La materia
orgánica está formada por moléculas fabricadas por los seres vivos. Son
moléculas hechas a base de carbono, suelen ser moléculas grandes, complejas y
muy diversas, como las proteínas, hidratos de carbono o glúcidos, grasas o
ácidos nucleicos.
La materia
inorgánica no está hecha de carbono y no son fabricadas por los seres
vivos, sino por la naturaleza (en reacciones químicas). Son moléculas pequeñas
y simples, como las sales, minerales, cloruros, etcétera.
Todos
los seres vivos estamos constituidos por una mezcla de materia orgánica e
inorgánica. Ambas son necesarias porque desempeñan un papel fundamental en
nuestra vida.
Las
plantas fabrican materia orgánica a partir de materia inorgánica, en un proceso
llamado fotosíntesis. Los animales y los hongos transformamos la materia
orgánica de las plantas para producir nuestra propia materia inorgánica. No
somos capaces de transformar materia orgánica a partir de materia inorgánica.
–
La materia inorgánica se encuentra en los minerales tales como el
agua, las sales y el dióxido de carbono.
–
La materia orgánica podemos encontrarla en raíces, animales,
organismos muertos, restos de alimentos, etc.
Tipos de materia orgánica:
Ø Los carbohidratos
Ø Los Lípidos
Ø Los aminoácidos y las
Proteínas
Ø Nucleótidos y Ácidos
Nucleicos
A
diferencia de la composición química de la corteza terrestre, la composición de
una célula viva se fundamenta en u restringido conjunto de elementos, cuyos
cuatro elementos son: el carbono C, el hidrogeno H, el oxígeno O, y el
nitrógeno N, y la suma de estos elementos constituye el 99 % de su peso, esto
ha traído como consecuencia, la aparición de una química de la vida distinta a
la química inorgánica, la química orgánica.
La
sustancia más abundante en la célula es el agua que constituye el 70 % del peso
de la célula.
La
importancia del agua viene por tres propiedades:
·
El
agua es polar
·
El
agua es capaz de formar fuerte enlaces de hidrogeno
·
El
agua posee una alta densidad superficial.
2.1. Los carbohidratos
El
carbono determina la conformación de los glúcidos, de donde procede su
nomenclatura. En un átomo puede haber de 3 a 7 carbonos. Dependiendo del número
de carbonos se llamará:
3
trilosa, 4 tetrosa, 5 pentosa, 6 hexosa, 7 heptosa.
Los
azucares según el número de moléculas que los componen pueden ser:
1
Monosacáridos, Si la cadena de sacáridos tiene de 2 a 10 Oligosacáridos
A
partir de 10 y sin límite polisacáridos.
Funciones
de los azucares:
Los azucares tienen varias funciones, pero principalmente son una gran fuente
de energía.
Funcion
estructural:Los
azucares tienen un importante papel en la conformación y estructura de las
células.
2.2 Los lípidos
Los
lípidos son un grupo general de sustancias orgánicas insolubles en agua, tienen
como función la de proporcionar energía al organismo igual que los glúcidos,
pero incluso en mayor grado.
Los
lípidos se almacenan en triglicéridos que están formados por glicerol y ácidos
grasos.
Otra
función importante de los lípidos está en la formación de membranas biológicas,
que pueden ser de dos tipos:
·
Membrana
de Fosfolípidos
·
Membrana
de esfingolípidos
·
Los
esfingolipidos son importantes en la formación de la membrana de las células
nerviosas (neuronas y glia) así como las envolturas de mielina que regulan los
axones.
En
el caso de la membrana plasmática de las células, los lípidos se disponen
formando una bicapa con las cabezas polares (hidrofilicas) dirigidas al medio
acuoso y con las colas (hidrófobas) de ácidos grasos enfrentadas entre sí.
Los
fosfolípidos y los esfingolipidos forman parte de las membranas celulares
animales y vegetales debido a su carácter antipático.
2.3. Los aminoácidos
y las proteínas
Los
aminoácidos son las unidades básicas que componen las proteínas, las cuales
están compuestas por largos polímeros encadenados (aminoácidos encadenados)
aunque existen muchas posibles combinaciones, en la formación de las proteínas,
solo se utilizan 20 aminoácidos posibles Ej. Alanina,...Todos estos aminoácidos
están unidos a través del enlace peptídico.
Proteínas: son vitales
para la conformación estructural de las células y para sus funciones
biológicas. Existe para cada proteína un segmento específico de ADN que la
codifica.
Casi
todas las reacciones químicas de las células están catalizadas por encimas.
Otra
de las funciones es que son proteínas de transporte como la hemoglobina que
transporta oxígeno, también actúan como factores nutrientes y de reserva,
también son contráctiles (tubulina, que forma los microtubulos del
citoesqueleto de las células).
Proteínas estructurales: Algunas
proteínas pueden formar filamentos, hojas o laminas para conferir fuerza o
protección a las estructuras biológicas. Las proteínas con funciones de defensa
forman parte del sistema inmunitario. Igualmente las proteínas pueden funcionar
como anticuerpos, o inmunoglobulinas y actúan defendiendo al organismo de
elementos patógenos, ya que son capaces de neutralizar o marcar, bacterias o
virus. El ejemplo lo podemos encontrar en la trombina que hace que coagule la
sangre y llega a evitar hemorragias.Otras proteínas son las reguladoras que
pueden ser hormonas como la insulina, que es considerada como la más común y se
encarga de regular los niveles de azúcar en la sangre. Otro tipo de proteínas
reguladoras son las proteínas G que intervienen en los mecanismos de
neurotransmisores.
Estructura
de las proteínas
Las
proteínas formadas por la unión de distintos aminoácidos a través del enlace peptídico, tendrán
las características que le confieran los aminoácidos que las forman. Las proteínas formadas
por distintos aminoácidos son DISTINTAS. De modo que la
estructura primaria de la proteína vendrá dada por secuencia su secuencia de aminoácidos.
Conforme
se van sintetizando proteínas, estas tienden a enrollarse, ya que los extremos,
los residuos de los aminoácidos son hidrófobos y tienden a quedar agrupados en
la parte interna de la proteína.
Estructura secundaria: Se forma en hélice o
placas dejando fuera los residuos.
Estructura terciaria: Viene a ser como
dos secundarias unidas con dos materiales diferentes, como un ovillo
de lana hecho con dos hilos de diferentes colores.
Estructura cuaternaria: Es una proteína formada
por dos unidades diferentes, es exactamente como el acoplamiento de dos
unidades terciarias.
Tipos
de proteínas
·
Fibrosas
o no activas: ej. : el colágeno o la tubulina que sirven de
andamiaje, estructura o esqueleto para las células.
·
Globulares
o activas: son las que realizan las actividades catalíticas (reacciones
químicas).
Las
proteínas pueden estar formadas únicamente por la unión de los aminoácidos o
bien llevar acoplada otra sustancia (glúcido, lípido, metal) en este caso se
denominan heteoproteinas y el elemento añadido es fundamental para su
funcionamiento: ej. : lipoproteina, que puede unir a otro lípido y
transportarlo de un lugar a otro.
Las
proteínas pueden ser sencillas o conjugadas, según la proteína este formada
solo por la cadena de aminoácidos, o lleve algo más, será una proteína sencilla
o conjugada. Estas proteínas sencillas pueden ser fibrosas o globulares lo que
se le añade a las sencillas para que sean globulares, se llama grupo prostético.
2.4. ÁCIDOS NUCLEICOS Y
NUCLEOTIDOS
Antes
del descubrimiento de la estructura de la doble hélice del ADN ya se habían
realizado algunos experimentos que mostraban que los responsables de la
transmisión de la información genética eran los ácidos nucleicos.
En
1952 Chasse demostró que los virus hijos llevaban el marcador que se le había
inyectado al ADN de los padres y ninguno poseía el marcador asociado con la
cubierta prostetica de los virus padres.
Los
ácidos nucleicos el ADN y el ARN son los responsables de la información
genética. Los ácidos nucleicos están formados por cadenas de nucleótidos y un nucleótido
está compuesto por una base microgenada, un grupo d fosfato y aun azúcar. Y
dependiendo del azúcar que lleve es un ADN o ARN. Las bases nitrogenadas pueden
ser de dos tipos:
·
Pirimicas:
Citosina, tuinina, y uracilo
·
Uricas:
Guanina o adenina
En
el ADN podemos encontrar apareamientos de tinina, cetosina con guanina.
Y
el en ARN, uracilos con adenina o citosina con guanina.
Metabolismo
de carbohidratos (CHOs): Los carbohidratos de la ración proporcionan más del
50% de la energía necesaria para el trabajo metabólico, el crecimiento, la
reparación, la secreción, la absorción, la excreción y el trabajo mecánico.
El metabolismo de CHOs incluye las reacciones que experimentan los CHOs de
orígenes alimentarios o los formados a partir de compuestos diferentes a los
CHOs. La oxidación de este tipo de glúcidos proporciona energía, se almacenan
como glucógeno, sirven para la síntesis de aminoácidos no esenciales y ante el
exceso de CHOs se favorece la síntesis de ácidos grasos. Glucólisis (Vía de
Embden-Meyerhof).
La glucólisis es un proceso común a todas las células, es la principal vía
metabólica de utilización de hexosas, principalmente glucosa pero también
directamente de la fructosa y de la galactosa. El conjunto de las reacciones
permiten oxidar parcialmente la glucosa para formar piruvato con el objeto de liberar energía para sintetizar ATP. Esta vía se desarrolla totalmente en el
citoplasma celular en condiciones anaeróbicas o aeróbicas.
En condiciones anaerobias se producirán y en condiciones aerobias se generaran
que entrarán al Ciclo de Krebs.
El ciclo de Krebs (ciclo del ácido tricarboxílico o del ácido cítrico). La glucólisis y el ciclo de Krebs son consideradas las vías metabólicas eje,
participan en la degradación de casi todos los componentes que la célula es
capaz de degradar y proveen el poder reductor y los materiales de construcción,
además del ATP, para todas las secuencias biosintéticas de la célula energía
para otras actividades.
El proceso general es el de metabolismo respiratorio aeróbico. En estas
condiciones, él es el último aceptor de energía, los átomos de C de la glucosa
(u otro sustrato) se oxidan por completo a y , la energía se conserva, la
producción de ATP es 20 veces más importante en comparación de las condiciones
anaeróbicas.
En este ciclo se pueden mencionar dos procesos separados pero relacionados:
1) El metabolismo oxidativo, hay remoción de electrones de sustancias orgánicas
y transferencia a coenzimas.
2) Hay reoxidación de las coenzimas a través de la transferencia de electrones
al acompañada directamente de la generación de ATP.
En anaerobiosis, la glucólisis es la fase inicial del catabolismo de la
glucosa. Los otros componentes del metabolismo de respiración son el ciclo de
Krebs (continuación de la oxidación del piruvato), la cadena de transporte de
electrones y la fosforilación oxidativa de ADP a ATP a través de un gradiente de
protones generado en el transporte de electrones. El proceso completo genera de
36 a 38 moléculas de ATP/mol de glucosa, en cada vuelta del ciclo de Krebs entran dos
moles de acetil CoA y se liberán 2 carbonos () lo que regenera la molécula de
oxaloacetato (OAA). La serie de eventos de la descarboxilación oxidativa del piruvato para producir
acetil CoA es catalizada por el complejo de la piruvato deshidrogenasa
(localizado en la mitocondria).
El primer paso del ciclo de Krebs es catalizado por el enzima citrato
sintasa. El resumen del proceso es:
Pueden
considerarse dos fases dentro de esta vía:
.
1) La primera parte o fase preparativa, la glucosa es activada y para ello se
emplean dos ATP.
Los
enzimas hexocinasa y glucosinasa son responsables de la conversión de glucosa a
glucosa 6-P.
La
hexocinasa se encuentra en todos los tejidos, tiene una gran afinidad por la
glucosa y otras hexosas, puede llevar a cabo la reacción aun a bajas
concentraciones del enzima y es inhibido por la glucosa 6-P.
El
enzima glucocinasa se localiza en el hígado y en las células β del páncreas,
tiene una baja afinidad por la glucosa, por ello es efectiva cuando la glucosa
se encuentra a elevadas concentraciones, no es inhibido por el producto y está
ausente o sus concentraciones son muy bajas en los rumiantes.
La
formación de fructosa 1, 6-bi fosfato se lleva a cabo por la fosfofructocinasa.
Este enzima está presente sólo en la glucólisis, así, constituye un sitio de
control. La adrenalina, el glucagón, aumento en los ácidos grasos libres, el
citrato, y el ATP inhiben su actividad.
2)
En la segunda parte de la glucólisis o fase productora de energía, se lleva a
cabo la generación de ATP.
El
ciclo de Krebs es sensible a la disponibilidad de su sustrato (acetil-CoA), a
los niveles acumulados de sus productos finales, NADH y ATP, así como a las
relaciones NADH/y ATP/ADP. Otros reguladores son la relación acetil-CoA/CoA
libre, acetil-CoA/succinil-CoA y citrato/oxaloacetato. La vía colateral de las
pentosas (ruta de la pentosa fosfato) Esta vía metabólica ni requiere, ni
produce ATP, se desarrolla en el citoplasma de las células de tejidos con
elevada actividad lipogenética (hígado, tejido adiposo, glándula mamaria,
cerebro en desarrollo). La molécula de glucosa 6-fosfato será transformada en y
una pentosa fosfato. Los carbonos de la pentosa se transferirán en piezas de 2
a 3 carbonos entre moléculas. Los productos finales pueden contener de 3 a 7
átomos de carbono que serán utilizadas posteriormente en la glucólisis (triosas
fosfato), en la síntesis de aminoácidos (eritrosa 4-fosfato), en la síntesis de
ácidos nucleicos, NAD, FAD, y CoA. En esta vía se genera también NADPH, esta
coenzima se utilizará para la síntesis de ácidos grasos de cadena larga, de
colesterol, la hidroxilación de ácidos grasos y esteroides, mantenimiento de la
glutatión reducido (GSSG) en los glóbulos rojos.
Glucogénesis:
Es la producción de azúcares a partir de sustancias diferentes a los
carbohidratos (lactato, aminoácidos, propionato y glicerol). Esta vía permite
tener una fuente alterna de glucosa, remover el lactato (producido por los
glóbulos rojos y el tejido muscular) de la sangre, remover el glicerol producido
por el tejido adiposo. Esta vía metabólica se activa ante la disminución de la
glucosa sanguínea, en el cerdo su activación es el ayuno: cerdo, 24 h, hombre 8
y en el pollo 2 h. En el rumiante es una vía constantemente activa. La
gluconeogénesis se encuentra bajo control hormonal (insulina, glucagon y
adrenalina).
Metabolismo de lípidos:
Los ácidos grasos (AG) son los componentes principales de los lípidos complejos
(triacilgliceroles, fosfolípidos). Los triacilgliceroles son la forma más importante
de almacenamiento de energía en los animales. Este tipo de almacenamiento presenta
sus ventajas, al oxidarse el C de los AG producen más ATP que cualquier otra
forma de C, además, los lípidos están menos hidratados que los polisacáridos,
por lo que ocupan menos espacio. Los AG se incorporan a las membranas
celulares. El principal órgano de interconversión y metabolismo de lípidos es
el hígado.
Biosíntesis de ácidos grasos:
El hígado, el tejido adiposo y la glándula
mamaria son los sitios más importantes de biosíntesis de AG. La actividad del
tejido adiposo predomina en el rumiante. Los principales sustratos para la
síntesis de AG son el acetil-CoA y el NADPH, éstos se generan en la glucólisis,
el ciclo de las pentosas y el ciclo de Krebs. El enzima citrato sintasa
convierte al acetil CoA y al OAA en citrato y de esta manera logra cruzar la
membrana mitocondrial para salir al citoplasma; el citrato es retransformado en
acetil CoA y OAA en el citosol por el enzima ATP-citrato liasa. El oxalato se
convierte en malato para regresar a la mitocondria e incorporarse al ciclo de
Krebs. El enzima málica descarboxila al malato en piruvato que puede ser
transportado a la mitocondria. Este enzima en el citosol genera NADPH,
necesario para la síntesis de AG. Los enzimas para la síntesis de AG están
organizados en un complejo multienzimático en los animales. El complejo es
llamado ácido graso sintasa que además incluye la proteína transportadora de
acilos (PTA o ACP). Sólo hay una reacción en la síntesis de AG que no ocurre en
el complejo, ésta
es la formación de malonil-CoA a partir de acetil-CoA la cual es catalizada por
la acetil-CoA carboxilasa. El complejo ácido grasa sintasa cataliza: la unión
entre el acetil-CoA y malonil-CoA, una reacción de condensación, reacciones de
reducción, de continuación, de elongación, desaturación. La síntesis de AG
produce principalmente ácido palmítico, que será el sustrato para producir una
variedad de AG.
Oxidación de los ácidos grasos:
Cuando el aporte de energía de la dieta es insuficiente, el animal responde con
la señal hormonal, que se transmite al tejido adiposo por medio de la
liberación de adrenalina, glucagon u otras hormonas. Éstas se unen a la
membrana de la célula adiposa y estimulan la síntesis del quien activará a una proteína
quinasa que fosforila y activa a la triglicérido lipasa. Los triglicéridos se hidrolizan
a diglicéridos, liberando un ácido graso del carbono 1 ó 3 del glicerol. Los
diglicéridos y los
monoglicéridos son hidrolizados rápidamente para producir ácidos grasos y
glicerol. El ácido graso no esterificado sale a la sangre y se une a la
albúmina para ser transportado a otros tejidos, y el glicerol será utilizado
por el hígado para la producción de glucosa. RCH2CH2COOH----) RCOC2COOH-----)
RCOOH + CH3COH
La β-oxidación inicia con una reacción de des hidrogenación (acil-CoA
deshidrogenasa), utilizando a FAD como coenzima. El producto de esta reacción
es un enoil-CoA y . El enoil-Coa es hidratado por la enoil-CoA hidrasa, se
produce un hidroxiacil-CoA. El grupo hidroxilo de este compuesto es oxidado por
y la hidroxiacil-CoA deshidrogenasa, se produce β-cetoacil-CoA y NADH. El
último paso es catalizado por una tiolasa, produciendo acetil-CoA y un
acil-CoA, con dos carbonos menos que el sustrato inicial. Estos pasos se
repiten hasta que en la última secuencia de reacciones el butiril-CoA es
degradado a
dos acetil-CoA. En los rumiantes, la oxidación de AG de cadena impar puede
representar tanto como el 25% de sus requerimientos de energía. La oxidación de
un AG de 17 carbonos daría por resultado 7 acetil-CoA y un propionil-CoA. El
propionil-CoA es también un producto de la degradación de valina e isoleucina.
El propionil-CoA es convertido en succinil-CoA y será utilizado en el ciclo de
Krebs.
Metabolismo de proteínas:
Las proteínas funcionan como enzimas, para formar
estructuras, pero además los aminoácidos pueden utilizarse como fuente de
energía o como sustratos para otras rutas biosintéticas. En los animales superiores, los aminoácidos provienen de la proteína de la dieta o por recambio
metabólico de proteína endógena. El exceso de aminoácidos se degrada
parcialmente para dejar esqueletos de carbono para biosíntesis o se degradan
totalmente para producir energía.
Los aminoácidos son catabolizados a través de la remoción del nitrógeno (N), a
través de dos rutas principales: la transaminación y la desaminación oxidativa.
En la transaminación, un aminoácidos dona su grupo amino al α-cetoglutarato
(ciclo de Krebs) se forma un α-cetoácido y glutamato, el coenzima utilizado es
principalmente el piridoxal fosfato. Esta reacción es reversible y se encuentra
ampliamente distribuida en los tejidos, especialmente: cerebro, corazón, riñón,
hígado. Sólo la lisina, treonina, prolina e hidroxiprolina no sufren
transaminación. La regeneración del α-cetoglutarato se consigue mediante la
desaminación oxidativa del glutamato catalizada por la glutamato deshidrogenasa
unida al
NAD.
El amoniaco resultante de la desaminación de a.a. se transforma en urea en el
hígado para destoxificarlo. En muchos órganos (cerebro, intestino, músculo
esquelético), la glutamina es el transportador del exceso de N. En el músculo
esquelético existe el ciclo glucosa-alanina para transportar el amoniaco al
hígado bajo la forma de alanina. La formación de urea involucra una serie de
pasos de la ornitina en arginina. La urea se forma a partir de la arginina. El
ciclo de la urea utiliza cinco enzimas: argininosuccinato sintasa, arginasa, arginosuccinato
liasa (los tres se encuentran en el citosol), ornitina transcarbamoilasa y
carbamoil, fosfato sintasa (presentes en la mitocondria). El amonio libre
formado en la desaminación oxidativa del glutamato se convierte en carbamoil
fosfato, reacción catalizada por la carbamoil fosfato sintetasa I y que
requiere dos ATP. El carbamoil fosfato transfiere su grupo amino a la ornitina
y forma citrulina.
Ésta debe transportarse a través de la membrana mitocondrial al citosol, donde
se formará la urea.CO2 + NH4 + 3ATP + aspartato + 2H2O ----) urea +
2ADP + 2pi + AMP+Pi + fumarato. En cada vuelta del ciclo de la urea se
eliminan dos N, uno que se origina de la desaminación oxidativa del glutamato y
el otro del aspartato. Como el se hidroliza, se necesitan 4 fosfatos de alta
energía para formar una molécula de urea. El fumarato es el vínculo entre el ciclo de la
urea y el de Krebs.
Después de la des animación,
el esqueleto de carbono de los aminoácidos puede ser utilizado para la producción
de energía. El catabolismo de los aminoácidos involucra su conversión a
intermediarios en el ciclo de Krebs, su conversión a piruvato o a acetil-CoA.
Este último puede oxidarse en el ciclo de Krebs o puede convertirse en acetoacetato y lípidos. Los aminoácidos que forman
acetoacetato son cetogénicos, ya que no pueden convertirse en glucosa. Los
aminoácidos que forman α-cetoglutarato o ácidos dicarboxílicos de cuatro
carbonos estimulan el funcionamiento del ciclo de Krebs y son considerados
glucogénicos.
Leonor Oñate Ocaña –
2010 LIBRO EN LINEA BIOLOGIA 1
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