COMPUESTOS DE INTERÉS BIOLÓGICOLic. Lidia Iñigo

LÍPIDOS

Lípidos es una palabra muy general que designa a compuestos biológicos de estructura química y funciones muy diversas. Su característica común es que son insolubles en agua y pueden ser extraídos de tejidos de origen vegetal o animal con solventes no polares o de baja polaridad. Usualmente suelen clasificarse en lípidos complejos o saponificables (significa que pueden hidrolizarse para formar jabón) y lípidos simples o insaponificables.

Dentro de los lípidos simples o insaponificables se encuentran los terpenos, los esteroides y las prostaglandinas.

Son terpenos muchos aceites esenciales como el limoneno (esencia de limón), el mentol (esencia de menta) y el alcanfor; también la vitamina A.

mentol

Los esteroides tienen como base de su estructura el ciclopentanoperhidrofenantreno, que es una estructura tetracíclica:

El esteroide más abundante es el colesterol, también son esteroides las hormonas sexuales estradiol, progesterona y testosterona; las hormonas suprarrenales y los ácidos biliares.

OH

Ver animación

Las prostaglandinas poseen actividades de naturaleza hormonal o reguladora.

Los lípidos saponificables se caracterizan porque intervienen en la formación de su estructura ácidos carboxílicos de cadena larga, denominados ácidos grasos. Comprenden los triacilglicéridos, los fosfoglicéridos, los esfingolípidos y las ceras. Los fosfoglicéridos y los esfingolípidos se caracterizan por tener una “cabeza” polar y “colas” no polares.

Los fosfoglicéridos o fosfolípidos son los componentes principales característicos de las membranas celulares. Los esfingolípidos también son componentes importantes de las membranas celulares y se hallan presentes en gran cantidad en los tejidos nervioso y cerebral. Las ceras son ésteres de ácidos grasos con alcoholes de cadena larga o esteroles (alcoholes con estructura de esteroide), forman cubiertas protectoras en plantas y animales.

En este curso sólo estudiaremos los triacilglicéridos, tradicionalmente denominados triglicéridos y que más vulgarmente se conocen como grasas o aceites. Son los de mayor abundancia dentro de los lípidos y los principales componentes de reserva de las células vegetales y animales. Son ésteres de la glicerina (1,2,3-propanotriol) con ácidos grasos. Los tres hidroxilos de la glicerina están esterificados con ácidos grasos iguales o diferentes (sus cadenas hidrocarbonadas representadas como R puede ser iguales o no).

Un triglicérido: 1-palmitoil-2-oleil-3-linoleil-glicérido

La gran mayoría de los ácidos grasos poseen número par de átomos de carbono, debido a que se biosintetizan a partir del ácido acético. Los más abundantes tienen cadenas comprendidas entre los 14 y los 22 átomos de carbono. Pueden ser saturados (sólo presentan enlaces simples) o insaturados, con uno o más dobles enlaces; los más comunes tienen hasta tres dobles enlaces. Casi todos los ácidos grasos naturales insaturados tienen configuración cis en sus dobles enlaces, son muy raros los que tienen configuración trans. Podés volver a leer la acotación que se hizo

RCO

O

RCO

O

RCO

O

CH

CH

CH2

2

Ver animación

sobre las “grasas trans” en la última parte del tema Isomería Espacial o Estereoisomería de esta misma unidad.

Lo que llamamos grasas o aceites son mezclas de distintos triacilglicéridos donde aparecen al azar los distintos ácidos grasos. La única diferencia entre las grasas y los aceites es que las primeras son sólidas a temperatura ambiente y los segundos son líquidos. Cuanto mayor es el porcentaje de ácidos grasos insaturados menor es el punto de fusión.

¿Cuál es la explicación de que al aumentar la cantidad de ácidos grasos insaturados disminuya el punto de fusión de la grasa?

Los ésteres pueden ser hidrolizados tanto en medio ácido como en medio básico. La hidrólisis ácida regenera el alcohol y el ácido. La hidrólisis en medio básico regenera el alcohol y forma la sal del ácido. Las sales de los ácidos grasos son los jabones, por eso el proceso de hidrólisis básica de una grasa se denomina saponificación. En la industria se obtiene el jabón por medio de esta reacción.

+ 3 NaOH +

La capacidad de los jabones de lavar, o sea de disolver la suciedad (que son sustancias no polares) se debe a que contiene una parte no polar (hidrófoba) y una parte polar (hidrófila). Como se expuso al comienzo, al igual que ciertos lípidos, tienen una “cabeza” polar y una “cola” no polar. El jabon o detergente rodea la suciedad hasta incluirla en una envoltura que la hace soluble en agua, formando partículas denominadas micelas.

Micela de jabón

Formación de micelas

RCO

O

RCO

O

RCO

O

CH

CH

CH2

2

O

O

O

CH

CH

CH2

2

H

H

H

OR CO

Na3

1

Los ácidos grasos ω-3 se denominan de esa manera porque tienen un doble enlace en el tercer carbono contando a partir del último carbono de la cadena (carbono ω). Son ácidos grasos poliinsaturados que se encuentran en mayor cantidad en los pescados grasos como atún, salmón y sardina y en las nueces. Son ácidos grasos esenciales, eso significa que el organismo no puede sintetizarlos y se deben adquirir a través de la dieta. Tienen efectos benéficos ya que ayudan a reducir el colesterol “malo” (LDL) y facilitan el aumento del colesterol “bueno” (HDL), reducen los triglicéridos y la presión arterial; todo lo cual contribuye a la prevención de las enfermedades cardiovasculares.

Lista de los ácidos grasos ω-3

Nombre común Notación simbólica Nombre químico

Ácido alfa-linolénico (ALA) 18:3 ∆ 9,12,15 octadeca-9,12,15-trienoico

Ácido estearidónico 18:4 ∆ 6,9,12,15 octadeca-6,9,12,15-tetraenoico

Ácido eicosatetraenoico 20:4 ∆ 8,11,14,17 eicosa-8,11,14,17-tetraenoico

Ácido eicosapentaenoico (EPA) 20:5 ∆ 5,8,11,14,17 eicosa-5,8,11,14,17-pentaenoico

Ácido docosapentaenoico 22:5 ∆ 7,10,13,16,19 docosa-7,10,13,16,19-pentaenoico

Ácido docosahexanoico (DHA) 22:6 ∆ 4,7,10,13,16,19 docosa-4,7,10,13,16,19-hexaenoico

POLÍMEROS Y BIOPOLÍMEROS

Un polímero es una macromolécula (extremadamente grande), formada por reacción química entre moléculas más pequeñas de una sustancia que se denomina monómero. Al ocurrir la reacción se forma en el polímero una unidad repetitiva que no es igual al monómero. Por ejemplo en el policloruro de vinilo (PVC) el monómero es cloruro de vinilo o cloroeteno y ocurre la siguiente reacción:

n CH2=CHCl –[–CH2–CHCl−]n– unidad repetitiva del PVC

Donde la n indica que esa unidad se repite un número muy grande de veces. En realidad ese número no es fijo, ya que las cadenas de los polímeros no tienen la misma longitud y por lo tanto los polímeros no tienen una masa molecular fija.

También existen polímeros que se forman por reacción de más de un monómero (usualmente dos) denominados copolímeros, como las poliamidas, que se obtienen por polimerización de un diácido con una diamina; o los poliésteres, que se obtienen por polimerización de un diácido con un dialcohol.

La polimerización puede ocurrir por una reacción de adición de las unidades de monómero, como en el caso del PVC, o por una reacción de condensación de las unidades de monómero y en este caso se forma alguna otra sustancia sencilla (comúnmente agua).

En la industria se fabrican muchísimos polímeros sintéticos, como el polietileno, el poliestireno, el polipropileno, los poliacrilatos y el teflón; además de los mencionados.

Existen también polímeros naturales o biopolímeros como el caucho natural y los que trataremos a continuación.

PROTEÍNAS

Las proteínas se encuentran en todos los seres vivos. Tienen muy diversas funciones: estructurales, como las que forman los músculos (actina y miosina), o el tejido conectivo (colágeno y elastina); de reserva (ovoalbúmina); transportadoras de oxígeno (hemoglobina y mioglobina); protectoras en el sistema inmunológico (anticuerpos); enzimas (aceleran las reacciones que ocurren en el organismo); hormonas (insulina) e incluso toxinas (toxina botulínica, veneno de serpiente).

Los monómeros que forman las proteínas son los 2-aminoácidos, α-aminoácidos o vulgarmente aminoácidos. Su fórmula general es:

NH2–CH−COOH

R

Donde el grupo R es el grupo que cambia en los distintos aminoácidos.

¿Son quirales los aminoácidos?

Los aminoácidos que frecuentemente se encuentran en las proteínas son 20, y de ellos hay 8 que son esenciales para el ser humano, es decir, no los puede sintetizar y debe adquirirlos a través de la dieta. Se encuentran también otros aminoácidos muy poco frecuentes y que son derivados de los aminoácidos corrientes. La inmensa mayoría de los aminoácidos naturales aislados de proteínas, y todos los de proteínas humanas son de configuración L, es decir, existe uno solo de los enantiómeros en forma natural.

Las cadenas de las proteínas se van formando por reacción entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente. Recordemos que la reacción entre un ácido y una amina da como producto una amida, por lo tanto las proteínas son poliamidas. Al producirse la reacción se forma agua, por los que las proteínas son un polímero de condensación. La unión entre los aminoácidos es un grupo amida, pero en el caso de las proteínas se denomina unión peptídica.

+ + H2O

unión peptídica

Cuando se unen dos aminoácidos se denomina dipéptido, si se unen tres aminoácidos tripéptido. El conocido edulcorante nutrasweet, el aspartamo, es un tipéptido formado por alanina, fenilalanina y lisina (tres aminoácidos). Si son pocos los aminoácidos unidos se habla de un oligopéptido, en mayor cantidad se habla de un polipéptido y cuando las cadenas son muy largas (masa molecular > 10.000) ya es una proteína.

OHNH22

R

CO

CH

R’

OHNH22 CO

CH

R R’

OHNH CO

CHNH22 CO

CH

2

La estructura primaria de las proteínas es la secuencia de aminoácidos en la cadena. Esta secuencia también determina las estructuras secundaria y terciaria. La estructura secundaria puede presentar dos formas, α-hélice o la conformación β o de lámina plegada. Estas estructuras tridimensionales están soportadas por uniones puente hidrógeno entre el carbonilo de un aminoácido y el hidrógeno del grupo amino de otro aminoácido.

Modelos de α-hélicedonde se aprecianlos puentes hidrógenointramoleculares quemantienen la estructura

Modelos de la estructura β o de lámina plegada, donde se disponen varias cadenas polipeptídicas unidas por las uniones puente hidrógeno.

La estructura terciaria se debe al plegamiento de las cadenas (con su estructura primaria y secundaria). Este enrollamiento se debe a distintos tipos de interacción entre los grupos R presentes en los aminoácidos: puentes disulfuro, enlaces puente hidrógeno, interacciones entre iones (electrostáticas) e interacciones entre grupos no polares (hidrofóbicas).

A su vez distintas subunidades con sus respectivas estructuras primaria, secundaria y terciaria pueden unirse formando una estructura cuaternaria. Un ejemplo de proteína con estructura cuaternaria es la hemoglobina, que posee cuatro subunidades, iguales entre sí dos a dos.

Cuando se someten a calefacción o al tratamiento con ácidos o bases las proteínas pierden su estructura terciaria y secundaria para producir conformaciones desplegadas y al azar de sus cadenas. Este proceso se denomina desnaturalización. Es lo que sucede con la proteína de la clara del huevo (ovoalbúmina) cuando lo cocinamos y hacemos por ejemplo un huevo duro. El proceso de desnaturalización facilita la posterior hidrólisis en el organismo para separar los aminoácidos y hace que se digiera mejor.

Esquema donde se muestran las estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de una proteína.

HIDRATOS DE CARBONO

El término hidratos de carbono o carbohidratos deriva de la relación entre los elementos carbono hidrógeno y oxígeno que podría escribirse como Cn(H2O)n. si bien esta fórmula no es correcta químicamente, el nombre se sigue usando. Hidratos de carbono es muy general y abarca tanto a los polisacáridos como a los monosacáridos. Los polisacáridos son polímeros cuyos monómeros son los monosacáridos. Los monosacáridos son polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas. Los más comunes en la naturaleza son los que tienen 6 átomos de carbono, hexosas; o los que tienen 5 átomos de carbono, pentosas. Existen entonces aldohexosas , aldopentosas , cetohexosas y cetopentosas.

El monosacárido más abundante e importante en la naturaleza es la glucosa, que es una aldohexosa, o sea un polihidroxialdehido de 6 átomos de carbono. La fórmula de la glucosa es la siguiente:

¿Tiene carbonos asimétricos la glucosa? ¿Cuáles son?

Esta fórmula está representada en lo que se denomina una proyección de Fischer. En esta proyección las lineas horizontales están para adelante del plano del papel y las lineas verticales están para atrás del plano del papel. Si el hidroxilo del carbono 5 queda hacia la derecha en la proyección de Fischer la configuración se denomina D. La inmensa mayoría de los monosacáridos naturales tienen la configuración D, de hecho la configuración L es excepcional y en la naturaleza existe uno solo de los enantiómeros lo mismo que ocurre con los aminoácidos.

En realidad las pentosas y las hexosas no se encuentran en la forma abierta que acabamos de exponer sino que se ciclan dando lugar a ciclos de cinco o seis átomos respectivamente. En el caso de las aldohexosas se cicla el hidroxilo del carbono 5 con el carbono aldehídico (carbono 1) y en el caso de las aldopentosas el hidroxilo del carbono 4 con el carbono aldehídico. Pero al formarse el ciclo el carbono aldehídico se transforma en un nuevo carbono asimétrico. Sus configuraciones se denominan α y β. En solución acuosa existe un equilibrio entre estas dos formas y la forma abierta, por ejemplo para la glucosa:

OH

O

H OHOH HH OHH OH

3

Fórmulas de Haworth

forma α forma β

En la glucosa predomina la forma β, por ser más estable y la forma abierta está en pequeña proporción.

β – D glucosa

Otros monosacáridos de importancia biológica son la fructosa (una cetohexosa), la galactosa (una aldohexosa), la ribosa y la 2-desoxiribosa (aldopentosas). Estas dos últimas forman parte de los ácidos nucléicos como veremos a continuación.

forma α D – galactosa

D – fructosa

Cuando se unen dos monosacáridos por una reacción de condensación se produce una molécula de agua. La unión formada se denomina unión glicosídica, o más específicamente unión gucosídica si es entre glucosas. Por ejemplo la unión entre el carbono 1 (en α) de una glucosa con el carbono 4 de otra glucosa forma la maltosa (un disacárido) y dicha unión se denomina α 1-4.

O

HHH

H

OHOH

H OH

OH

OH

Ver animación

O

OHH

HH

OHOH

H OH

H

OH

Maltosa

La palabra azúcares se utiliza comúnmente para denominar a los monosacáridos y disacáridos que se encuentran en la naturaleza. Lo que llamamos azúcar, que es el azúcar de caña, la sacarosa, es un disacárido de glucosa y fructosa. Otro disacárido importante es la lactosa o azúcar de la leche.

Lactosa Sacarosa galactosa unida β 1- 4 a glucosa Glucosa unida α 1- β 1 a fructosa

Cuando son relativamente pocas las unidades de monosacáridos unidas se habla de un oligosacárido, cuando tenemos grandes cadenas es un polisacárido.

Los polisacáridos más abundantes en la naturaleza están formados por glucosa, o sea, son polímeros cuyo monómero es la glucosa. Ellos son la celulosa, el almidón y el glucógeno.

La celulosa es el polisacárido estructural o de sostén de las plantas. Con la celulosa de los troncos de los arboles se hace el papel. El almidón es el polisacárido de reserva de las plantas, se encuentra en los cereales como trigo y arroz, en las legumbres como porotos y garbanzos, y en los tubérculos como las papas. El glucógeno es el polisacárido de reserva de los animales. Nosotros almacenamos glucosa en forma glucógeno en el hígado, es la primera reserva de energía que utiliza nuestro organismo.

Si los tres, celulosa, almidón y glucógeno están formados únicamente por glucosa,¿cuál es la diferencia entre ellos?

4

La celulosa es un polímero lineal en el que la unión glucosídica es β 1-4.

En el almidón se encuentran dos tipos distintos de polímeros. La amilosa no es ramificada y presenta forma helicoidal, tiene uniones α 1-4. La amilopectina es ramificada, con uniones α 1-4 en las cadenas y uniones α 1-6 en las ramificaciones.

El glucógeno es igual que la amilopectina, pero con más ramificaciones.

Otro ejemplo de la importancia biológica de la estereoquímica:

Nosotros no podemos alimentarnos de celulosa, ya que no tenemos la enzima que corta la unión β-glucosídica. Cuando la ingerimos la celulosa pasa intacta a través de nuestro organismo y forma parte de la denominada fibra dietaria. Los animales herbívoros se alimentan de la celulosa porque tienen la enzima que corta la unión β-glucosídica. Observá que la diferencia es solamente la configuración de un carbono asimétrico. Es otro ejemplo de lo que puede hacer la diferencia en un carbono asimétrico a nivel biológico.

OHOOH

OH

OHOOH

OHOH

ÁCIDOS NUCLÉICOS

El nombre ácidos nucleicos proviene de que fueron descubiertos por primera vez en el núcleo de la célula. Hoy se sabe que se encuentran también en otras partes de la misma, como el citoplasma o las mitocondrias. Los ácidos nucleicos son los responsables del almacenamiento y la transferencia de la información genética.

Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido ribonucléico (ARN o RNA) y el ácido desoxirribonucléico (ADN o DNA). Ambos son polímeros con una estructura básica similar. En sus cadenas existen unidades de un azúcar, que es una aldopentosa, unidas por ácido fosfórico que forma una unión éster con cada pentosa. Más adelante desarrollaremos con detalle esta estructura. En el ácido ribonucleico ese azúcar es la ribosa y en el ácido desoxirribonucleico ese azúcar es la 2-desoxirribosa (una ribosa que no tiene hidroxilo en el carbono 2).

Ribosa (forma β) 2 – desoxirribosa (forma β)

Además unidas al carbono 1 de la pentosa, que se encuentra en la forma β, se encuentran cuatro bases nitrogenadas distintas. En el ADN esas bases son adenina (A), citosina (C) guanina (G) y timina (T). En el ARN, en lugar de timina se encuentra uracilo (U). La secuencia de estas bases nitrogenadas forma el código que transmite la información genética.

La molécula formada por la unión entre la pentosa y la base nitrogenada se denomina nucleósido. La molécula formada por la pentosa, la base nitrogenada y el grupo fosfato se llama nucleótido. Además de formar los ácidos nucléicos existen en forma libre en las células los nucleótidos que tienen uno, dos o tres grupos fosfato. Por ejemplo los nucleótidos de ribosa y adenina son el monofosfato de adenosina (AMP), el difosfato de adenosina (ADP), y el trifosfato

de adenosina (ATP). El ATP es la forma en que el organismo va “guardando” la energía que obtiene de las reacciones de degradación, por ejemplo de la glucosa (glucólisis).

Los nucleótidos son los monómeros que forman los ácidos nucleicos. El ácido fosfórico está uniendo las pentosas formando un éster con un hidroxilo de cada pentosa. Por este motivo la unión en los ácidos nucleicos se llama unión fosfodiéster.

En el siguiente esquema se puede apreciar una pequeña porción de la cadena de ADN.

El ADN es el portador de toda la información genética. Se encuentra en el núcleo de la célula asociado a proteínas formando los cromosomas, cuyas porciones son los distintos genes.

Cada tres bases nitrogenadas forman el código para un aminoácido en la síntesis de las distintas proteínas.

La estructura espacial del ADN fue propuesta por J. D. Watson y F. H. C. Crick en 1953. Se trata de una doble hélice, formada por dos cadenas y estabilizada por enlaces puente hidrógeno entre sus bases nitrogenadas. La adenina se une con la timina y la citosina se une con la guanina. Una reglita mnemotécnica para acordarse, muy argentina porque es tanguera, es “Anibal Troilo y Carlos Gardel”

En el siguiente esquema y el siguiente modelo se puede apreciar la estructura espacial de doble hélice del ADN.

Este tema, Compuestos de Interés Biológico, es una introducción a la materia Biología; donde se presentan los compuestos biológicos más importantes. La mayor parte del tema es a nivel informativo y de comprensión. Pero es bueno que te vayas familiarizando con los compuestos porque en Biología vas a tener que saberlo.

No es necesario que memorices fórmulas, salvo el caso de la fórmula general de un triacilglicérido, la reacción de saponificación, la fórmula general de un aminoácido y de la unión peptídica.

Las fórmulas y esquemas se dan para mayor comprensión de la complejidad de los compuestos biológicos, su estructura espacial y la gran importancia de la misma.

Sí es importante que recuerdes los nombres de los distintos biopolímeros, su estructura general, como se llaman sus uniones y cuáles son los monómeros que los forman.

Si te interesa ver en mayor detalle las estructuras, y ver animaciones donde se pueden ver en movimiento te recomendamos la página http:/www2.uah.es/biomodel/model3j/inicio.htm en donde podrás “jugar” con los distintos modelos de compuestos biológicos.

Ver animación

Respuestas

Como los ácidos grasos insaturados tienen sus dobles enlaces en cis, eso hace que las cadenas queden más desordenadas. Por esta razón disminuye el acercamiento entre moléculas y las fuerzas de London serán menores. Esto se puede apreciar en las siguientes vistas de la tripalmitina y del 1-palmitoil-2-oleil-3-linoleil-glicérido.

tripalmitina

1-palmitoil-2-oleil-3-linoleil-glicérido.

Sí, todos los aminoácidos son quirales salvo el que tiene como grupo R un hidrógeno, que es el ácido aminoetanoico o glicina. En todos los demás el carbono 2 es asimétrico o quiral.

La glucosa tiene cuatro carbonos asimétricos, que son los centrales (del 2 al 4). La distinta configuración en dichos carbonos forma las distintas aldohexosas.

1

2

3

La diferencia es la forma en que están unidas las unidades de glucosa, si el carbono 1 está en la forma α ó β y con que otro carbono de la siguiente glucosa se une.

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