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2.3: Carbono y moléculas orgánicas - Biología

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Objetivos de aprendizaje

  • Explica por qué el carbono es importante para la vida.
  • Identificar elementos y estructuras comunes que se encuentran en moléculas orgánicas.
  • Explica el concepto de isomería.
  • Comprender la síntesis de macromoléculas.
  • Explicar la importancia y el uso de los grupos funcionales.
  • Explicar las reacciones de deshidratación (o condensación) e hidrólisis.

Las células están formadas por muchas moléculas complejas llamadas macromoléculas, como proteínas, ácidos nucleicos (ARN y ADN), carbohidratos y lípidos. Las macromoléculas son un subconjunto de moléculas orgánicas (cualquier líquido, sólido o gas que contenga carbono) que son especialmente importantes para la vida. El componente fundamental de todas estas macromoléculas es el carbono. El átomo de carbono tiene propiedades únicas que le permiten formar enlaces covalentes con hasta cuatro átomos diferentes, lo que hace que este elemento versátil sea ideal para servir como componente estructural básico o "columna vertebral" de las macromoléculas.

Los átomos de carbono individuales tienen una capa de electrones más externa incompleta. Con un número atómico de 6 (seis electrones y seis protones), los dos primeros electrones llenan la capa interna, dejando cuatro en la segunda capa. Por lo tanto, los átomos de carbono pueden formar hasta cuatro enlaces covalentes con otros átomos para satisfacer la regla del octeto. La molécula de metano proporciona un ejemplo: tiene la fórmula química CH4. Cada uno de sus cuatro átomos de hidrógeno forma un enlace covalente con el átomo de carbono al compartir un par de electrones. Esto da como resultado una capa más externa llena.

Hidrocarburos

Los hidrocarburos son moléculas orgánicas que constan enteramente de carbono e hidrógeno, como el metano (CH4) descrito arriba. A menudo usamos hidrocarburos en nuestra vida diaria como combustibles, como el propano en una parrilla de gas o el butano en un encendedor. Los numerosos enlaces covalentes entre los átomos de los hidrocarburos almacenan una gran cantidad de energía, que se libera cuando estas moléculas se queman (oxidan). El metano, un combustible excelente, es la molécula de hidrocarburo más simple, con un átomo de carbono central unido a cuatro átomos de hidrógeno diferentes, como se ilustra en la Figura ( PageIndex {1} ). La geometría de la molécula de metano, donde los átomos residen en tres dimensiones, está determinada por la forma de sus orbitales electrónicos. Los carbonos y los cuatro átomos de hidrógeno forman una forma conocida como tetraedro, con cuatro caras triangulares; por esta razón, se describe que el metano tiene geometría tetraédrica.

Como columna vertebral de las grandes moléculas de los seres vivos, los hidrocarburos pueden existir como cadenas de carbono lineales, anillos de carbono o combinaciones de ambos. Además, los enlaces carbono-carbono individuales pueden ser enlaces covalentes simples, dobles o triples, y cada tipo de enlace afecta la geometría de la molécula de una manera específica. Esta forma o conformación tridimensional de las grandes moléculas de la vida (macromoléculas) es fundamental para su funcionamiento.

Cadenas de hidrocarburos

Las cadenas de hidrocarburos están formadas por enlaces sucesivos entre átomos de carbono y pueden ser ramificadas o no ramificadas. Además, la geometría general de la molécula se ve alterada por las diferentes geometrías de enlaces covalentes simples, dobles y triples, ilustrados en la Figura ( PageIndex {2} ). Los hidrocarburos etano, eteno y etino sirven como ejemplos de cómo los diferentes enlaces carbono-carbono afectan la geometría de la molécula. Los nombres de las tres moléculas comienzan con el prefijo "eth-", que es el prefijo de dos hidrocarburos de carbono. Los sufijos "-ane", "-ene" y "-yne" se refieren a la presencia de enlaces carbono-carbono sencillos, dobles o triples, respectivamente. Así, el propano, el propeno y el propino siguen el mismo patrón con tres moléculas de carbono, butano, butano y butino para cuatro moléculas de carbono, y así sucesivamente. Los enlaces dobles y triples cambian la geometría de la molécula: los enlaces simples permiten la rotación a lo largo del eje del enlace, mientras que los enlaces dobles conducen a una configuración plana y los enlaces triples a una lineal. Estas geometrías tienen un impacto significativo en la forma que puede asumir una molécula en particular.

Anillos de hidrocarburos

Hasta ahora, los hidrocarburos que hemos discutido han sido hidrocarburos alifáticos, que consisten en cadenas lineales de átomos de carbono. Otro tipo de hidrocarburo, los hidrocarburos aromáticos, consta de anillos cerrados de átomos de carbono. Las estructuras de anillo se encuentran en los hidrocarburos, a veces con la presencia de dobles enlaces, que se pueden ver comparando la estructura del ciclohexano con el benceno en la Figura ( PageIndex {3} ). Los ejemplos de moléculas biológicas que incorporan el anillo de benceno incluyen algunos aminoácidos y colesterol y sus derivados, incluidas las hormonas estrógeno y testosterona. El anillo de benceno también se encuentra en el herbicida 2,4-D. El benceno es un componente natural del petróleo crudo y ha sido clasificado como carcinógeno. Algunos hidrocarburos tienen porciones tanto alifáticas como aromáticas; el betacaroteno es un ejemplo de dicho hidrocarburo.

La bioquímica es la disciplina que estudia la química de la vida, y su objetivo es explicar la forma y función a partir de principios químicos. La química orgánica es la disciplina dedicada al estudio de la química basada en carbono, que es la base para el estudio de las biomoléculas y la disciplina de la bioquímica.

Otros elementos en las células vivas

El elemento más abundante en las células es el hidrógeno (H), seguido del carbono (C), el oxígeno (O), el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre (S). A estos elementos los llamamos macronutrientes y representan aproximadamente el 99% del peso seco de las células. Algunos elementos, como sodio (Na), potasio (K), magnesio (Mg), zinc (Zn), hierro (Fe), calcio (Ca), molibdeno (Mo), cobre (Cu), cobalto (Co), Algunas células requieren manganeso (Mn) o vanadio (Va) en cantidades muy pequeñas y se denominan micronutrientes o oligoelementos. Todos estos elementos son esenciales para el funcionamiento de muchas reacciones bioquímicas y, por lo tanto, son esenciales para la vida.

Los cuatro elementos más abundantes en la materia viva (C, N, O y H) tienen números atómicos bajos y, por lo tanto, son elementos ligeros capaces de formar enlaces fuertes con otros átomos para producir moléculas (Figura ( PageIndex {4} )) . A diferencia del carbono, el nitrógeno forma hasta tres enlaces, el oxígeno forma hasta dos y el hidrógeno forma uno. Cuando se unen dentro de las moléculas, el oxígeno, el azufre y el nitrógeno a menudo tienen uno o más "pares solitarios" de electrones que juegan un papel importante en la determinación de muchas de las propiedades físicas y químicas de las moléculas. Estos rasgos en combinación permiten la formación de un gran número de diversas especies moleculares necesarias para formar las estructuras y habilitar las funciones de los organismos vivos.

Los organismos vivos contienen compuestos inorgánicos (principalmente agua y sales) y moléculas orgánicas. Las moléculas orgánicas contienen carbono; los compuestos inorgánicos no lo hacen. Los óxidos de carbono y los carbonatos son excepciones; contienen carbono pero se consideran inorgánicos porque no contienen hidrógeno. Los átomos de una molécula orgánica se organizan típicamente alrededor de cadenas de átomos de carbono.

Los compuestos inorgánicos constituyen del 1% al 1,5% de la masa de una célula viva. Son compuestos pequeños y simples que juegan un papel importante en la célula, aunque no forman estructuras celulares. La mayor parte del carbono que se encuentra en las moléculas orgánicas se origina a partir de fuentes de carbono inorgánico, como el dióxido de carbono capturado a través de la fijación de carbono por microorganismos.

Ejercicio ( PageIndex {1} )

  1. Describe los elementos más abundantes en la naturaleza.
  2. Describe los elementos más abundantes en la naturaleza.
  3. ¿Cuáles son las diferencias entre moléculas orgánicas e inorgánicas?

Moléculas orgánicas

Las moléculas orgánicas en los organismos son generalmente más grandes y más complejas que las moléculas inorgánicas. Sus esqueletos de carbono se mantienen unidos por enlaces covalentes. Forman las células de un organismo y realizan las reacciones químicas que facilitan la vida. Todas estas moléculas, llamadas biomoléculas porque forman parte de la materia viva, contienen carbono, que es el componente básico de la vida. El carbono es un elemento muy singular ya que tiene cuatro electrones de valencia en sus orbitales externos y puede formar cuatro enlaces covalentes simples con hasta otros cuatro átomos al mismo tiempo. Estos átomos suelen ser oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, azufre, fósforo y el propio carbono; el compuesto orgánico más simple es el metano, en el que el carbono se une solo al hidrógeno (Figura ( PageIndex {5} )).

Como resultado de la combinación única de tamaño y propiedades de enlace del carbono, los átomos de carbono pueden unirse en grandes cantidades, produciendo así una cadena o esqueleto de carbono. El esqueleto carbónico de las moléculas orgánicas puede ser lineal, ramificado o en forma de anillo (cíclico). Las moléculas orgánicas están formadas por cadenas de átomos de carbono de diferentes longitudes; la mayoría son típicamente muy largas, lo que permite una gran cantidad y variedad de compuestos. Ningún otro elemento tiene la capacidad de formar tantas moléculas diferentes de tantos tamaños y formas diferentes.

Las moléculas con la misma composición atómica pero diferente disposición estructural de átomos se denominan isómeros. El concepto de isomería es muy importante en química porque la estructura de una molécula siempre está directamente relacionada con su función. Los cambios leves en la disposición estructural de los átomos en una molécula pueden dar lugar a propiedades muy diferentes. Los químicos representan moléculas por su fórmula estructural, que es una representación gráfica de la estructura molecular, que muestra cómo están dispuestos los átomos. Los compuestos que tienen fórmulas moleculares idénticas pero que difieren en la secuencia de enlace de los átomos se denominan isómeros estructurales. Los monosacáridos glucosa, galactosa y fructosa tienen todos la misma fórmula molecular, C6H12O6, pero podemos ver en la Figura ( PageIndex {6} ) que los átomos están unidos de manera diferente.

Los isómeros que difieren en la disposición espacial de los átomos se denominan estereoisómeros; un tipo único son los enantiómeros. Las propiedades de los enantiómeros fueron descubiertas originalmente por Louis Pasteur en 1848 mientras usaba un microscopio para analizar los productos de fermentación cristalizados del vino. Los enantiómeros son moléculas que tienen la característica de quiralidad, en las que sus estructuras son imágenes especulares no superponibles entre sí. La quiralidad es una característica importante en muchas moléculas biológicamente importantes, como lo ilustran los ejemplos de diferencias estructurales en las formas enantioméricas del monosacárido glucosa o del aminoácido alanina (Figura ( PageIndex {7} )).

Muchos organismos solo pueden usar una forma enantiomérica de ciertos tipos de moléculas como nutrientes y como bloques de construcción para construir estructuras dentro de una célula. Algunas formas enantioméricas de aminoácidos tienen sabores y olores claramente diferentes cuando se consumen como alimento. Por ejemplo, el L-aspartamo, comúnmente llamado aspartamo, tiene un sabor dulce, mientras que el D-aspartamo no tiene sabor. Los enantiómeros de fármacos pueden tener efectos farmacológicos muy diferentes. Por ejemplo, el compuesto metorfano existe como dos enantiómeros, uno de los cuales actúa como antitusivo (dextrometorfano, un supresor de la tos), mientras que el otro actúa como analgésico (levometorfano, un fármaco de efecto similar a la codeína).

Los enantiómeros también se denominan isómeros ópticos porque pueden rotar el plano de la luz polarizada. Algunos de los cristales que Pasteur observó durante la fermentación del vino giraron la luz en el sentido de las agujas del reloj, mientras que otros giraron la luz en el sentido contrario. Hoy, denotamos enantiómeros que rotan la luz polarizada en el sentido de las agujas del reloj (+) como D formas, y la imagen especular de la misma molécula que gira la luz polarizada en sentido antihorario (-) como el l formulario. los D y l las etiquetas se derivan de las palabras latinas diestro (a la derecha) y laevus (a la izquierda), respectivamente. Estos dos isómeros ópticos diferentes a menudo tienen propiedades y actividades biológicas muy diferentes. Ciertas especies de mohos, levaduras y bacterias, como Rhizopus, Yarrowia, y Lactobacillus spp., respectivamente, solo pueden metabolizar un tipo de isómero óptico; el isómero opuesto no es adecuado como fuente de nutrientes. Otra razón importante para conocer los isómeros ópticos es el uso terapéutico de este tipo de productos químicos para el tratamiento de fármacos, porque algunos microorganismos solo pueden verse afectados por un isómero óptico específico.

Ejercicio ( PageIndex {2} )

  • Decimos que la vida está basada en carbono. ¿Qué hace que el carbono sea tan adecuado para formar parte de todas las macromoléculas de los organismos vivos?
  • ¿Por qué es tan importante la disposición de los átomos?

Síntesis de moléculas biológicas:

Las macromoléculas biológicas son moléculas grandes, necesarias para la vida, que se construyen a partir de moléculas orgánicas más pequeñas. Hay cuatro clases principales de macromoléculas biológicas (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos); cada uno es un componente celular importante y realiza una amplia gama de funciones. Combinadas, estas moléculas constituyen la mayor parte de la masa seca de una célula (recuerde que el agua constituye la mayor parte de su masa completa). Las macromoléculas biológicas son orgánicas, lo que significa que contienen carbono. Además, pueden contener hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y elementos menores adicionales. También comparten el uso de grupos funcionales y reacciones de construcción y deconstrucción casi idénticas.

Tabla ( PageIndex {1} ): Funciones de las macromoléculas

MacromoléculaFunciones
CarbohidratosAlmacenamiento de energía, receptores, alimentos, papel estructural en plantas, paredes celulares de hongos, exoesqueletos de insectos.
LípidosAlmacenamiento de energía, estructura de membranas, aislamiento, hormonas, pigmentos.
Ácidos nucleicosAlmacenamiento y transferencia de información genética
ProteínasEnzimas, estructura, receptores, transporte, papel estructural en el citoesqueleto de una célula y la matriz extracelular.

Grupos funcionales biológicamente significativos

Además de contener átomos de carbono, las biomoléculas también contienen grupos funcionales: grupos de átomos dentro de moléculas que se clasifican por su composición química específica y las reacciones químicas que realizan, independientemente de la molécula en la que se encuentre el grupo. Algunos de los grupos funcionales más comunes se enumeran en la Figura ( PageIndex {8} ). En las fórmulas, el símbolo R significa "residuo" y representa el resto de la molécula. R puede simbolizar un solo átomo de hidrógeno o puede representar un grupo de muchos átomos. Observe que algunos grupos funcionales son relativamente simples, constan de solo uno o dos átomos, mientras que algunos comprenden dos de estos grupos funcionales más simples. Por ejemplo, un grupo carbonilo es un grupo funcional compuesto por un átomo de carbono con doble enlace a un átomo de oxígeno: C = O. Está presente en varias clases de compuestos orgánicos como parte de grupos funcionales más grandes como cetonas, aldehídos, ácidos carboxílicos y amidas. En las cetonas, el carbonilo está presente como grupo interno, mientras que en los aldehídos es un grupo terminal.

Los enlaces de hidrógeno entre grupos funcionales (dentro de la misma molécula o entre moléculas diferentes) son importantes para la función de muchas macromoléculas y les ayudan a plegarse adecuadamente y mantener la forma adecuada para su funcionamiento. Los enlaces de hidrógeno también participan en varios procesos de reconocimiento, como el apareamiento de bases complementarias del ADN y la unión de una enzima a su sustrato, como se ilustra en la Figura ( PageIndex {9} ).

Síntesis de deshidratación

La mayoría de las macromoléculas están hechas de subunidades únicas, o bloques de construcción, llamados monómeros. Los monómeros se combinan entre sí mediante enlaces covalentes para formar moléculas más grandes conocidas como polímeros. Al hacerlo, los monómeros liberan moléculas de agua como subproductos. Este tipo de reacción se conoce como síntesis de deshidratación, que significa "juntarse mientras se pierde agua".

En una reacción de síntesis de deshidratación (Figura ( PageIndex {10} )), el hidrógeno de un monómero se combina con el grupo hidroxilo de otro monómero, liberando una molécula de agua. Al mismo tiempo, los monómeros comparten electrones y forman enlaces covalentes. A medida que se unen monómeros adicionales, esta cadena de monómeros repetidos forma un polímero. Se pueden combinar diferentes tipos de monómeros en muchas configuraciones, dando lugar a un grupo diverso de macromoléculas. Incluso un tipo de monómero puede combinarse de diversas formas para formar varios polímeros diferentes: por ejemplo, los monómeros de glucosa son los constituyentes del almidón, el glucógeno y la celulosa.

Hidrólisis

Los polímeros se descomponen en monómeros en un proceso conocido como hidrólisis, que significa "dividir el agua", una reacción en la que se usa una molécula de agua durante la descomposición (Figura ( PageIndex {11} )). Durante estas reacciones, el polímero se divide en dos componentes: una parte gana un átomo de hidrógeno (H +) y la otra gana una molécula de hidroxilo (OH–) a partir de una molécula de agua dividida.

Las reacciones de deshidratación e hidrólisis son catalizadas o "aceleradas" por enzimas específicas; Las reacciones de deshidratación implican la formación de nuevos enlaces que requieren energía, mientras que las reacciones de hidrólisis rompen enlaces y liberan energía. Estas reacciones son similares para la mayoría de las macromoléculas, pero cada reacción de monómero y polímero es específica para su clase. Por ejemplo, en nuestros cuerpos, los alimentos se hidrolizan o descomponen en moléculas más pequeñas por las enzimas catalíticas del sistema digestivo. Esto permite una fácil absorción de nutrientes por las células del intestino. Cada macromolécula se descompone mediante una enzima específica. Por ejemplo, los carbohidratos se descomponen mediante amilasa, sacarasa, lactasa o maltasa. Las proteínas son degradadas por las enzimas pepsina y peptidasa y por el ácido clorhídrico. Los lípidos son degradados por las lipasas. La descomposición de estas macromoléculas proporciona energía para las actividades celulares.

Visite este sitio para ver representaciones visuales de la síntesis y la hidrólisis de la deshidratación.

Conceptos clave y resumen

  • Las propiedades únicas del carbono lo convierten en una parte central de las moléculas biológicas, que se une al oxígeno, al hidrógeno y al nitrógeno de forma covalente para formar las muchas moléculas importantes para la función celular.
  • El carbono tiene cuatro electrones en su capa más externa y puede formar cuatro enlaces.
  • El carbono y el hidrógeno pueden formar cadenas o anillos de hidrocarburos. La forma de estas cadenas o anillos define sus características químicas generales y su función.
  • Los elementos más abundantes en las células son hidrógeno, carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre.
  • La vida está basada en carbono. Cada átomo de carbono puede unirse a otro produciendo un esqueleto de carbono que puede ser recto, ramificado o en forma de anillo.
  • Los mismos números y tipos de átomos pueden unirse de diferentes maneras para producir diferentes moléculas llamadas isómeros. Los isómeros pueden diferir en la secuencia de enlace de sus átomos (isómeros estructurales) o en la disposición espacial de átomos cuyas secuencias de enlace son las mismas (estereoisómeros), y sus propiedades físicas y químicas pueden variar leve o drásticamente.
  • Las proteínas, los carbohidratos, los ácidos nucleicos y los lípidos son las cuatro clases principales de macromoléculas biológicas: moléculas grandes necesarias para la vida que se construyen a partir de moléculas orgánicas más pequeñas.
  • Grupos funcionales confieren propiedades químicas específicas a las moléculas que las portan.
  • Las macromoléculas están formadas por unidades individuales conocidas como monómeros que se unen mediante enlaces covalentes para formar polímeros más grandes.
  • Un monómero se une con otro monómero con la liberación de una molécula de agua, lo que lleva a la formación de un enlace covalente. Este tipo de reacciones se conocen como reacciones de deshidratación o condensación.
  • Cuando los polímeros se descomponen en unidades más pequeñas (monómeros), se usa una molécula de agua por cada enlace roto por estas reacciones; tales reacciones se conocen como reacciones de hidrólisis.
  • Las reacciones de deshidratación e hidrólisis son similares para todas las macromoléculas, pero cada reacción de monómero y polímero es específica de su clase. Las reacciones de deshidratación generalmente requieren una inversión de energía para la formación de nuevos enlaces, mientras que las reacciones de hidrólisis normalmente liberan energía al romper los enlaces.

Glosario

hidrocarburo alifático
hidrocarburo que consta de una cadena lineal de átomos de carbono
hidrocarburo aromático
hidrocarburo formado por anillos cerrados de átomos de carbono
macromolécula biológica
Molécula grande necesaria para la vida que se construye a partir de moléculas orgánicas más pequeñas.
síntesis de deshidratación
(también, condensación) reacción que une las moléculas de monómero, liberando una molécula de agua por cada enlace formado
hidrocarburo
Molécula que consta solo de carbono e hidrógeno.
hidrólisis
La reacción provoca la descomposición de moléculas más grandes en moléculas más pequeñas con la utilización de agua.
monómero
unidad más pequeña de moléculas más grandes llamadas polímeros
molécula orgánica
cualquier molécula que contenga carbono (excepto dióxido de carbono)
polímero
cadena de residuos de monómero que está unida por enlaces covalentes; La polimerización es el proceso de formación de polímeros a partir de monómeros por condensación.
hidrocarburo sustituido
cadena o anillo de hidrocarburo que contiene un átomo de otro elemento en lugar de uno de los carbonos del esqueleto

2.3: Carbono y moléculas orgánicas - Biología

Audesirk / Audesirk: Life on Earth Capítulo 2: Átomos, moléculas y vida

1. Un átomo es la unidad de materia más pequeña que es exclusiva de un elemento en particular.

2. Un elemento es una sustancia que no se puede descomponer ni convertir en diferentes sustancias mediante reacciones químicas ordinarias.

3. Una molécula es una unidad unida de dos o más átomos (iguales o diferentes).

4. Los compuestos son sustancias en las que dos o más elementos se combinan en proporciones fijas. es decir, agua

5. Una mezcla está compuesta por dos o más compuestos, en proporciones variables.

una. Los protones (p +) son parte del núcleo atómico y tienen carga positiva.

B. Los neutrones también forman parte del núcleo, son neutrales.

C. Los electrones (e-) tienen carga negativa. Su cantidad es igual a la de los protones. Se mueven alrededor del núcleo.

7. Número atómico y número de masa

una. Número atómico = el número de protones en el núcleo de un elemento.

B. Protones más neutrones = masa atómica.

Isótopos: formas variantes de átomos

1. Los átomos con el mismo número de protones (por ejemplo, carbono con seis) pero un número diferente de neutrones (el carbono puede tener seis, siete u ocho) se denominan isótopos. (por ejemplo, 12 C, 13 C, 14 C).

2. Algunos isótopos radiactivos son inestables y tienden a descomponerse en átomos más estables.

Electrones y niveles de energía

1. Los electrones son atraídos por los protones pero son repelidos por otros electrones.

Los orbitales (niveles de energía) permiten que los electrones permanezcan lo más cerca posible del núcleo y lo más lejos posible entre sí.

Se puede pensar que los orbitales ocupan capas alrededor del núcleo.

una. La capa más cercana al núcleo tiene un orbital que contiene un máximo de dos electrones.

B. La siguiente capa puede tener 4 orbitales con dos electrones cada uno para un total de 8 electrones.

2. Los principios básicos de la reactividad atómica son:

una. Un átomo es estable (no reaccionará con otros átomos) cuando su capa de electrones más externa está completamente llena o completamente vacía.

B. Un átomo es reactivo cuando su capa de electrones más externa está parcialmente llena.

Enlaces químicos: unión de átomos para formar moléculas

A. ¿Qué es un enlace químico?

1. Un enlace químico es una unión entre átomos que se forma cuando ceden, ganan o comparten electrones.

2. La unión de un átomo con otro depende del número y la disposición de sus electrones.

1. Cuando un átomo pierde o gana uno o más electrones, se carga positiva o negativamente. A esto se le llama ion.

2. En un enlace iónico, los iones (+) y (-) están unidos por atracción mutua de cargas opuestas. Enlaces iónicos entre dos átomos con grandes diferencias de electronegatividad. p.ej. NaCl, KCl.

1. Un enlace covalente mantiene unidos dos átomos que comparten uno o más pares de electrones.

2. En un enlace covalente no polar, los átomos comparten electrones por igual.

La mayoría de los enlaces covalentes no polares se producen en moléculas diatómicas.

p.ej. H 2, Cl 2, O 2 y N 2.

3. En un enlace covalente polar, debido a que los átomos comparten el electrón de manera desigual, hay una ligera diferencia de carga entre los dos polos del enlace. El HCl y el agua son ejemplos.

1. En un enlace de hidrógeno, un átomo o una molécula interactúa débilmente con un átomo de hidrógeno que ya forma parte de un enlace covalente polar.

2. Estos enlaces imparten estructura al agua líquida y estabilizan los ácidos nucleicos y otras moléculas.

A. El agua tiene propiedades solventes sobresalientes.

B. La polaridad de la molécula de agua influye en el comportamiento de otras sustancias.

1. Debido a la disposición de los electrones en la molécula de agua, se produce una polaridad que permite que el agua forme enlaces de hidrógeno consigo misma y con otras sustancias polares.

2. Las sustancias polares son hidrófilas (amantes del agua), las no polares son hidrófobas (temen al agua) y son repelidas por el agua.

C. El agua tiene efectos estabilizadores de la temperatura.

1. El agua tiende a estabilizar la temperatura porque puede absorber un calor considerable antes de que cambie la temperatura.

2. El agua tiene tres propiedades que moderan los efectos de los cambios de temperatura.

una. El agua tiene un calor específico elevado. El calor específico es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de una sustancia en 1 o C.

B. El agua modera los efectos de las altas temperaturas por su calor de vaporización. Es decir, la cantidad de calor (energía) necesaria para convertir el agua líquida en vapor de agua.

C. El agua modera los efectos de las bajas temperaturas por su Calor de Fusión. Es decir, la cantidad de energía que debe eliminarse del agua líquida antes de la formación de hielo.

D. El agua tiene propiedades cohesivas.

1. El enlace de hidrógeno de las moléculas de agua proporciona cohesión.

2. La cohesión imparte tensión superficial (capacidad para resistir la ruptura) que ayuda a sacar el agua a través de las plantas y permite que los insectos "se detengan" en el agua.

Agua, iones disueltos y pH

1. El pH es una medida de la concentración de & # 91H + & # 93 en una solución, cuanto mayor es & # 91H + & # 93, menor es el pH.

2. La escala se extiende de 0 (ácido) a 7 (neutro) a 14 (básico).

3. El interior de las células vivas tiene un pH cercano a 7.

1. Una sustancia que libera iones de hidrógeno (H +) en solución es un ácido, por ejemplo, HCl.

2. Las sustancias que liberan iones como OH - (iones de hidróxido) que pueden combinarse con iones de hidrógeno se denominan bases, por ejemplo, NaOH.

3. Una sal es un compuesto iónico que se forma cuando un ácido reacciona con una base.

ejemplo: NaOH + HCl - & gt NaCl + H 2 O.

C. Tampones y pH de los fluidos corporales

1. Las moléculas amortiguadoras se combinan o liberan H + para evitar cambios drásticos en el pH.

2. El ácido carbónico es uno de los principales amortiguadores del cuerpo.

Fórmula para la vida (efecto Bohr)

CO 2 + H 2 O & lt = & gt H 2 CO 3 & lt = & gt H + + HCO 3 -

Moléculas inorgánicas y orgánicas

Propiedades de los compuestos orgánicos

A. Un compuesto orgánico consta de carbono y uno o más elementos adicionales, unidos covalentemente entre sí.

B. Enlaces carbono-carbono y estabilidad frente a compuestos orgánicos

1. El oxígeno, el hidrógeno y el carbono son los elementos más abundantes en la materia viva.

2. Gran parte del H y O están vinculados como agua.

3. El carbono puede compartir pares de electrones con hasta otros cuatro átomos para formar moléculas orgánicas de varias configuraciones.

C.Los enlaces carbono-carbono y la forma de los compuestos orgánicos

1. Un átomo de carbono puede girar libremente alrededor de un solo enlace covalente.

2. Un enlace covalente doble restringe la rotación.

3. Estas interacciones ayudan a dar lugar a las formas y funciones tridimensionales de las moléculas biológicas.

D. Hidrocarburos y grupos funcionales

1. En los hidrocarburos, solo los átomos de hidrógeno están unidos al esqueleto de carbono, estas moléculas son bastante estables.

2. Los grupos funcionales son átomos o grupos de átomos unidos covalentemente a un esqueleto de carbono que transmiten propiedades distintas, como solubilidad y reactividad química, a la molécula completa.

Cómo usan las células los compuestos orgánicos

A. Cinco clases de reacciones

1. Las enzimas son una clase especial de proteínas que median cinco categorías de reacciones químicas: a. Transferencia de grupos funcionales de una molécula a otra.

B. transferencia de electrones: electrones despojados de una molécula y entregados a otra

C. El reordenamiento de los enlaces internos convierte un tipo de molécula orgánica en otra.

D. condensación de dos moléculas en una molécula

mi. escisión de una molécula en dos moléculas

2. En una reacción de condensación (síntesis de deshidratación), a una molécula se le quita su H +, a otra se le quita su OH & emdash, luego los dos fragmentos de moléculas se unen para formar un nuevo compuesto y el H + y OH & emdash forman agua.

3. La hidrólisis es lo contrario: una molécula se divide mediante la adición de H + y OH- (del agua) a los componentes.

1. Estas moléculas se utilizan como fuente de energía o como componentes básicos para la síntesis de macromoléculas: polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

2. Incluyen azúcares simples, ácidos grasos, aminoácidos y nucleótidos, todos los cuales tienen funciones propias, así como la capacidad de formar macromoléculas más grandes.

A. Monosacáridos y endash Los azúcares simples

1. Monosacáridos y unidad de azúcar endásonada y endashare los carbohidratos más simples.

2. Se caracterizan por su solubilidad en agua, sabor dulce y varios grupos -OH.

3. La ribosa y la desoxirribosa (cadenas principales de cinco carbonos) son componentes básicos de los ácidos nucleicos.

4. La glucosa y la fructosa (cadenas principales de seis carbonos) se utilizan para ensamblar carbohidratos más grandes.

5. Otras moléculas importantes derivadas de los monómeros de azúcar incluyen: glicerol, vitamina C y glucosa-6-fosfato.

1. Un oligosacárido es una cadena corta de dos o más monómeros de azúcar.

2. Disacáridos y endash dos unidades de azúcar y ejemplos de endashare.

una. La sacarosa (glucosa + fructosa) es una forma de transporte de azúcar utilizada por las plantas y recolectada por los humanos para su uso en alimentos.

B. La lactosa (glucosa + galactosa) está presente en la leche.

C. La maltosa (dos unidades de glucosa) está presente en las semillas en germinación.

3. Los oligosacáridos con tres o más monómeros de azúcar se unen como cadenas laterales cortas a proteínas donde participan en la función de la membrana.

Carbohidratos complejos: los polisacáridos

A. Un polisacárido es una cadena lineal o ramificada de cientos o miles de monómeros de azúcar.

B. El almidón es una forma de almacenamiento de energía de las plantas, dispuesta como cadenas en espiral no ramificadas, que se hidroliza fácilmente en unidades de glucosa.

C. La celulosa es un material estructural similar a una fibra, resistente e insoluble, que se utiliza en las paredes de las células vegetales.

D. El glucógeno es una cadena muy ramificada que utilizan los animales para almacenar energía en los músculos y el hígado.

E. La quitina es un polisacárido especializado con nitrógeno unido a las unidades de glucosa; se utiliza como material estructural en exoesqueletos de artrópodos y paredes celulares de hongos.

A. Los lípidos son compuestos grasos o aceitosos con poca tendencia a disolverse en agua.

1. Pueden descomponerse mediante reacciones de hidrólisis.

2. Funcionan en el almacenamiento de energía, la estructura de las membranas y los revestimientos.

1. Un ácido graso es una cadena larga formada principalmente por átomos de carbono e hidrógeno con un grupo -COOH en un extremo.

2. Cuando forman parte de lípidos complejos, los ácidos grasos son como colas largas y flexibles.

una. Las grasas saturadas (triglicéridos) tienen solo enlaces C y endashC sencillos en sus colas de ácidos grasos y son sólidos a temperatura ambiente.

B. Las grasas insaturadas son líquidos (aceites) a temperatura ambiente porque uno o más dobles enlaces entre los carbonos en los ácidos grasos permiten "retorcimientos" en las colas.

C. Grasas neutras (triglicéridos)

1. Están formados por la unión de uno (mono-), dos (di-) o tres (tri) ácidos grasos a un glicerol.

2. Son una rica fuente de energía, produciendo más del doble de energía por peso que los carbohidratos.

1. Están formados por la unión de dos ácidos grasos más un grupo fosfato a un glicerol.

2. Son el principal material estructural de las membranas.

1. Se forman por la unión de ácidos grasos de cadena larga a alcoholes de cadena larga o anillos de carbono.

2. Sirven como revestimientos para partes de plantas y como revestimientos para animales.

F. Esteroles y sus derivados

1. Los esteroles tienen una columna vertebral de cuatro anillos de carbono.

2. El colesterol es un componente de las membranas celulares de los animales y puede modificarse para formar hormonas sexuales (testosterona y estrógeno).

A. Las proteínas son polímeros de aminoácidos.

1. Las proteínas funcionan como enzimas, en los movimientos celulares, como agentes de almacenamiento y transporte, como hormonas, como anticuerpos y como material estructural.

2. Los aminoácidos son pequeñas moléculas orgánicas con un grupo amino, un grupo carboxilo y uno de veinte grupos R variables.

B. Estructura primaria de las proteínas

1. La estructura primaria se define como secuencias ordenadas de aminoácidos, cada una unida por enlaces peptídicos para formar cadenas polipeptídicas. Los aminoácidos se unen para formar cadenas mediante síntesis por deshidratación.

2. Hay veinte tipos de aminoácidos disponibles en la naturaleza.

3. La secuencia de aminoácidos está determinada por el ADN y es única para cada tipo de proteína.

C. Estructura tridimensional de las proteínas

1. Las proteínas fibrosas tienen cadenas polipeptídicas organizadas como hebras u hojas que contribuyen a la forma, organización interna y movimiento de las células.

2. Las proteínas globulares, incluidas la mayoría de las enzimas, tienen sus cadenas plegadas en formas compactas y redondeadas.

3. La estructura tridimensional está determinada por la forma en que las secuencias de aminoácidos presentan sus átomos para formar puentes de hidrógeno.

una. La estructura secundaria se refiere a la espiral helicoidal (como en la hemoglobina) o matriz en forma de hoja (como en la seda) que resulta del enlace de hidrógeno de los grupos laterales en las cadenas de aminoácidos.

B. La estructura terciaria es el resultado del plegamiento debido a interacciones entre los grupos R a lo largo de la cadena polipeptídica.

C. La estructura cuaternaria describe el acomplejamiento de dos o más cadenas polipeptídicas para formar proteínas globulares (ejemplo: hemoglobina) o fibrosas.

D. Lipoproteínas y glicoproteínas

1. Las lipoproteínas tienen componentes lipídicos y proteicos que transportan grasas y colesterol en la sangre.

2. Las glicoproteínas consisten en oligosacáridos unidos covalentemente a proteínas que son abundantes en el exterior de las células animales, como productos celulares y en la sangre.

1. Las altas temperaturas o los cambios en el pH pueden causar la pérdida de la forma tridimensional normal de una proteína (desnaturalización).

2. El funcionamiento normal se pierde con la desnaturalización, que a menudo es irreversible.

Nucleótidos y ácidos nucleicos

A. Nucleótidos con funciones clave en el metabolismo

1. Cada nucleótido consta de un azúcar de cinco carbonos (ribosa o desoxirribosa), una base que contiene nitrógeno y un grupo fosfato.

2. Los fosfatos de adenosina son mensajeros químicos (cAMP) o portadores de energía (ATP).

3. Las coenzimas de nucleótidos transportan átomos de hidrógeno y electrones (ejemplos: NAD + y FAD).

B. Disposición de nucleótidos en ácidos nucleicos: ADN y ARN

1. Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos. una. Cuatro tipos diferentes de nucleótidos se unen para formar moléculas grandes de una o dos hebras.

B. La columna vertebral de cada hebra consiste en azúcares y fosfatos unidos con bases de nucleótidos que se proyectan hacia el interior.

2. Los dos ácidos nucleicos más importantes son el ADN y el ARN.

una. El ADN es una hélice de doble hebra que lleva instrucciones hereditarias codificadas.

B. El ARN es monocatenario y funciona traduciendo el código para construir proteínas.

Copyright 2000 de Steven Wormsley
Última actualización el 5 de enero de 2000 por Steven Wormsley


2.3: Carbono y moléculas orgánicas - Biología

PARTE II. PIEDRAS ANGULARES: QUÍMICA, CÉLULAS Y METABOLISMO

3. Moléculas orgánicas: las moléculas de la vida

Por el inodoro, pero ¿luego qué?

Científicos cada vez más preocupados por el agua que bebemos.

Se ha informado que se ha encontrado una gran variedad de productos farmacéuticos en los suministros de agua potable de al menos 41 millones de estadounidenses. Muchos de estos son compuestos orgánicos e incluyen antibióticos, anticonvulsivos, estabilizadores del estado de ánimo y hormonas sexuales. Los compuestos orgánicos pueden ser moléculas muy complejas y duraderas. ¿Cómo llegan estas drogas al agua? Una forma es mediante fármacos no metabolizados que se excretan en la orina. Además, los proveedores de atención médica recomiendan que los medicamentos no utilizados se tomen por el inodoro. Además, estos compuestos ingresan al suministro de agua en ocasiones por derrames accidentales que pueden resultar en la contaminación de nuestra agua. Un administrador de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) declaró que este problema es una preocupación creciente. La EPA se está tomando este problema en serio porque ni el tratamiento de aguas residuales ni la purificación del agua pueden eliminar todos los medicamentos.

A medida que los científicos aprenden de su investigación, se formulan preguntas más específicas que se relacionan con los efectos a largo plazo en la salud de la contaminación farmacéutica de nuestra agua. Por ejemplo, un fármaco popular para la osteoporosis, Fosamax, se ha relacionado con un dolor musculoesquelético severo y una enfermedad ósea grave llamada osteonecrosis de la mandíbula (ONJ), también conocida como "mandíbula muerta" y "mandíbula fossy". Las biopelículas microbianas, una mezcla de bacterias y compuestos orgánicos pegajosos, parecen ser la causa de este efecto secundario. Si los medicamentos alcanzan niveles suficientemente altos de contaminación en nuestro suministro de agua, ¿veremos un aumento de la ONM en las personas que ni siquiera toman este medicamento?

Algunos dentistas están observando la erupción de los segundos molares en niños de tan solo 8 años. Normalmente, estos no aparecen hasta que la persona tiene unos 12 o 13 años. ¿Podría haber una relación de causa y efecto con algún contaminante farmacéutico en nuestro suministro de agua?

• ¿Qué diferencia a las moléculas orgánicas de otras moléculas?

• ¿Cuál es la estructura de varios compuestos orgánicos?

• ¿Hay algún momento en el que la cura sea peor que la enfermedad?

Conceptos que ya debería conocer para sacarle el máximo partido a este capítulo:

• La naturaleza de la materia (capítulo 2)

• Cambios químicos que pueden ocurrir en la materia (capítulo 2)

• Las características clave del agua (capítulo 2)

• Los diferentes tipos de reacciones químicas (capítulo 2)

Los principios y conceptos discutidos en el capítulo 2 se aplican a todo tipo de materia, tanto viviente como no viviente. Los sistemas vivos están compuestos por varios tipos de moléculas.La mayoría de las sustancias químicas descritas en el capítulo 2 no contienen átomos de carbono y, por tanto, se clasifican como moléculas inorgánicas. Este capítulo se ocupa principalmente de estructuras más complejas, moléculas orgánicas, que contienen átomos de carbono dispuestos en anillos o cadenas. Las palabras orgánico, organismo, órgano y organizar están todas relacionadas. Los objetos organizados tienen partes que encajan entre sí de manera significativa. Los organismos son seres vivos que están organizados. Los animales, por ejemplo, tienen sistemas de órganos dentro de sus cuerpos y sus órganos están compuestos de tipos únicos de moléculas que son orgánicas.

Los significados originales de los términos inorgánico y orgánico provienen del hecho de que se pensaba que los materiales orgánicos estaban vivos o eran producidos solo por seres vivos. Existe un vínculo muy fuerte entre la química orgánica y la química de los seres vivos, que se llama bioquímica o química biológica. La química moderna ha alterado considerablemente los significados originales de los términos orgánico e inorgánico, porque ahora es posible fabricar moléculas orgánicas únicas que los seres vivos no pueden producir. Muchos de los materiales que utilizamos a diario son el resultado del arte de la química orgánica. Nylon, aspirina, barniz de poliuretano, siliconas, plexiglás, envoltura para alimentos, teflón e insecticidas son solo algunas de las moléculas sintéticas únicas que han sido inventadas por los químicos orgánicos (figura 3.1). Los plásticos como el polietileno de baja densidad (LDPE) que se usa para fabricar bolsas de basura son moléculas extremadamente estables que requieren cientos de años para descomponerse.

FIGURA 3.1. Algunos materiales orgánicos sintéticos comunes

Estos son solo algunos ejemplos de productos que contienen compuestos orgánicos útiles inventados y fabricados por químicos.

Muchos químicos orgánicos han tomado el liderazgo de los organismos vivos y han podido producir moléculas orgánicas de manera más eficiente, o en formas que son ligeramente diferentes de las moléculas naturales originales. Algunos ejemplos de estos son el caucho, la penicilina, ciertas vitaminas, la insulina y el alcohol (figura 3.2). Otro ejemplo es el insecticida Pyrethrin. Se basa en un insecticida natural y se usa ampliamente para fines agrícolas y domésticos. Se deriva de un cierto tipo de planta de crisantemo, Pyrethrum cinerariaefolium.

FIGURA 3.2. Compuestos orgánicos naturales y sintéticos

(a) Este investigador está probando antibióticos producidos por microbios aislados del medio ambiente. Cada disco de papel, que contiene un antibiótico diferente, se coloca en la superficie de una placa de Petri con bacterias que causan enfermedades en crecimiento. La presencia de una "zona muerta" alrededor de un disco indica que el antibiótico se ha extendido a través del gel y puede inhibir o matar las bacterias. (b) Ciertos tipos de crisantemos producen el insecticida Pyrethrin. (c) Puede encontrarse como un "ingrediente activo" en muchos productos para matar hormigas y cucarachas disponibles comercialmente.

Carbono: el átomo central

Todas las moléculas orgánicas, naturales o sintéticas, tienen ciertas características comunes. El átomo de carbono, que es el átomo central de todas las moléculas orgánicas, tiene algunas propiedades inusuales que contribuyen a la naturaleza de un compuesto orgánico. El carbono es único porque puede combinarse con otros átomos de carbono para formar cadenas largas. En muchos casos, los extremos de estas cadenas pueden unirse para formar anillos (figura 3.3).

FIGURA 3.3. Estructuras de cadena y anillo

La estructura de anillo que se muestra en la parte inferior se forma uniendo los dos extremos de una cadena de átomos de carbono.

También es inusual que estos sitios de enlace estén todos ubicados a distancias iguales entre sí porque los 4 electrones más externos no permanecen en las posiciones estándar descritas en el capítulo 2. Se distribuyen de manera diferente, lo que les permite estar lo más alejados posible ( figura 3.4). Los átomos de carbono suelen estar implicados en enlaces covalentes. Debido a que el carbono tiene cuatro lugares donde puede unirse, el átomo de carbono puede combinarse con otros cuatro átomos formando cuatro enlaces covalentes individuales separados con otros átomos. Este es el caso de la molécula de metano, que tiene cuatro átomos de hidrógeno unidos a un solo átomo de carbono (revise la figura 3.4). El metano puro es un gas incoloro e inodoro que constituye el 95% del gas natural. El aroma del gas natural es el resultado de la adición de mercaptano y disulfuro de trimetilo por seguridad para que las personas sepan cuando ocurre una fuga.

FIGURA 3.4. Modelos de una molécula de metano

Las estructuras de las moléculas se pueden modelar de muchas formas. En aras de la simplicidad, los diagramas de moléculas como el gas metano pueden ser (a) dibujos bidimensionales, aunque en realidad son moléculas tridimensionales y ocupan espacio. El modelo que se muestra en (b) se llama modelo de bola y palo. La parte (c) es un modelo que llena el espacio, mientras que (d) es un modelo generado por computadora. Cada vez que vea las diversas formas en que se muestran las moléculas, intente imaginar cuánto espacio ocupan realmente.

Algunos átomos pueden estar unidos a un solo átomo más de una vez. Esto da como resultado una disposición ligeramente diferente de enlaces alrededor del átomo de carbono. Un ejemplo de este tipo de enlace ocurre cuando el oxígeno es atraído por un carbono. Un átomo de oxígeno tiene 2 electrones en su nivel de energía más externo. Si comparte uno de estos con un carbono y luego comparte el otro con el mismo carbono, forma un enlace covalente doble. Un doble enlace son dos enlaces covalentes formados entre dos átomos que comparten dos pares de electrones. El oxígeno no es el único átomo que puede formar dobles enlaces, pero los dobles enlaces son comunes entre el oxígeno y el carbono. El doble enlace se denota por dos líneas entre los dos átomos:

Dado que el carbono tiene 4 electrones en su nivel de energía exterior, dos átomos de carbono pueden formar enlaces dobles entre sí y luego unirse a otros átomos en los sitios de enlace restantes. La figura 3.5 muestra varios compuestos que contienen dobles enlaces.

Estos diagramas muestran varias moléculas que contienen dobles enlaces en rojo. Un doble enlace se forma cuando dos átomos comparten dos pares de electrones entre sí.

Algunas moléculas orgánicas contienen enlaces covalentes triples; el acetileno, un gas inflamable, HC = CH, es un ejemplo. Otros, como el cianuro de hidrógeno HC≡N, tienen importancia biológica. Esta molécula inhibe la producción de energía y puede causar la muerte al igual que otras moléculas orgánicas. (Cómo funciona la ciencia 3.1).

Compuestos orgánicos: ¡venenos para sus mascotas!

La viñeta inicial sobre la contaminación farmacéutica de nuestro suministro de agua tiene implicaciones de gran alcance para la salud de los seres humanos. Sin embargo, no debemos olvidarnos de nuestras mascotas, cuyo metabolismo no es necesariamente el mismo que el de los humanos. Los compuestos orgánicos pueden afectarlos de manera diferente: la mayoría de las personas tienen compuestos orgánicos en la casa o en el garaje que son tóxicos para los perros.

Ibuprofeno: este antiinflamatorio no esteroideo (AINE) puede ayudar a aliviar el dolor de cabeza de una persona, pero si lo ingiere un perro, puede causar problemas estomacales y renales en el animal. También puede alterar el sistema nervioso del perro, provocando depresión y convulsiones.

Acetaminofén: si bien es un analgésico común para las personas, este medicamento puede causar insuficiencia hepática, hinchazón de la cara y las patas y un problema con el transporte de oxígeno en la sangre en un perro. Si un perro ingiere acetaminofén, probablemente deba ser hospitalizado.

Chocolate: dos compuestos tóxicos del chocolate son la teobromina y la cafeína. La teobromina se encuentra en dulces, té y bebidas de cola. Dado que los perros y los gatitos metabolizan este compuesto muy lentamente, puede permanecer en sus cuerpos el tiempo suficiente para causar náuseas, vómitos, diarrea y aumento de la micción. Dependiendo de la cantidad de chocolate que haya ingerido la mascota, también puede causar convulsiones, hemorragia interna, ataques cardíacos y, finalmente, la muerte. La cafeína en el café, el té y las bebidas de cola puede provocar vómitos, diarrea, temblores, arritmias cardíacas y convulsiones en las mascotas. Observe cuán similar es la estructura molecular de la teobromina a la cafeína.

La complejidad de las moléculas orgánicas

Aunque muchos tipos de átomos pueden formar parte de una molécula orgánica, solo unos pocos se encuentran comúnmente. Casi siempre hay presencia de hidrógeno (H) y oxígeno (O). El nitrógeno (N), el azufre (S) y el fósforo (P) también son muy importantes en tipos específicos de moléculas orgánicas.

Es posible una enorme variedad de moléculas orgánicas, porque el carbono es capaz de (1) unirse en cuatro lugares diferentes, (2) formar largas cadenas y anillos, y (3) combinarse con muchos otros tipos de átomos. Los tipos de átomos en la molécula son importantes para determinar las propiedades de la molécula. La disposición tridimensional de los átomos dentro de la molécula también es importante. Debido a que la mayoría de las moléculas inorgánicas son pequeñas e involucran pocos átomos, un grupo de átomos generalmente se puede organizar de una sola manera para formar una molécula. Solo hay una disposición para un solo átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno en una molécula de agua. En una molécula de ácido sulfúrico, solo hay una disposición para el átomo de azufre, los dos átomos de hidrógeno y los cuatro átomos de oxígeno.

Sin embargo, considere estas dos moléculas orgánicas:

Tanto el dimetiléter como el alcohol etílico contienen dos átomos de carbono, seis átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, pero son bastante diferentes en su disposición de átomos y en las propiedades químicas de las moléculas. El primero es un éter, el segundo es un alcohol. Debido a que el éter y el alcohol tienen el mismo número y tipo de átomos, se dice que tienen la misma fórmula empírica, que en este caso se puede escribir C2H6O. Una fórmula empírica simplemente indica el número de cada tipo de átomo dentro de la molécula. La disposición de los átomos y sus enlaces dentro de la molécula se indican en una fórmula estructural. La figura 3.6 muestra varias fórmulas estructurales para la fórmula empírica C6H12O6. Las moléculas que tienen la misma fórmula empírica pero diferentes fórmulas estructurales se denominan isómeros.

FIGURA 3.6. Fórmulas estructurales para varias hexosas

Aquí se representan tres azúcares de 6 carbonos, hexosas (hex = 6 -osa = azúcar). Todos tienen la misma fórmula empírica (C6H12O6), pero cada uno tiene una fórmula estructural diferente. Estos tres se denominan isómeros estructurales. Los isómeros estructurales tienen propiedades químicas diferentes entre sí.

El esqueleto de carbono y los grupos funcionales

En el núcleo de todas las moléculas orgánicas hay un esqueleto de carbono, que está compuesto por anillos o cadenas (a veces ramificadas) de carbono. Es este esqueleto de carbono el que determina la forma general de la molécula. Las diferencias entre varios tipos de moléculas orgánicas están determinadas por tres factores: (1) la longitud y la disposición del esqueleto de carbono, (2) los tipos y ubicación de los átomos unidos a él, y (3) la forma en que estos átomos unidos están conjunto. Estas combinaciones específicas de átomos, llamadas grupos funcionales, se encuentran con frecuencia en moléculas orgánicas. El tipo de grupos funcionales unidos a un esqueleto de carbono determina las propiedades químicas específicas de esa molécula. Al aprender a reconocer algunos de los grupos funcionales, puede identificar una molécula orgánica y predecir algo sobre su actividad. La figura 3.7 muestra algunos de los grupos funcionales que son importantes en la actividad biológica. Recuerde que un grupo funcional no existe por sí solo, es parte de una molécula orgánica. Perspectivas 3.1 explica cómo los químicos y biólogos diagraman los tipos de enlaces formados en moléculas orgánicas.

FIGURA 3.7. Grupos funcionales

Estos son algunos de los grupos de átomos que con frecuencia se unen a un esqueleto de carbono. La naturaleza del compuesto orgánico cambia a medida que la naturaleza del grupo funcional cambia de una molécula a otra.

Macromoléculas de la vida

Las macromoléculas (macro = grandes) son moléculas orgánicas muy grandes. Veremos cuatro tipos importantes de macromoléculas: carbohidratos, proteínas, ácidos nucleicos y lípidos. Los carbohidratos, las proteínas y los ácidos nucleicos son todos polímeros (poli = muchos mer = segmentos). Los polímeros son combinaciones de muchos bloques de construcción similares más pequeños llamados monómeros (mono = simple) unidos entre sí (figura 3.8).

FIGURA 3.8. Niveles de organización química

Como resultado de unir unidades específicas de materia de formas específicas, se crean moléculas de enorme tamaño y complejidad.

Aunque los lípidos son macromoléculas, no son polímeros. Un polímero es similar a un collar de perlas o la cadena de un ancla de un barco. Todos los polímeros están construidos con segmentos similares (perlas o eslabones) enganchados para formar un producto grande (collar o cadena de ancla).

Los monómeros en un polímero generalmente se combinan mediante una reacción de síntesis de deshidratación (de = eliminar hidro = síntesis de agua = combinar). Esta reacción ocurre cuando dos moléculas más pequeñas se acercan lo suficiente como para eliminar un —OH de una y un —H de la otra. Estos se combinan para formar una nueva molécula de agua (H2O), y los dos segmentos restantes se combinan para formar la macromolécula.

La figura 3.9a muestra la eliminación de agua entre dos monómeros. Observe que, en este caso, las fórmulas estructurales se utilizan para ayudar a identificar dónde está ocurriendo esto. La ecuación química también indica la eliminación de agua. Puede reconocer fácilmente una reacción de síntesis de deshidratación, porque el lado reactivo de la ecuación muestra numerosas moléculas pequeñas, mientras que el lado del producto enumera menos productos y agua más grandes.

El reverso de una reacción de síntesis de deshidratación se conoce como hidrólisis (hidro = agua lisis = dividir o romper). La hidrólisis es el proceso de dividir una molécula orgánica más grande en dos o más partes componentes agregando agua (figura 3.9b). La digestión de moléculas de alimentos en el estómago es un ejemplo de hidrólisis.

Probablemente haya notado que esbozar la fórmula estructural completa de una molécula orgánica grande lleva mucho tiempo. Si conoce la estructura de los principales grupos funcionales, puede utilizar varios atajos para describir más rápidamente las estructuras químicas. Cuando varios carbonos con 2 hidrógenos se unen entre sí en una cadena, a veces se escribe de la siguiente manera:

Más simplemente, se puede escribir (—CH2—)12. Si los 12 carbonos estuvieran en un par de dos anillos, probablemente no etiquetaríamos los carbonos o hidrógenos a menos que queramos enfocarnos en un grupo o punto en particular. Probablemente dibujaríamos los dos anillos de 6 carbonos con solo hidrógeno unido de la siguiente manera:

No dejes que estos atajos te desanimen. Pronto descubrirá que pondrá un grupo —H en un esqueleto de carbono y no mostrará el enlace entre el oxígeno y el hidrógeno. Las fórmulas estructurales se incluyen regularmente en la información del prospecto de la mayoría de los medicamentos.

1. ¿Cuál es la diferencia entre moléculas orgánicas e inorgánicas?

2. ¿Qué dos características de la molécula de carbono la hacen única?

3. Dibuje un ejemplo de los siguientes grupos funcionales: amino, alcohol, carboxilo.

4. Describe cinco grupos funcionales.

5. Enumere tres monómeros y los polímeros que se pueden construir a partir de ellos.

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Fijacion de carbon

Antes de comenzar, aquí hay un recordatorio de dónde lo dejamos: cómo funcionan las reacciones de luz y los productos que generan, que son esenciales para el ciclo de Calvin & lt & ltNB: hay & # 8217s un error a partir de las 10:15. El portador de electrones de alta energía en los cloroplastos es NADPH, no NADH. -jpm & gt & gt:

Y aquí está la introducción a adónde vamos:

¿De dónde obtienen las plantas su biomasa?

Jan Baptiste van Helmont realizó un famoso experimento en el que plantó un árbol joven de sauce en una maceta con exactamente 200 libras de tierra, en gran parte cubierto excepto por los agujeros para regar. Después de 5 años de riego, quitó y pesó el árbol y la tierra que quedó en la maceta, después de haber recuperado cuidadosamente la tierra adherida a las raíces. Descubrió que el peso del árbol había aumentado en 75,4 kg, pero el suelo había perdido solo 57 g. Llegó a la conclusión, razonable pero erróneamente, de que la mayor parte de la masa del árbol provenía del agua.
Pero el agua no contiene átomos de carbono. La biomasa del árbol, compuesta principalmente por carbohidratos (celulosa, lignina, etc.), proviene del dióxido de carbono:

C O2 + 12 H2 O & # 8211 & gt C 6H12O6 + 6 O 2 + 6 H2O

Solo los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua contribuyen a la biomasa.

Este video explica cómo funciona este proceso (fijación de carbono) en el ciclo de Calvin:

¿Cómo sabemos cómo funciona la fijación de carbono? Aquí & # 8217s cómo Calvin, Benson & amp Bassham resolvieron la fijación de carbono:

Calvin y sus colegas utilizaron 14CO2 radiactivo para determinar cuáles son los primeros productos de la fijación de carbono por un cultivo de algas. Dentro de los 10 minutos posteriores a la inyección de 14CO2, se marcaron radiactivamente muchos tipos de moléculas orgánicas. En tiempos más cortos, hasta unos pocos segundos, encontraron que el primer producto de la fijación de carbono era un azúcar de 3 carbonos, 3-fosfoglicerato (3-PG), marcado en el grupo carboxilo.

3-fosfoglicerato, de Wikipedia

Usando ATP y NADPH de las reacciones de luz, 3-PG se reduce a gliceraldehído-3-fosfato (G3P). Dos moléculas de G3P pueden formar espontáneamente una molécula de glucosa (la primera parte, energéticamente cuesta arriba, de la glucólisis que corre hacia atrás).

Sin embargo, al principio no pudieron identificar una molécula de 2 carbonos que pudiera unirse con el CO2 para formar 3-PG. Dedujeron que se trataba de un proceso cíclico, porque en tiempos más largos, los otros carbonos de 3-PG se etiquetaron. Esta figura muestra un modelo de sus hallazgos iniciales:

Modelo que resume los hallazgos iniciales de Calvin y sus colegas

Basándose en este modelo, Calvin y sus colegas predijeron que, en la oscuridad, 3PG se acumularía porque no se produciría ATP o NADPH, y todos los demás intermedios del ciclo disminuirían porque eventualmente se convertirían en 3PG. Por otro lado, en ausencia de CO2, cualquier molécula que acepte CO2 aumentaría, porque todos los demás intermedios del ciclo se convertirían en este compuesto aceptor.

El compuesto aceptor resultó ser un fosfato de azúcar de 5 carbonos, ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP). La enzima Rubisco (RuBP carboxilasa / oxigenasa) une CO2 a RuBP para formar un intermedio de 6 carbonos altamente inestable que inmediatamente se descompone en 2 azúcares de 3 carbonos, 3PG.

  • Cada 3 moléculas de CO2 fijadas por Rubisco produce 6 moléculas de 3PG.
  • La conversión de 6 moléculas de 3PG en 6 moléculas de G3P consume 6 ATP y 6 NADPH.
  • Una molécula de G3P sale del ciclo, dejando 5 moléculas de G3P (15 átomos de carbono)
  • Las 5 moléculas de G3P se someten a una serie de reordenamientos para formar 3 moléculas de ribulosa-5-fosfato (15 átomos de carbono).
  • La fosforilación de 3 moléculas de ribulosa-5-fosfato para restaurar 3 moléculas de ribulosa-1,5-bisfosfato consume 3 ATP más
  • neto: 3 CO2 fijado para hacer 1 molécula de G3P, consumiendo 6 NADPH y 9 ATP
  • 2 moléculas de G3P se combinan para formar 1 molécula de glucosa

Los productos del ciclo de Calvin se exportan del cloroplasto para proporcionar energía para la respiración celular y carbono orgánico para las vías biosintéticas para construir todos los componentes básicos de las moléculas celulares.

Si desea obtener más información, a continuación se muestra el screencast de 35 minutos del Dr. Choi & # 8217 del ciclo de Calvin y la fotosíntesis C4 (este video incluye segmentos más cortos extraídos arriba)


2.1 Materia y compuestos orgánicos

Si miras tu mano, ¿qué ves? Um, ¿tu mano? NO es la respuesta que estoy buscando. ¡PIEL! Aquí vamos. Ves piel, que está formada por células. Pero, ¿de qué están hechas las células de la piel? Como todas las células vivas, están hechas de materia. De hecho, todas las cosas están hechas de materia. Importar es todo lo que ocupa espacio y tiene masa (la cantidad de materia en un objeto). La materia, a su vez, está formada por sustancias químicas. En esta lección aprenderá sobre las sustancias químicas que forman los seres vivos.

Sustancias químicas

Una sustancia química es materia que tiene un definido composición. También tiene la misma composición en todas partes. Una sustancia química puede ser un elemento o un compuesto.

Elementos

Un elemento es una sustancia pura. No se puede descomponer en otros tipos de sustancias. Cada elemento está formado por un solo tipo de átomo. Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que todavía tiene las propiedades de ese elemento.

Hay casi 120 elementos conocidos. Como puedes ver en Figura a continuación, la mayoría de los elementos son metales. Ejemplos de metales son el hierro (Fe) y el cobre (Cu). Los metales son brillantes y buenos conductores de electricidad y calor. Los elementos no metálicos son mucho menos numerosos. Incluyen hidrógeno (H) y oxígeno (O). Carecen de las propiedades de los metales.

Compuestos

A compuesto es una sustancia que consta de dos o más elementos. Un compuesto tiene una composición única que siempre es la misma. La partícula más pequeña de un compuesto se llama molécula. Considere el agua como ejemplo. Una molécula de agua siempre contiene un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. La composición del agua se expresa mediante la fórmula química H2O. Un modelo de una molécula de agua se muestra en Figura debajo.

¿Qué hace que los átomos de una molécula de agua se “peguen”? La respuesta son los enlaces químicos. A enlace químico es una fuerza que mantiene unidas las moléculas. Los enlaces químicos se forman cuando las sustancias reaccionan entre sí. A reacción química es un proceso que transforma unas sustancias químicas en otras. Se necesita una reacción química para formar un compuesto. Se necesita otra reacción química para separar las sustancias en un compuesto.

La importancia del carbono

Un compuesto que se encuentra principalmente en los seres vivos se conoce como compuesto orgánico. Los compuestos orgánicos forman las células y otras estructuras de los organismos y llevan a cabo los procesos de la vida. El carbono es el elemento principal de los compuestos orgánicos, por lo que el carbono es esencial para la vida en la Tierra. Sin carbono, la vida tal como la conocemos no podría existir. ¿Por qué el carbono es tan básico para la vida? La razón es la capacidad del carbono para formar enlaces estables con muchos elementos, incluido él mismo. Esta propiedad permite que el carbono forme una gran variedad de moléculas muy grandes y complejas. De hecho, ¡hay casi 10 millones de compuestos a base de carbono en los seres vivos! Sin embargo, los millones de compuestos orgánicos se pueden agrupar en solo cuatro tipos principales: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Puede comparar los cuatro tipos siguientes. Cada tipo también se describe a continuación.

Tipo de compuesto Ejemplos de Elementos Funciones
Carbohidratos azúcares, almidones carbono, hidrógeno, oxígeno proporciona energía a las células, almacena energía, forma estructuras corporales
Lípidos grasas, aceites carbono, hidrógeno, oxígeno almacena energía, forma membranas celulares, transporta mensajes
Proteínas enzimas, anticuerpos carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre ayuda a las células a mantener su forma, forma músculos, acelera las reacciones químicas, transporta mensajes y materiales
Ácidos nucleicos ADN, ARN carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo contiene instrucciones para las proteínas, pasa instrucciones de padres a hijos, ayuda a producir proteínas

¿Energía del carbono?

Puede parecer un desperdicio, pero para algunas personas, es energía verde.

Carbohidratos

Nota: Hay una breve mención de la evolución hacia el final (por qué los humanos aman el azúcar).

Carbohidratos de Bozeman Science:

TEDEd: ¿Cómo afectan los carbohidratos a su salud?

Carbohidratos

Los carbohidratos son el tipo más común de compuesto orgánico. A carbohidrato es un compuesto orgánico como el azúcar o el almidón, y se utiliza para almacenar energía. Como la mayoría de los compuestos orgánicos, los carbohidratos están formados por pequeñas unidades repetidas que forman enlaces entre sí para formar una molécula más grande. En el caso de los carbohidratos, las pequeñas unidades repetidas se denominan monosacáridos.

Monosacáridos

A monosacárido (mon-oe-sack-uh-ride) es un azúcar simple como fructosa o glucosa. La fructosa se encuentra en las frutas, mientras que la glucosa generalmente resulta de la digestión de otros carbohidratos. La glucosa es utilizada como energía por las células de la mayoría de los organismos.

Polisacáridos

A polisacárido es un carbohidrato complejo que se forma cuando los azúcares simples se unen en una cadena. Los polisacáridos pueden contener solo unos pocos azúcares simples o miles de ellos. Los carbohidratos complejos tienen dos funciones principales: almacenar energía y formar estructuras de los seres vivos. Algunos ejemplos de carbohidratos complejos y sus funciones se muestran en Mesa debajo. ¿Qué tipo de carbohidrato complejo usa su propio cuerpo para almacenar energía?

Una papa almacena almidón en tubérculos subterráneos.

Un ser humano almacena glucógeno en las células del hígado.

Las plantas usan celulosa para sus paredes celulares.

Una mosca doméstica usa quitina para su exoesqueleto.

KQED: Biocombustibles: del azúcar a la energía

Durante años, ha habido rumores, tanto positivos como negativos, sobre la generación de combustible de etanol a partir del maíz. Pero gracias a los desarrollos recientes, el Área de la Bahía de California se está convirtiendo rápidamente en un centro mundial para la próxima generación de alternativas de combustibles ecológicos. El Joint BioEnergy Institute está desarrollando métodos para aislar biofeuls de los azúcares de la celulosa. Ver el vídeo Biocombustibles: más allá del etanol a continuación para obtener más información. Nota: Este video dice que los científicos están usando la evolución forzando mutaciones.

A lípido es un compuesto orgánico como grasa o aceite. Los organismos utilizan los lípidos para almacenar energía, pero los lípidos también tienen otras funciones importantes. Los lípidos consisten en unidades repetidas llamadas ácidos grasos. Hay dos tipos de ácidos grasos: ácidos grasos saturados y ácidos grasos insaturados.

Ácidos grasos saturados

En Ácidos grasos saturados, los átomos de carbono están unidos a tantos átomos de hidrógeno como sea posible. Esto hace que las moléculas formen cadenas rectas, como se muestra en Figura debajo. Las cadenas rectas se pueden empaquetar juntas muy apretadas, lo que les permite almacenar energía en una forma compacta. Esto explica por qué los ácidos grasos saturados son sólidos a temperatura ambiente (¡como la mantequilla!). Los animales usan ácidos grasos saturados para almacenar energía.

¿No se parecen los ácidos grasos a las orugas gordas? Sólo digo.

Ácidos grasos insaturados

En ácidos grasos insaturados, algunos átomos de carbono no están unidos a tantos átomos de hidrógeno como sea posible. En cambio, están unidos a otros grupos de átomos. Dondequiera que el carbono se una a estos otros grupos de átomos, hace que las cadenas se doblen (ver Figura encima). Las cadenas dobladas no pueden empaquetarse muy juntas, por lo que los ácidos grasos insaturados son líquidos a temperatura ambiente (como el aceite de oliva). Las plantas usan ácidos grasos insaturados para almacenar energía. Algunos ejemplos se muestran en Figura debajo.

Tipos de lípidos

Los lípidos pueden consistir en ácidos grasos solos o también pueden contener otras moléculas. Por ejemplo, algunos lípidos contienen grupos alcohol o fosfato. Incluyen

  1. triglicéridos: (tri-glis-er-rides) la principal forma de energía almacenada en los animales
  2. fosfolípidos: (foss-foe-lip-ids) los componentes principales de las membranas celulares
  3. esteroides: sirven como mensajeros químicos y tienen otras funciones

Proteínas

A proteína es un compuesto orgánico formado por pequeñas moléculas llamadas aminoácidos. Hay 20 aminoácidos diferentes que se encuentran comúnmente en las proteínas de los seres vivos. Las proteínas pequeñas pueden contener solo unos pocos cientos de aminoácidos, mientras que las proteínas grandes pueden contener miles de aminoácidos. ¿Eso no me hace parecer inteligente para usar la palabra & # 8220whereas & # 8221? Pensé que debería señalarlo, en caso de que no se haya dado cuenta.

Por cierto, el cuerpo humano puede sintetizar todos los aminoácidos necesarios para construir proteínas, excepto 10 llamados & # 8220 aminoácidos esenciales & # 8221. Un ser humano tiene que obtener esos 10 aminoácidos esenciales de una dieta saludable. Si no obtiene ni UNO de los 10 aminoácidos esenciales, puede haber consecuencias para la salud realmente graves, como pérdida de masa muscular, fatiga, debilidad, aumento de los niveles de estrés y ansiedad, disminución de la respuesta inmunitaria y cambios en la textura del cabello y la piel.

Ahora, ve a hacer algo de comida y dile a tu mamá que es para la ciencia.

Estructura proteica

Cuando los aminoácidos se unen, forman una cadena larga llamada polipéptido. Una proteína consta de una o más cadenas polipeptídicas. Una proteína puede tener hasta cuatro niveles de estructura. El nivel más bajo, la estructura primaria de una proteína, es su secuencia de aminoácidos. Los niveles más altos de estructura proteica se describen en Figura debajo. Las complejas estructuras de diferentes proteínas les confieren propiedades únicas, que necesitan para llevar a cabo sus diversas funciones en los organismos vivos. Puede obtener más información sobre la estructura de las proteínas viendo la animación en el enlace a continuación. http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/proteins/protein%20structure.swf

Funciones de las proteínas

Las proteínas juegan muchos papeles importantes en los seres vivos. Algunas proteínas ayudan a las células a mantener su forma y otras forman los tejidos musculares. Muchas proteínas aceleran las reacciones químicas en las células. Otras proteínas son los anticuerpos, que se unen a sustancias extrañas como las bacterias y se dirigen a ellas para su destrucción. Otras proteínas transportan mensajes o materiales. Por ejemplo, los glóbulos rojos humanos contienen una proteína llamada hemoglobina, que se une al oxígeno. La hemoglobina permite que la sangre lleve oxígeno desde los pulmones a las células de todo el cuerpo. Un modelo de la molécula de hemoglobina se muestra en Figura debajo.

Se puede ver un breve video que describe la función de las proteínas en http://www.youtube.com/watch?v=T500B5yTy58 (4:02).

Ácidos nucleicos (arcilla nueva)

Aquí & # 8217s un video divertido que explica las biomoléculas:

Aquí & # 8217s un video que explica los ácidos nucleicos (hay una breve mención de la evolución):

Si está bien con tus padres, puedes probar un juego en el que aprenderás y diseñarás moléculas de ARN. La dirección web es:

Asegúrate de que tus padres sepan que hay un cuadro de chat en el sitio. No se puede acceder al cuadro de chat para escribir, a menos que inicie sesión. don & # 8217t Necesito iniciar sesión para jugar los primeros niveles.

A ácido nucleico es un compuesto orgánico, como el ADN o el ARN, que está formado por pequeñas unidades llamadas nucleótidos. Muchos nucleótidos se unen para formar una cadena llamadapolinucleótido. El acido nucleico ADN (ácido desoxirribonucleico) consta de dos cadenas de polinucleótidos. El acido nucleico ARN (ácido ribonucleico) consta de una sola cadena de polinucleótidos.

Estructura de los ácidos nucleicos

Cada nucleótido consta de tres moléculas más pequeñas:

Si miras Figura a continuación, verá que el azúcar de un nucleótido se une al grupo fosfato del siguiente nucleótido. Estas dos moléculas se alternan para formar la columna vertebral de la cadena de nucleótidos. Las bases de nitrógeno en un ácido nucleico sobresalen de la columna vertebral. Hay cuatro tipos diferentes de bases: citosina, adenina, guanina y timina (en el ADN) o uracilo (en el ARN). En el ADN, los enlaces se forman entre las bases de las dos cadenas de nucleótidos y mantienen unidas las cadenas. Cada tipo de base se une con otro tipo de base: la citosina siempre se une a la guanina y la adenina siempre se une a la timina. Estos pares de bases se llaman pares de bases complementarios.

Aquí tienes un truco para ayudarte a recordar qué bases se emparejan: ¡Los C ool G uys se mantienen unidos! (citosina y guanina) Eso deja adenina y timina y sus primeras letras deletrean la palabra AT.

La unión de bases complementarias permite que las moléculas de ADN adopten su forma conocida, llamada doble hélice, que se muestra en Figura debajo. Una doble hélice es como una escalera de caracol. La forma de doble hélice se forma naturalmente y es muy fuerte, lo que hace que las dos cadenas de polinucleótidos sean difíciles de romper. La estructura del ADN se analizará con más detalle en el capítulo Genética molecular: del ADN a las proteínas.

Se puede ver una animación de la estructura del ADN en http://www.youtube.com/watch?v=qy8dk5iS1f0.

Funciones de los ácidos nucleicos

El ADN se encuentra en los genes y su secuencia de bases forma un código. Entre "arranques" y "paradas", el código contiene instrucciones para la secuencia correcta de aminoácidos en una proteína (ver Figura encima). El ARN usa la información del ADN para ensamblar los aminoácidos correctos y ayudar a producir la proteína. La información del ADN pasa de las células madre a las células hijas siempre que las células se dividen. La información del ADN también se transmite de padres a hijos cuando los organismos se reproducen. Así es como las características heredadas se transmiten de una generación a la siguiente.

Resumen de la lección

  • Los seres vivos consisten en materia, que puede ser un elemento o un compuesto. Un compuesto consta de dos o más elementos y se forma como resultado de una reacción química.
  • La capacidad única del carbono para formar enlaces químicos le permite formar millones de diferentes compuestos orgánicos grandes. Estos compuestos forman los seres vivos y llevan a cabo procesos vitales.
  • Los carbohidratos son compuestos orgánicos como azúcares y almidones. Proporcionan energía y forman estructuras como las paredes celulares.
  • Los lípidos son compuestos orgánicos como grasas y aceites. Almacenan energía y ayudan a formar las membranas celulares, además de tener otras funciones en los organismos.
  • Las proteínas son compuestos orgánicos formados por aminoácidos. Forman músculos, aceleran las reacciones químicas y realizan muchas otras funciones celulares.
  • Los ácidos nucleicos son compuestos orgánicos que incluyen ADN y ARN. El ADN contiene instrucciones genéticas para las proteínas y el ARN ayuda a ensamblar las proteínas.

Preguntas de repaso de la lección

Recordar

1. ¿Qué son elementos y compuestos? Da un ejemplo de cada uno.

2. Enumere los cuatro tipos principales de compuestos orgánicos.

3. ¿Qué determina la estructura primaria de una proteína?

4. Enuncie dos funciones de las proteínas.

5. Identifica las tres partes de un nucleótido.

Aplicar conceptos

6. La mantequilla es una grasa sólida a temperatura ambiente. ¿Qué tipo de ácidos grasos contiene la mantequilla? ¿Cómo lo sabes?

7. Suponga que está tratando de identificar una molécula orgánica desconocida. Contiene solo carbono, hidrógeno y oxígeno y se encuentra en las paredes celulares de una especie vegetal recién descubierta. ¿Qué tipo de compuesto orgánico es?

Piensa críticamente

8. Explique por qué el carbono es esencial para toda la vida conocida en la Tierra.

9. Compara y contrasta las estructuras y funciones de los azúcares simples y los carbohidratos complejos.

10. Explica por qué las moléculas de ácidos grasos saturados e insaturados tienen formas diferentes.

Puntos a considerar

Los compuestos orgánicos grandes consisten en muchas unidades más pequeñas que están unidas en cadenas.


Biología 171

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Describe el ciclo de Calvin
  • Definir la fijación de carbono
  • Explicar cómo funciona la fotosíntesis en el ciclo energético de todos los organismos vivos.

Después de que la energía del sol se convierte en energía química y se almacena temporalmente en moléculas de ATP y NADPH, la célula tiene el combustible necesario para construir moléculas de carbohidratos para el almacenamiento de energía a largo plazo. Los productos de las reacciones dependientes de la luz, ATP y NADPH, tienen una vida útil en el rango de millonésimas de segundos, mientras que los productos de las reacciones independientes de la luz (carbohidratos y otras formas de carbono reducido) pueden sobrevivir casi indefinidamente. Las moléculas de carbohidratos fabricadas tendrán una columna vertebral de átomos de carbono. Pero, ¿de dónde viene el carbono? Proviene del dióxido de carbono, el gas que es un producto de desecho de la respiración en microbios, hongos, plantas y animales.

El ciclo de Calvin

En las plantas, el dióxido de carbono (CO2) ingresa a las hojas a través de los estomas, donde se difunde en distancias cortas a través de espacios intercelulares hasta llegar a las células del mesófilo. Una vez en las células del mesófilo, CO2 se difunde en el estroma del cloroplasto, el sitio de reacciones de fotosíntesis independientes de la luz. En realidad, estas reacciones tienen varios nombres asociados. Otro término, el ciclo de Calvin, lleva el nombre del hombre que lo descubrió y porque estas reacciones funcionan como un ciclo. Otros lo llaman el ciclo de Calvin-Benson para incluir el nombre de otro científico involucrado en su descubrimiento. El nombre más desactualizado es "reacción oscura", porque la luz no se requiere directamente ((Figura)). Sin embargo, el término reacción oscura puede ser engañoso porque implica incorrectamente que la reacción solo ocurre por la noche o es independiente de la luz, razón por la cual la mayoría de los científicos e instructores ya no lo usan.

Las reacciones independientes de la luz del ciclo de Calvin se pueden organizar en tres etapas básicas: fijación, reducción y regeneración.

Etapa 1: Fijación

En el estroma, además de CO2,Hay otros dos componentes presentes para iniciar las reacciones independientes de la luz: una enzima llamada ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa / oxigenasa (RuBisCO) y tres moléculas de ribulosa bisfosfato (RuBP), como se muestra en la (Figura). RuBP tiene cinco átomos de carbono, flanqueados por dos fosfatos.

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera?

  1. En la fotosíntesis, el oxígeno, el dióxido de carbono, el ATP y el NADPH son reactivos. GA3P y el agua son productos.
  2. En la fotosíntesis, la clorofila, el agua y el dióxido de carbono son reactivos. GA3P y oxígeno son productos.
  3. En la fotosíntesis, el agua, el dióxido de carbono, el ATP y el NADPH son reactivos. RuBP y oxígeno son productos.
  4. En la fotosíntesis, el agua y el dióxido de carbono son reactivos. GA3P y oxígeno son productos.

RuBisCO cataliza una reacción entre CO2 y RuBP. Para cada CO2 molécula que reacciona con una RuBP, se forman dos moléculas de otro compuesto ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA). PGA tiene tres carbonos y un fosfato. Cada turno del ciclo involucra solo un RuBP y un dióxido de carbono y forma dos moléculas de 3-PGA. El número de átomos de carbono sigue siendo el mismo, ya que los átomos se mueven para formar nuevos enlaces durante las reacciones (3 átomos de C de 3CO2 + 15 átomos de C de 3RuBP = 18 átomos de C en 6 moléculas de 3-PGA). Este proceso se llama fijación de carbono, porque el CO2 se "fija" de una forma inorgánica a moléculas orgánicas.

Etapa 2: Reducción

El ATP y el NADPH se utilizan para convertir las seis moléculas de 3-PGA en seis moléculas de una sustancia química llamada gliceraldehído 3-fosfato (G3P). Esa es una reacción de reducción porque involucra la ganancia de electrones por 3-PGA.(Recuerde que una reducción es la ganancia de un electrón por un átomo o una molécula). Se utilizan seis moléculas de ATP y NADPH. Para el ATP, la energía se libera con la pérdida del átomo de fosfato terminal, convirtiéndola en ADP para NADPH, se pierde tanto la energía como un átomo de hidrógeno, convirtiéndolo en NADP +. Ambas moléculas regresan a las reacciones cercanas dependientes de la luz para ser reutilizadas y re-energizadas.

Etapa 3: Regeneración

Curiosamente, en este punto, solo una de las moléculas de G3P abandona el ciclo de Calvin y se envía al citoplasma para contribuir a la formación de otros compuestos que necesita la planta. Debido a que el G3P exportado del cloroplasto tiene tres átomos de carbono, se necesitan tres "vueltas" del ciclo de Calvin para fijar suficiente carbono neto para exportar un G3P. Pero cada turno genera dos G3P, por lo que tres turnos suman seis G3P. Una se exporta mientras que las cinco moléculas restantes de G3P permanecen en el ciclo y se utilizan para regenerar RuBP, lo que permite que el sistema se prepare para más CO2 ser arreglado. Se utilizan tres moléculas más de ATP en estas reacciones de regeneración.

Realice el ciclo de Calvin (animación Flash). Haga clic en la etapa 1, la etapa 2 y luego la etapa 3 para ver que G3P y ATP se regeneran para formar RuBP.

Fotosíntesis Durante la evolución de la fotosíntesis, se produjo un cambio importante del tipo bacteriano de fotosíntesis que involucra solo un fotosistema y es típicamente anoxigénico (no genera oxígeno) a la fotosíntesis oxigenica moderna (sí genera oxígeno), empleando dos fotosíntesis. Esta fotosíntesis oxigenada moderna es utilizada por muchos organismos, desde hojas tropicales gigantes en la selva hasta diminutas células cianobacterianas, y el proceso y los componentes de esta fotosíntesis siguen siendo en gran parte los mismos. Los fotosistemas absorben luz y utilizan cadenas de transporte de electrones para convertir la energía en energía química de ATP y NADH. Las siguientes reacciones independientes de la luz ensamblan moléculas de carbohidratos con esta energía.

En el duro calor seco del desierto, las plantas deben conservar cada gota de agua que se debe utilizar para sobrevivir. Porque los estomas deben abrirse para permitir la captación de CO2, el agua se escapa de la hoja durante la fotosíntesis activa. Las plantas del desierto han desarrollado procesos para conservar el agua y hacer frente a las duras condiciones. Mecanismos para capturar y almacenar CO2 permite que las plantas se adapten a vivir con menos agua. Algunas plantas como los cactus ((Figura)) pueden preparar materiales para la fotosíntesis durante la noche mediante un proceso temporal de fijación / almacenamiento de carbono, porque al abrir los estomas en este momento se conserva el agua debido a las temperaturas más frías. Durante el día, los cactus utilizan el CO capturado.2 para la fotosíntesis y mantienen sus estomas cerrados.

El ciclo de la energía

Ya sea que el organismo sea una bacteria, una planta o un animal, todos los seres vivos acceden a la energía al descomponer los carbohidratos y otras moléculas orgánicas ricas en carbono. Pero si las plantas producen moléculas de carbohidratos, ¿por qué necesitarían descomponerlas, especialmente cuando se ha demostrado que los organismos gaseosos se liberan como un "producto de desecho" (CO2) actúa como sustrato para la formación de más alimentos en la fotosíntesis? Recuerde, los seres vivos necesitan energía para realizar funciones vitales. Además, un organismo puede producir su propio alimento o comer otro organismo; de cualquier manera, el alimento aún debe descomponerse. Finalmente, en el proceso de descomposición de los alimentos, llamado respiración celular, los heterótrofos liberan la energía necesaria y producen "desechos" en forma de CO.2 gas.

Sin embargo, en la naturaleza, no existe el "desperdicio". Cada átomo de materia y energía se conserva, se recicla una y otra vez infinitamente. Las sustancias cambian de forma o se mueven de un tipo de molécula a otro, pero sus átomos constituyentes nunca desaparecen ((Figura)).

En realidad, CO2 no es más una forma de desperdicio que el oxígeno es un desperdicio para la fotosíntesis. Ambos son subproductos de reacciones que pasan a otras reacciones. La fotosíntesis absorbe la energía de la luz para formar carbohidratos.
en los cloroplastos, y la respiración celular aeróbica libera energía mediante el uso de oxígeno para metabolizar los carbohidratos en el citoplasma y las mitocondrias. Ambos procesos utilizan cadenas de transporte de electrones para capturar la energía necesaria para impulsar otras reacciones. Estos dos potentes procesos, la fotosíntesis y la respiración celular, funcionan en armonía biológica y cíclica para permitir que los organismos accedan a la energía vital que se origina a millones de millas de distancia en una estrella ardiente que los humanos llaman sol.

Resumen de la sección

Usando los portadores de energía formados en los primeros pasos de la fotosíntesis, las reacciones independientes de la luz, o el ciclo de Calvin, absorben CO2 de la atmósfera. Una enzima, RuBisCO, cataliza una reacción con CO2 y otro compuesto orgánico, RuBP. Después de tres ciclos, una molécula de tres carbonos de G3P abandona el ciclo para convertirse en parte de una molécula de carbohidrato. Las moléculas restantes de G3P permanecen en el ciclo para ser regeneradas en RuBP, que luego está lista para reaccionar con más CO.2. La fotosíntesis forma un ciclo energético con el proceso de respiración celular. Debido a que las plantas contienen tanto cloroplastos como mitocondrias, dependen tanto de la fotosíntesis como de la respiración para su capacidad de funcionar tanto en la luz como en la oscuridad, y para poder interconvertir metabolitos esenciales.

Conexiones de arte

(Figura) ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera?

  1. En la fotosíntesis, el oxígeno, el dióxido de carbono, el ATP y el NADPH son reactivos. G3P y el agua son productos.
  2. En la fotosíntesis, la clorofila, el agua y el dióxido de carbono son reactivos. G3P y oxígeno son productos.
  3. En la fotosíntesis, el agua, el dióxido de carbono, el ATP y el NADPH son reactivos. RuBP y oxígeno son productos.
  4. En la fotosíntesis, el agua y el dióxido de carbono son reactivos. G3P y oxígeno son productos.

Respuesta libre

¿Por qué la tercera etapa del ciclo de Calvin se llama etapa de regeneración?

Porque RuBP, la molécula necesaria al inicio del ciclo, se regenera a partir de G3P.

¿Qué parte de las reacciones independientes de la luz se verían afectadas si una célula no pudiera producir la enzima RuBisCO?

Ninguno de los ciclos pudo tener lugar, porque RuBisCO es esencial en la fijación de dióxido de carbono. Específicamente, RuBisCO cataliza la reacción entre el dióxido de carbono y RuBP al comienzo del ciclo.

¿Por qué se necesitan tres vueltas del ciclo de Calvin para producir G3P, el producto inicial de la fotosíntesis?

Porque G3P tiene tres átomos de carbono, y cada vuelta del ciclo toma un átomo de carbono en forma de dióxido de carbono.

Imagina un terrario sellado que contiene una planta y un escarabajo. ¿Cómo cada organismo proporciona recursos para el otro? ¿Podría cada organismo sobrevivir si fuera el único ser vivo en el terrario? ¿Por qué o por qué no?

Un ciclo de energía entre una planta y un escarabajo sería el siguiente:

  1. La planta consume dióxido de carbono y libera oxígeno como subproducto de la fotosíntesis.
  2. Beetle consume oxígeno y libera dióxido de carbono para crear energía química durante la respiración aeróbica.
  3. La planta absorbe dióxido de carbono del aire.
  4. Repetir ciclo

La planta también proporcionaría una fuente de alimento a base de carbono para el escarabajo.

  1. El escarabajo es un heterótrofo y no sobreviviría sin la planta porque agotaría todo el oxígeno dentro del terrario.
  2. La planta es autótrofa y podría sobrevivir sin el escarabajo, pero es poco probable que crezca. A través de la fotosíntesis, la planta puede producir y almacenar su propia energía en moléculas de carbono y producir oxígeno. El oxígeno se puede utilizar para impulsar la respiración aeróbica en la planta, que libera dióxido de carbono. Sin embargo, dado que la planta esencialmente continúa reutilizando sus propios recursos en ciclos entre las rutas que consumen carbono y oxígeno, su crecimiento sería limitado.

Compare el flujo de energía con el flujo de nutrientes en un ecosistema cerrado y soleado que consta de una jirafa y un árbol.

En el ecosistema definido, la energía irradiaría del Sol y sería absorbida por la clorofila de las hojas del árbol. La fotosíntesis se produciría en las hojas, transformando la energía luminosa en energía química almacenada en los enlaces covalentes de las moléculas de carbono. La jirafa se comía las hojas del árbol y digería las moléculas de carbono para liberar energía.

En el mismo ecosistema, los nutrientes circularían entre el árbol y la jirafa. La jirafa consumiría oxígeno y liberaría dióxido de carbono a medida que sus células realizaran respiración aeróbica para crear energía química. El árbol consumirá el dióxido de carbono liberado durante la fotosíntesis para crear su propia energía química almacenada y liberará oxígeno como subproducto.

Glosario


Ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son ADN y ARN, o ácido desoxirribonucleico y ácido ribonucleico, respectivamente. Producen las proteínas que están presentes en casi todas las estructuras y realizan casi todas las funciones de su cuerpo. El ADN tiene una forma de escalera retorcida, mientras que el ARN tiene muchas formas diferentes, dependiendo de su función. Normalmente, el ADN permanece dentro del centro o núcleo de una célula. El ARN puede viajar a través de la célula hasta donde se necesita. La columna vertebral de ambas sustancias consta de moléculas alternas de fosfato y azúcar. Las bases de nucleótidos forman los "peldaños" unidos a la columna vertebral. De los dos tipos de ácidos nucleicos, el ADN es más estable, por lo que es menos probable que se descomponga que el ARN. Sus genes están formados por ADN y cada gen proporciona el código para producir una proteína específica. El ARN ayuda al ADN a producir estas proteínas.


Actividad opcional: Construcción de hidrocarburos

En la siguiente imagen se muestra un ejemplo de etano, eteno y etino construido con kits de modelos atómicos:

Usando kits de modelos atómicos, construya las moléculas de metano, propano, butano, pentano y octano. Si no tiene kits de modelos atómicos, los jelly tots (o plastilina) y los palillos de dientes funcionarán igual de bien. Utilice un tinte de gelatina de color para los átomos de carbono y otro para los átomos de hidrógeno.

  • Recuerde que los átomos de carbono deben tener cuatro enlaces y los átomos de hidrógeno solo pueden tener uno. Debería ver que todos estos compuestos tienen una fórmula similar, recuerde que todos tienen la fórmula general ( text_ < texto> texto_ <2 texto+2>) .
  • ¿Cómo se llama la serie homóloga a la que pertenecen todas estas moléculas?

Construye las moléculas de prop-1-eno, but-1-eno, pent-1-eno y oct-1-eno. Utilice dos mondadientes para representar un doble enlace. Debería ver que todos estos compuestos tienen una fórmula similar. Recuerde, todos tienen la fórmula general ( text_ < texto> texto_ <2 texto>) .

  • Intente colocar el doble enlace en diferentes posiciones dentro de la molécula. ¿Hace esto alguna diferencia en el número total de átomos de carbono e hidrógeno en la molécula?
  • ¿Cómo se llama la serie homóloga a la que pertenecen todas estas moléculas?

Construye las moléculas de prop-1-yne, but-1-yne, pent-1-yne y oct-1-yne. Utilice tres palillos de dientes para representar un triple enlace. Debería ver que todos estos compuestos tienen una fórmula similar. Recuerde, todos son alquinos.


Ver el vídeo: Carbohidratos. Moléculas orgánicas - Explicación. BIOLOGÍA (Febrero 2023).