El mundo vivo, la célula, membranas biológicas, procesos y reacciones bioquímicas, bioelementos (página 2)

Los procesos bioquímicos se basan en la degradación de la biomasa por la acción de microorganismos, y pueden dividirse en dos grandes grupos: los que se producen en ausencia de aire (anaeróbicos) y los que se producen en presencia de aire (aeróbicos).

Procesos anaeróbicos: La fermentación anaeróbica, para la que se utiliza generalmente residuos animales o vegetales de baja relación carbono / nitrógeno, se realiza en un recipiente cerrado llamado “digestor” y da origen a la producción de un gas combustible denominado biogas. Adicionalmente, la biomasa degradada que queda como residuo del proceso de producción del biogas, constituye un excelente fertilizante para cultivos agrícolas. Las tecnologías disponibles para su producción son muy variadas pero todas ellas tienen como común denominador la simplicidad del diseño y el bajo costo de los materiales necesarios para su construcción. El biogas, constituido básicamente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), es un combustible que puede ser empleado de la misma forma que el gas natural. También puede comprimirse para su uso en vehículos de transporte, debiéndose eliminar primero su contenido de CO2.

Procesos aeróbicos : La fermentación aeróbica de biomasa de alto contenido de azúcares o almidones, da origen a la formación de alcohol (etanol), que, además de los usos ampliamente conocidos en medicina y licorería, es un combustible líquido de características similares a los que se obtienen por medio de la refinación del petróleo. Las materias primas más comunes utilizadas para la producción de alcohol son la caña de azúcar, mandioca, sorgo dulce y maíz. El proceso incluye una etapa de trituración y molienda para obtener una pasta homogénea, una etapa de fermentación y una etapa de destilación y rectificación.

MEMBRANAS BIOLÓGICAS

Muchas estructuras de la célula están formadas por membranas. Las membranas biológicas constituyen fronteras que permiten no sólo separar sino también poner en comunicación diferentes compartimentos en el interior de la célula y a la propia célula con el exterior.

La estructura de todas las membranas biológicas es muy parecida. Las diferencias se establecen más bien al nivel de la función particular que tienen los distintos orgánulos formados por membranas; función que va a depender de la composición que tengan sus membranas. Este tipo de membranas se denomina, debido a esto, unidad de membrana o membrana unitaria. La membrana plasmática de la célula y la de los orgánulos celulares está formada por membranas unitarias.

-ESTRUCTURA DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS: Las membranas biológicas están constituidas por una doble capa de fosfolípidos con proteínas. Las proteínas se pueden encontrar adosadas a la membrana pero sin penetrar en la doble capa lipídica: proteínas periféricas, o empotradas: proteínas integrales. Las proteínas forman así una especie de mosaico (estructura en mosaico).Las partes hidrófilas de las proteínas integrales quedan hacia el interior o hacia el exterior de la capa lipídica y las partes lipófilas (hidrófobas) se sitúan en su seno. Las proteínas integrales atraviesan completamente la membrana.

EL TRANSPORTE DE SUSTANCIAS A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS

En el caso de sustancias disueltas, según se consuma o no energía, distinguiremos los siguientes tipos de transporte:

I) Transporte pasivo. Se trata de un transporte a favor del gradiente de concentración, por lo que no requiere un aporte de energía. Puede ser:

a) Transporte pasivo simple o difusión de moléculas a favor del gradiente.

a) Difusión a través de la bicapa lipídica. Pasan así sustancias lipídica como las hormonas esteroideas, los fármacos liposolubles y los anestésicos, como el éter. También sustancias apolares como el oxígeno y el nitrógeno atmosférico y algunas moléculas polares muy pequeñas como el agua, el CO2, el etanol y la glicerina.

b) Difusión a través de canales proteicos. Se realiza a través de proteínas canal. Proteínas que forman canales acuosos en la doble capa lipídica. Pasan así ciertos iones, como el Na+, el K+ y el Ca+ +.

b) Transporte pasivo facilitado (difusión facilitada). Las moléculas hidrófilas (glúcidos, aminoácidos…) no pueden atravesar la doble capa lipídica por difusión a favor del gradiente de concentración. Determinadas proteínas de la membrana, llamadas permeasas, actúan como "barcas" para que estas sustancias puedan salvar el obstáculo

que supone la doble capa lipídica. Este tipo de transporte tampoco requiere un consumo de energía, pues se realiza a favor del gradiente de concentración.

II) Transporte activo: Cuando el transporte se realiza en contra de un gradiente químico (de concentración) o eléctrico. Para este tipo de transporte se precisan transportadores específicos instalados en la membrana, siempre proteínas, que, mediante un gasto de energía en forma de ATP, transportan sustancias a través de ésta. Con este tipo de transporte pueden transportarse, además de pequeñas partí culas, moléculas orgánicas de mayor tamaño, siempre en contra del gradiente de concentración o eléctrico.

I) ENDOCITOSIS. Las sustancias entran en la célula envueltas en vesículas formadas a

partir de la membrana plasmática. Cuando lo que entra en la célula son partí -culas sólidas o pequeñas gotitas líquidas el transporte se realiza por mecanismos especial ese incluso se hace perceptible. Estos mecanismos implican una deformación de la membrana y la formación de vacuolas. Este tipo de transporte puede ser de gran importancia en ciertas células, como por ejemplo, en los macrófagos y en las amebas. Distinguiremos dos tipos de endocitosis: la fagocitosis y la pinocitosis

a)Fagocitosis: Es la ingestión de grandes partículas sólidas (bacterias, restos celulares)por medio de seudópodos. Los seudópodos son grandes evaginaciones de la membrana plasmática que envuelven a la partícula. Ésta pasa al citoplasma de la célula en forma de vacuola fagocítica. Este tipo de ingestión la encontramos, por ejemplo, en las amebas o en los macrófagos.

b) Pinocitosis. Es la ingestión de sustancias disueltas en forma de pequeñas gotitas líquidas que atraviesan la membrana al invaginarse ésta. Se forman así pequeñas vacuolas llamadas vacuolas pinocíticas que pueden reunirse formando vacuolas de mayor tamaño.

II) EXOCITOSIS: Consiste en la secreción o excreción de sustancias por medio de vacuolas, vesículas de exocitosis, que se fusionan con la membrana plasmática abriéndose al exterior y expulsando su contenido. Las vacuolas provienen de los sistemas de membranas o de la endocitosis. La membrana de la vacuola queda incluida en la membrana celular, lo que es normal teniendo en cuenta que ambas membranas poseen la misma estructura. En todos los mecanismos de endocitosis hay una disminución de la membrana plasmática al introducirse ésta en el citoplasma. Esta disminución es compensada por la formación de membranas por exocitosis. La membrana plasmática está en estas células en un continuo proceso de renovación. En un macrófago, por ejemplo, toda su membrana es ingerida en 30 min.

ELEMENTOS BIOGÉNICOS

Ningún Elemento químico es exclusivo de los seres vivos y todos se encuentran también en la Naturaleza. Sin embargo, hay sólo 27 que forman parte permanente de la vida y otros 60 pueden aparecer ocasionalmente. Estos elementos se denominan elementos biogénicos o biolementos. Según su importancia y abundancia se clasifican en:

Elementos plásticos primarios: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Representan algo más del 96% del peso de cualquier organismo. Son elementos imprescindibles para la creación de materia orgánica.

Elementos secundarios indispensables: fósforo, azufre, sodio, potasio, calcio, magnesio y cloro. Constituyen el 3% en peso aproximadamente. Son bioelementos necesarios para la vida de la célula.

Oligoelementos o elementos traza: Además de los señalados existen otros que son necesarios para el funcionamiento celular y que en conjunto representan menos del 1%. No todos forman parte de los seres vivos. Cabe citar por ejemplo el hierro, cinc, bromo, yodo y silicio.

Función de los bioelementos primarios y secundarios: El carbono y el hidrógeno constituyen la estructura básica de las moléculas orgánicas y, junto al oxígeno, son los principales componentes. El nitrógeno participa en la construcción de proteínas y ácidos nucleicos. El fósforo forma parte de los ácidos nucleicos y sus enlaces son utilizados en la obtención de energía. El azufre constituye parte de la mayoría de las proteínas. El resto de bioelementos secundarios se encuentran en el interior de la célula disociados como iones. El sodio potasio y cloro participan en mantener el grado de salinidad así como en el impulso nervioso. El calcio actúa como constitutivo de estructuras esqueléticas, en el mecanismo de contracción muscular y en la coagulación entre otros procesos. El magnesio es imprescindible para la acción catalítica de muchas enzimas.

Función de los oligoelementos: Son necesarios para el funcionamiento de la célula y suelen asociarse a enzimas. El hierro participa en los procesos redox de la cadena respiratoria y forma parte de la hemoglobina. El cobre forma parte de múltiples enzimas de oxidación. El cobalto y el molibdeno forman parte de coenzimas. El yodo es fundamental para la hormona del tiroides y el flúor en la formación de los dientes.

LAS BIOMOLÉCULAS: Los átomos de los diferentes bioelementos se combinan para formar las moléculas constituyentes de la vida que se dividen en inorgánicas (agua y sales minerales) y orgánicas (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). Muchos de estos compuestos orgánicos son macromoléculas formadas por otras moléculas más sencillas. La unidad estructural aislada, se llama monómero y la macromolécula recibe el nombre de polímero.

LOS GLÚCIDOS

Los glúcidos son los aldehídos o cetonas de alcoholes polivalentes y sus derivados formados por oxidación, reducción, sustitución y polimerización. Se encuentran en todos los seres vivos donde desempeñan una función energética, si bien algunos tienen función estructural, sobre todo en vegetales. Las unidades básicas de los glúcidos son las osas o monosacáridos, compuestos hidrolizables de tres a siete átomos de carbono. Los ósidos nos compuestos formados por la unión de varios monosacáridos con pérdida de una molécula de agua en cada enlace. Se subdividen en: Holósidos, Heterósidos

MONOSACÁRIDOS: Son sustancias no hidrolizables, cristalizables, blancas, solubles en agua y de sabor dulce, por lo que se les denomina azúcares. Químicamente, son compuestos de 3 a 7 átomos de carbono en el que uno de los átomos está unido por doble enlace a un átomo de oxígeno y el resto está unido a un grupo hidroxilo. Según el número de carbonos pueden ser desde triosas hasta heptosas y se reúnen en dos grandes grupos según la naturaleza de su grupo carbonilo: aldosas si es un aldehído, que ha de localizarse en el primer carbono, y cetosas si el grupo es una cetona en el segundo carbono.

Aldosas: Triosas,D-Gliceraldehido. Tetrosas: d-Eritrosa y D-Treosa. Pentosas: D-ribosa, D-arabinosa, D-xilosa, D-lixosa. Hexosas: D-alosa, D-altrosa, D-glucosa, D-manosa, D-gulosa, D-idosa, D-galactosa, D-talosa.

Cetosas: Triosas: Dihidroxiacetona. Tetrosas: D-Eritrulosa. Pentosas: D-Ribulosa, D-xilulosa. Hexosas: D-sicosa, D-fructosa, D-sorbosa, D-tagatosa.

DISACÁRIDOS: Son sustancias blancas, cristalizables, solubles en agua y de sabor dulce, por lo que también se llaman azúcares. Químicamente resultan de la unión de dos monosacáridos, con liberación de una molécula de agua.

Disacáridos naturales: Maltosa, Celobiosa, Lactosa, Sacarosa

POLISACÁRIDOS: Los polisacáridos son sustancias de elevado peso molecular no cristalizables, insípidas y poco solubles en agua. Se forman por la unión de n moléculas de monosacárido con separación de n-1 moléculas de agua siendo n>10. Por lo tanto, son polímeros hidrolizables y su hidrólisis origina monosacáridos. Si son del mismo tipo, es un homopolisacárido y si son de distinto heteropolisacárido. Según sus funciones biológicas se clasifican en:

• Polisacáridos de reserva: son el almidón, el glucógeno y los dextranos.
• Polisacáridos estructurales: Son especialmente importantes en los vegetales. Celulosa, Quitina

LOS LÍPIDOS

Son un conjunto de sustancias orgánicas muy heterogéneas pero todos están formados por largas cadenas hidrocarburadas que pueden estar sustituidas o no por diferentes grupos funcionales. Son compuestos ternarios, contienen C H y O.La característica que los reúne es que son insolubles en agua pero solubles en disolventes orgánicos. Es debido a que carecen de polaridad y por tanto son hidrófobas. Desempeñan dos funciones principales: depósito de energía a largo plazo y componentes estructurales de las células. También ejercen funciones reguladoras, sirven como cubiertas protectoras o de aislante térmico.

Los ácidos grasos: Uno de los componentes importantes de muchos lípidos, pero no de todos, son los ácidos grasos, que son ácidos orgánicos o carboxílicos con un número par de átomos de carbono, desde 4 hasta 30. Estructuralmente adoptan forma de zigzag. Pueden ser de dos tipos, que determinan su geometría: Saturados: sin dobles enlaces en la cadena. Insaturados: con uno o más dobles enlaces.

LIPOPROTEÍNAS: Son asociaciones de lípidos y proteínas de las cuales existen dos tipos: los sistemas de membranas, que participan en la constitución de las membranas celulares, y las lipoproteínas de transporte del plasma sanguíneo. Un exceso de lipoproteínas de alta densidad causa una concentración excesiva de colesterol.

LAS PROTEÍNAS

Son biomoléculas orgánicas integradas por al menos cuatro elementos: carbono, hidrógeno, oxigeno y nitrógeno, que se considera característico de este grupo. Químicamente son polímeros de moléculas relativamente sencillas denominadas aminoácidos. Los aa se unen entre sí originando oligopéptidos o polipéptidos. Cuando el número de aa supera los 50 o el peso molecular es mayor de 5000, se habla propiamente de proteínas, que se clasifican en holoproteínas, formadas únicamente por aminoácidos o heteroproteinas si contienen componentes no proteicos. Las proteínas son los compuestos orgánicos más abundantes de la materia viva, constituyendo alrededor del 50%.

AMINOÁCIDOS: Los aminoácidos son ácidos orgánicos que tienen un grupo amino en el carbono C-2, al que se unen un hidrógeno y un grupo radical distintivo. Todas las proteínas están formadas con tan sólo 20 aminoácidos.

Propiedades de los aminoácidos: Son sustancias incoloras, cristalizables, no hidrolizables y de sabor variado. Suelen disolverse bien en disolventes polares y no polares. Estereoisomería y actividad óptica: Poseen al igual que los monosacáridos actividad óptica, con isómeros dextrógiros y levógiros. La isomería geométrica depende de la posición del grupo amino: forma D o L.

PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS

Solubilidad. El grado de solubilidad depende de diversos factores. En general las proteínas fibrosas son insolubles en agua mientras que las globulares son solubles, aunque presentan gran variabilidad. Al ser sustancias de gran peso molecular dan lugar a coloides, por lo que la mayoría de las membranas son impermeables a las proteínas.

Especificidad de las proteínas. Cada proteína es distinta en cada especie aunque realice la misma función en todas ellas. Incluso dentro de una misma especie, cada individuo se diferencia por las proteínas que poseen.

Capacidad amortiguadora. Las proteínas tienen carácter anfótero, por ello se comportan como ácidos o bases liberando o tomando protones en función del pH que se desee obtener en la célula.

Desnaturalización. Fácilmente pueden perder su configuración espacial característica. No se rompe el enlace peptídico (la estructura primaria) pero la proteína pierde sus estructuras secundaria y terciaria. En algunos pasos es posible volver al estado inicial restableciendo las propiedades iniciales, entonces se produce la renaturalizacion.

LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos son biomoléculas formadas por C H O N y P. Se trata de moléculas de gran tamaño formadas por la polimerización de los nucleótidos. Todos los organismos tienen ADN y ARN excepto los virus que sólo poseen uno. El ADN es el material genético y cumple las siguientes funciones: Almacenar la información genética: El ADN contiene las instrucciones precisas para sintetizar todas las proteínas. Transmitir la información genética, es decir, copiarse exactamente en cada generación mediante la replicación o duplicación. La función del ARN es expresar la información genética, es decir, ejercer las órdenes contenidas en el ADN y sintetizar las proteínas.

NUCLEÓSIDOS Y NUCLEÓTIDOS: Los nucleótidos contienen tres componentes característicos: ácido fosfórico, una base nitrogenada y una pentosa que puede ser ribosa o desoxirribosa. Las bases nitrogenadas son derivados de la purina y la pirimidina. Las bases púricas son la Adenina y la Guanina, presentes en ADN y ARN. Las bases pirimidínicas son Citosina (presente en ADN y ARN), Timina (presente sólo en ADN) y Uracilo (presente sólo en el ARN). Una molécula de base nitrogenada se une a una pentosa originando un nucleósido. Los nucleótidos son ésteres fosfóricos de los nucleósidos en los que el ácido fosfórico esterifica a uno de los grupos hidroxilo libres de la pentosa.

POLINUCLEÓTIDOS: Son la unión de los nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster. El ADN es un polinucleótido formado por desoxirribonucleótidos de adenina guanina, citosina y timina. El ARN es un polinucleótido formado por ribonucleótidos de adenina, guanina citosina y uracilo.

REACCIÓN BIOQUÍMICA

Es una reacción química que se lleva a cabo dentro de los organismos vivos. El conjunto de reacciones bioquímicas de un organismo es su metabolismo. Hay dos tipos generales de reacciones bioquímicas:

1. Reacciones anabólicas: Son reacciones en la que se forman compuestos complejos a partir de compuestos sencillos. Consumen energía, es decir, son endergónicas. Ejemplo: A+B=AB.

2. Reacciones catabólicas: Son reacciones en las que compuestos complejos se transforman en otros más sencillos. Son generalmente exergónicas, es decir, liberan energía. Ejemplo: AB=A+B.

Las reacciones bioquímicas no ocurren espontáneamente, sino que están catalizadas por enzimas.

Autor:

Andres Cantos