​ Elevada tensión superficial.

Como se ha indicado en la propiedad anterior, en el interior de un líquido una molécula es atraída por todas las que le rodean (fuerzas de cohesión), de manera que el efecto total es nulo. Sin embargo, en la superficie las fuerzas que atraen a las moléculas hacia abajo no pueden ser neutralizadas por las moléculas superiores porque no existen. A causa de este hecho los líquidos tienden siempre a presentar la menor superficie libre posible, y así, por ejemplo, una gota adopta la forma esférica porque, a igualdad de volumen, le corresponde la mínima superficie. Esta tendencia de las superficies libres a contraerse y de oponer resistencia a romperse recibe el nombre de tensión superficial.

○​ La tensión superficial permite el desplazamiento de algunos animales sobre la superficie del agua o que otros puedan vivir asociados a la película superficial.​ Rafael Fernández Fernández ​ ​ 2.4 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ El agua y las sales minerales ●​ Elevada fuerza de adhesión. Las moléculas de agua pueden establecer interacciones con otras superficies polares, lo que favorece que el agua se adhiera a ellas. Junto con la cohesión entre sus propias moléculas, esta propiedad origina fenómenos de capilaridad, es decir, el ascenso o descenso del agua en conductos muy estrechos.

○​ En las plantas, la adhesión del agua a las paredes de los vasos del xilema contribuye a mantener la columna de agua y favorece su ascenso, aunque el transporte de la savia bruta depende fundamentalmente del mecanismo de cohesión-tensión generado por la transpiración. ​ ●​ Elevado calor específico. Se define como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julio por kilogramo y kelvin (J·kg-1·K-1); en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado (cal·g-1· ºC-1).

El agua posee un elevado calor específico ya que para elevar su temperatura es necesario aportar una cantidad considerable de energía para alterar y romper temporalmente parte de los puentes de hidrógeno existentes entre sus moléculas . ●​ Elevado calor de vaporización. Para que una molécula de agua pase al estado gaseoso es necesario aportar una elevada cantidad de energía que permita vencer las interacciones intermoleculares, especialmente los puentes de hidrógeno . ○​ Esto permite al agua actuar como un regulador ​térmico, el agua que se evapora de la superficie de un organismo (sudoración, evapotranspiración) absorbe el calor de este actuando como un regulador térmico.

​ ​ ​ ​ ​ ​ Rafael Fernández Fernández ​ ​ 2.5 BLOQUE I. Las biomoléculas​ ​ El agua y las sales minerales ●​ Densidad máxima a 4ºC. En el agua líquida a temperatura ambiente y presión atmosférica, las moléculas de agua están desorganizadas y en continuo movimiento, de forma que cada molécula forma enlaces de hidrógeno con un promedio de 3,4 moléculas solamente. Al congelarse, las moléculas de agua forman mediante puentes de hidrógeno una estructura cristalina abierta de organización aproximadamente tetraédrica, que ocupa más volumen que el agua líquida. En este caso, cada molécula de agua está fija en el espacio y forma puentes de hidrógeno con otras 4 moléculas.

○​ Esto explica que el hielo flote sobre el agua líquida formando una capa superficial termoaislante que posibilita la existencia de vida bajo el hielo en ríos, mares, lagos, etc. ​ ●​ Elevada constante dieléctrica. La constante…