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TRABAJO PRACTICO Nº 4 - QUIMICA CELULAR Temas propuestos: Composición química de la célula. Principales componentes inorgánicos de la célula. El agua como solvente biológico. Acidez y alcalinidad. pH. Sistemas buffer. Componentes orgánicos: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos: estructura y función en los seres vivos.

OBJETIVOS:  

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Conocer la estructura química y función de los principales componentes orgánicos de la c élula. Determinar la presencia de proteínas, carbohidratos y lípidos mediante el empleo de técnicas adecuadas en distintos materiales biológicos. Resolución de situaciones prácticas. Conocer la estructura y propiedades del agua. Su función como solvente biológico. Resolver problemas sencillos de pH. Comprender el funcionamiento y la importancia biológica de los sistemas buffer. Determinar el grado de acidez y alcalinidad en distintas soluciones. Adquirir destreza y entrenamiento manual en la utilización de material de laboratorio mediante técnicas sencillas.

Papa, banana, manzana, cerveza, aceite, repollo colorado, leche entera, gasa, papel carilina (todos los elementos cada 6/8 personas). Caja de disección individual

Material Material n ecesario:

Para el desarrollo d e las práctic as, en general, es co nv eniente tener en cu enta algun as norm as elementales elementales que deben ser observadas con to da escrupulo sidad.

1. Antes de realizar una práctica, debe leerse detenidamente para adquirir una idea clara de su objetivo, fundamento y técnica. Los resultados deben ser siempre anotados cuidadosamente apenas se conozcan. 2. El orden y la limpieza deben presidir todas las experiencias experiencias de laboratorio. En consecuencia, al terminar cada práctica se procederá a limpiar cuidadosamente el material que se ha utilizado. 3. Cada grupo de prácticas se responsabilizará de su zona de trabajo y de su material. 4. Antes de utilizar un compuesto hay que fijarse en la etiqueta etiqueta para para asegurarse asegurarse de que que es el que que se necesita y de los posibles riesgos de su manipulación. 5. No devolver nunca a los frascos de origen los sobrantes de los productos utilizados sin consultar con el ayudante. 6. No tocar con las manos y menos con la boca los productos químicos. 7. Los productos inflamables (gases, alcohol, éter, etc.) deben mantenerse alejados de las llamas de los mecheros. Si hay que calentar tubos de ensayo con estos productos, se hará al baño María, nunca directamente a la llama. Si se manejan mecheros de gas se debe tener mucho cuidado de cerrar las llaves de paso al apagar la llama. 8. Cuando se manejan productos corrosivos (ácidos, álcalis, etc.) deberá hacerse con cuidado para evitar que salpiquen el cuerpo o los vestidos. Nunca se verterán bruscamente en los tubos de ensayo, sino que se dejarán resbalar suavemente por su pared. 9. Cuando se quiera diluir un ácido, nunca se debe echar agua sobre ellos; siempre siempre al contrario: ácido sobre agua. 10. Cuando se vierta un producto líquido, líquido, el frasco que lo contiene se inclinará de forma que la etiqueta quede en la parte superior para evitar que si escurre líquido se deteriore dicha etiqueta y no se pueda identificar el contenido del frasco. 11. Las pipetas pipetas se tomarán tomarán de forma que que sea el dedo índice el que tape su extremo superior para regular la caída de líquido. Duran te el trab ajo p rácti co se har áus o d e pro pip etas . 12. Al enrasar enrasar un líquido con una determinada división de escala graduada debe evitarse el error de paralaje levantando el recipiente graduado a la altura de los ojos para que la visual al enrase sea horizontal. 13. Cuando se calientan a la llama tubos tubos de ensayo que que contienen contienen líquidos líquidos debe evitarse la ebullición violenta por el peligro que existe de producir salpicaduras. El tubo de ensayo se acercará a la llama inclinado y procurando que ésta actúe sobre la mitad superior del contenido y, cuando se observe que se inicia la ebullición rápida, se retirará, acercándolo nuevamente a los pocos segundos y retirándolo otra vez al producirse una nueva ebullición, realizando así un calentamiento intermitente. En cualquier caso, se evitará dirigir la boca del tubo hacia la cara o hacia otra persona.

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14. Cualquier material de vidrio no debe enfriarse bruscamente justo después de haberlos calentado con el fin de evitar roturas. 15. No utilizar la misma pipeta para dos o mas reactivos sin lavarla previamente, después de usarla con cada reactivo. 16. No arrojar reactivos en los cestos de basura sino en los frascos donde indique el ayudante. 17. Mantener apagados los mecheros que no se usen.

INTRODUCCION: COMPUESTOS INORGANICOS Los seres vivos están constituidos por los mismos componentes químicos y físicos que las cosas sin vida, y obedecen a las mismas leyes físicas y químicas. Seis elementos (C, H, N, O, P y S) constituyen el 99 % de la materia viva. Sólo unos veinte elementos son esenciales para la vida; algunos son de importancia universal: (C, H, O, N, Na, K, Cl, Mg, P, S), pero otros son necesarios sólo para ciertas especies, y no está demostrada su funcionalidad en otras. Los átomos de estos elementos son pequeños y forman enlaces covalentes estables y fuertes. Con excepción del hidrógeno, todos pueden formar enlaces covalentes con dos o más átomos, dando lugar a las moléculas complejas que caracterizan a los sistemas vivos. Dependiendo de su concentración en la materia viva pueden clasificarse en:   

Macroelementos: o constituyentes principales (concentración mayor al 1 %). Microelementos: constituyentes necesarios en concentraciones entre 0,05 y 1 %. Elementos trazas: necesarios en concentración menor al 0,05 %.

El Agua: El agua es el líquido más común de la superficie terrestre y el componente principal en peso de todos los seres vivos; en promedio, un 70 % del peso total de un organismo es agua. Presenta un número de propiedades destacables que son consecuencia de su estructura molecular y son responsables de la "aptitud" del agua para desempeñar su papel en los sistemas vivos. Su rol básico es aportar un sistema fluido donde ocurran los procesos fisicoquímicos vitales. La estructura de la molécula de agua está dada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno que se mantienen unidos por enlaces covalentes. Es una molécula polar con dos zonas débilmente negativas y dos zonas débilmente positivas; en consecuencia, entre sus moléculas se forman enlaces débiles, y en consecuencia, forma enlaces con otras moléculas, llamados puentes de hidrógeno.

La molécula de agua (H 2O) puede ser representada de varias maneras distintas. Una de ellas es el modelo compacto (a) y otra el modelo de esferas (b).

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Una descripción más precisa de la forma de la molécula la proporciona el modelo orbital (c). Como se ve en este modelo, el modelo orbital, desde el núcleo de oxígeno de una molécula de agua se ramifican cuatro orbitales constituyendo un tetraedro hipotético. Dos de los orbitales están formados por los electrones compartidos que enlazan los átomos de hidrógeno al átomo de oxígeno. Debido a la fuerte atracción que ejerce el núcleo del oxígeno hacia los electrones, los electrones que intervienen en los enlaces covalentes pasan más tiempo alrededor del núcleo de oxígeno que el que pasan alrededor de los núcleos de hidrógeno. En consecuencia, la región que se encuentra cerca de cada núcleo de hidrógeno es una zona débilmente positiva. Además, el átomo de oxígeno tiene cuatro electrones adicionales en su nivel energético exterior. Estos electrones, que no están implicados en el enlace covalente con el hidrógeno, están apareados en dos orbitales. Cada uno de estos orbitales es una zona débilmente negativa. Así, la molécula de agua, desde el punto de vista de la polaridad, tiene cuatro "vértices", dos "vértices'' cargados positivamente y otros dos cargados negativamente. Como resultado de estas zonas positivas y negativas, cada molécula de agua puede formar puentes de hidrógeno (representadas por líneas de puntos) con otras cuatro moléculas de agua. En condiciones normales de presión y temperatura, los puentes de hidrógeno se rompen y vuelven a formarse continuamente, siguiendo un patrón variable. Por esa causa, el agua es un líquido.  Aunque los enlaces individuales son débiles -se rompen y se vuelven a formar continuamente- la fuerza total de los enlaces que mantienen a las moléculas juntas es muy grande. La formación de estos puentes de hidrógeno explica en parte sus notables propiedades de solvente: disuelve un mayor número de sustancias y en mayor cantidad que cualquier otro solvente. Los puentes de hidrógeno son los responsables de las propiedades características del agua; entre ellas, de la gran cohesión, o atracción mutua, de sus moléculas. La cohesión trae como consecuencia la alta tensión superficial que permite, por ejemplo, que una hoja de afeitar colocada delicadamente sobre la superficie del agua flote. Otras características importantes producto de la formación de los puentes de hidrógeno son:   Posee puntos de fusión y ebullición particulares, que determinan que permanezca como sistema líquido a temperaturas moderadas, en las que se desarrolla la mayor parte de los organismos;   Tiene alto calor de vaporización, por lo cual un organismo puede disipar grandes cantidades de calor mediante la evaporación de pequeñas cantidades de agua.   Tiene alta capacidad calorífica, de modo que un organismo puede absorber grandes cantidades de calor sin que esto aumente excesivamente su temperatura.

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Las dos últimas propiedades convierten al agua en un eficiente regulador de la temperatura interna.

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La acción capilar  -o capilaridad- y la imbibición  son también fenómenos relacionados con las uniones entre moléculas de agua. Si se mantienen dos láminas de vidrio juntas y se sumerge un extremo en agua, la cohesión y la adhesión combinadas harán que el agua ascienda entre las dos láminas por capilaridad. De igual modo, la capilaridad hace que el agua suba por tubos de vidrio muy finos, que ascienda en un papel secante, o que atraviese lentamente los pequeños espacios entre las partículas del suelo y, de esta manera, esté disponible para las raíces de las plantas. La imbibición, por otra parte, es la absorción o penetración capilar de moléculas de agua en sustancias tales como la madera o la gelatina que, como resultado de ello, se hinchan. Las presiones desarrolladas por imbibición pueden ser sorprendentemente grandes. La electronegatividad del oxígeno determina que el agua tenga una estructura fuertemente dipolar. Como consecuencia de ello, el agua tiene un alta constante dieléctrica , es decir, una gran capacidad para mantener separadas partículas con cargas opuestas, disminuyendo las fuerzas de atracción entre ellas. Esto también contribuye a sus propiedades solventes. Las moléculas de agua tienden a ordenarse alrededor de los iones, formando una capa de hidratación que los estabiliza y mantiene en solución.

El agua com o solvente

Dentro de los sistemas vivos, muchas sustancias se encuentran en solución acuosa. Una solución es una mezcla uniforme de moléculas de dos o más sustancias. La sustancia presente en mayor cantidad, que es habitualmente líquida, se llama solvente, y las sustancias presentes en cantidades menores se llaman solutos. La polaridad de las moléculas de agua es la responsable de la capacidad solvente del agua. Las moléculas polares de agua tienden a separar sustancias iónicas, como el cloruro de sodio (NaCl), en sus iones constituyentes. Las moléculas de agua se aglomeran alrededor de los iones con carga y los separan unos de otros. Este diagrama muestra al cloruro de sodio (NaCl) disolviéndose en el agua a medida que las moléculas de ésta se aglomeran alrededor de los iones individuales sodio y cloruro separándolos unos de otros. Nótese la diferencia entre el modo en que las moléculas de agua están dispuestas alrededor de los iones sodio y la manera en que se disponen alrededor de los iones cloruro. Muchas de las moléculas importantes en los sistemas vivos que presentan uniones covalentes, como los azúcares, tienen regiones de carga parcial positiva o negativa. Estas moléculas, por lo tanto, atraen moléculas de agua y también se disuelven en agua. Las moléculas polares que se disuelven rápidamente en agua son llamadas hidrofílicas  ("que aman al agua''). Estas moléculas se disuelven fácilmente en agua porque sus regiones parcialmente cargadas atraen moléculas de agua tanto o más que lo que se atraen entre sí. Las moléculas polares de agua compiten de este modo con la atracción existente entre las moléculas de soluto. Moléculas tales como las grasas, que carecen de regiones polares, tienden a ser muy insolubles en el agua. Los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua actúan como una fuerza que excluye a las moléculas no polares. Como resultado de esta exclusión, las moléculas no polares tienden a agruparse en el agua, al igual que las gotitas de grasa tienden a juntarse, por ejemplo, en la superficie del caldo de gallina. Dichas moléculas son llamadas hidrofóbicas ("que tienen repulsión por el agua") y los agrupamientos se producen por interacciones hidrofóbicas.

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Concepto de pH En el agua líquida hay una leve tendencia a que un átomo de hidrógeno salte del átomo de oxígeno al que está unido covalentemente, al otro átomo de oxígeno al que se encuentra unido por un puente de hidrógeno. En esta reacción se producen dos iones: el ion hidronio (H 3O+) y el ion hidróxido (OH-). La concentración de iones formados a partir de las moléculas de agua ionizadas es constante; esto se debe a que la tendencia del agua a ionizarse se contrapesa con la tendencia de los iones a reunirse. Así, aunque algunas moléculas están ionizándose, un número igual de otras moléculas está formándose; este estado se conoce como equilibrio dinámico. En el diagrama, las esferas grandes representan al oxígeno y las pequeñas al hidrógeno. Reacción simplificada: H2O

H+

+

OH-

En el agua pura, el número de iones H +  iguala exactamente al número de iones OH -  ya que ningún ion puede formarse sin el otro cuando solamente hay moléculas de H 2O presentes. Sin embargo, cuando una sustancia iónica o una sustancia con moléculas polares se disuelve en el agua, pueden cambiar los números relativos de los iones H + y OH-. Por ejemplo, cuando el ácido clorhídrico (HCl) se disuelve en agua, se ioniza casi completamente en iones H + y Cl-; como resultado de esto, una solución de HCl (ácido clorhídrico) contiene más iones H + que OH-. De modo inverso, cuando el hidróxido de sodio (NaOH) se disuelve en agua, forma iones Na + y OH-; así, en una solución de hidróxido de sodio en agua hay más iones OH que H+. Una solución es ácida cuando el número de iones H + supera al número de iones OH -, de modo contrario, una solución es básica -o alcalina- cuando el número de iones OH - supera al número de iones H+. Entonces: 



Ácido es una sustancia que provoca un incremento en el número relativo de iones H + en una solución. Base es una sustancia que provoca un incremento en el número relativo de iones OH -. Este exceso puede deberse a la liberación de OH -  por parte de una base fuerte o bien, a la captación de H+ del agua por una base débil, y la consecuente liberación de OH -.

Los ácidos y bases fuertes como el HCl y el NaOH son sustancias que se ionizan casi completamente en agua, dando como resultado incrementos relativamente grandes en las concentraciones de iones H + y OH-, respectivamente. Los ácidos y bases débiles, por contraste, son aquellos que se ionizan sólo parcialmente, dando como resultado incrementos relativamente pequeños en la concentración de iones H + u OH-. Si un ácido y una base de fuerzas comparables se añaden en cantidades equivalentes, la solución no tendrá un exceso ni de iones H + ni de OH-.

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Para indicar el grado de acidez de una solución se define un número, el pH, que se calcula de la siguiente manera:

pH = - log [H+] Siendo [H+] = concentración de protones en moles/litro (M) de solución. Por convención, la ionización del agua se expresa mediante la siguiente ecuación:

H+ + OHEn un litro de agua pura se detectan 1/10.000.000 moles de H +, y en términos de pH este valor se refiere simplemente como pH 7. HOH

 A este pH las concentraciones de H+ y OH- son exactamente las mismas: 7 [H+] = [OH-] = 10- moles/litro

Esto es necesariamente así ya que ningún ion puede formarse sin el otro cuando sólo moléculas de agua están presentes, y así se dice que el agua pura es neutra, ni ácida ni básica. Una diferencia de una unidad de pH refleja una diferencia de 10 veces en la concentración de iones H+. El valor del pH se puede estimar con ayuda de un papel indicador. Dicho papel toma un color característico cuando la [H +] tiene un valor determinado. Se puede construir así una escala de colores, asociando a cada color un cierto valor del pH. El número 7 de la escala de pH siempre corresponde a soluciones neutras. Las sustancias indicadoras artificiales de pH pueden encontrarse impregnadas en un papel (como es el caso del tornasol) o en solución (fenolftaleína y azul de bromotimol). También existen sustancias indicadoras naturales de pH que se pueden extraer de vegetales frescos (repollo), de pétalos coloreados y del té. INDICADOR

ÁCIDO

BASE

Tornasol

Rojo

Azul

Fenolftaleína

Incoloro

Fucsia

Extracto de repollo colorado

Rojo  – rosado

Verde  – amarillo

Té

Amarillo

Marrón

Rojo fenol

amarillo

Rojo - rosado

Sistemas buffer Casi toda la química de los seres vivos tiene lugar a pH entre 6 y 8. Como excepciones notables podemos mencionar los procesos químicos en el estómago de los humanos y otros animales, que tienen lugar a pH de aproximadamente 2. La sangre humana, por ejemplo, mantiene un pH casi constante de 7,4, a pesar del hecho de que es el vehículo de gran número y variedad de nutrientes y otros compuestos químicos que reparte entre las células, así como de la eliminación de desechos, muchos de los cuales son ácidos y bases. El mantenimiento de un pH constante, un ejemplo de homeostasis (mantenimiento de un ambiente fisiológico interno o de un equilibrio interno relativamente estable en un organismo), es importante porque el pH influye en gran medida en la velocidad de las reacciones químicas. Los organismos resisten cambios fuertes y repentinos en el pH de la sangre y otros fluidos corporales por medio de amortiguadores o buffers que son combinaciones de formas dadoras de H + y aceptoras de H+ de ácidos o bases débiles.

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Las soluciones reguladoras, tampón o sistemas buffer poseen la capacidad de resistir cambios de pH. Contribuyen a mantener constante el pH por su tendencia a combinarse con los iones H + y retirarlos así de la solución a medida que la concentración de ión H +  aumenta y a liberarlos a medida que ésta disminuye. Generalizando, podemos decir que un buffer evita cambios apreciables de pH en las soluciones a las cuales se les añade pequeñas cantidades de ácidos o bases.

Ejemplo: El sistema buffer principal del torrente sanguíneo humano es el par ácido-base H 2CO3/ HCO3El ácido débil H 2CO3 , se disocia en los iones H + y bicarbonato de la siguiente manera:

CO2 + H2O

H+  + HCO3-

H2 CO3

El sistema buffer H2CO3 / HCO3- se opone a los cambios de pH que podrían ocurrir por la adición de pequeñas cantidades de ácido o base. Por ejemplo, si se agrega una pequeña cantidad de H + al sistema, éste se combina con el receptor HCO 3- y forma H2CO3. Con esta reacción se retira el H + añadido y se mantiene el pH cerca de su valor original.

H+ 

H2CO3

+

HCO3-

Si se agrega una pequeña cantidad de OH -, éste se combina con el H + para formar H 2O; mayor cantidad de H 2CO3 tenderá a ionizarse para reponer el H + a medida que se lo utiliza.

H+

+

OHH2CO3

OH- + H2CO3

H2O H+ 

+

HCO3-

H2O +

HCO3-

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1. ACIDEZ Y A ALCALINIDAD.  p pH EXTRACTO DE REPOLLO COLORADO COMO INDICADOR NATURAL DE pH

Procedimiento: Colocar trocitos de repollo colorado en un vaso de precipitado con agua hasta la mitad. Calentar hasta ebullición. Utilizar la solución coloreada para completar cuatro tubos de ensayo hasta 1/3 de su capacidad.

* Añadir a uno de los tubos 4 gotas de una solución de HCl 0,1 N. * A otro tubo, agregarle 4 gotas de solución de NaOH al 10 %. * A un tercer tubo añadirle unas gotas de una solución de bicarbonato de sodio. * A un cuarto tubo agregarle cantidad suficiente de cerveza para cambiar de color.

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COMPUESTOS ORGANICOS En los organismos se encuentran cuatro tipos diferentes de moléculas orgánicas en gran cantidad: carbohidratos, lípidos, proteínas y nucleótidos. Todas estas moléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Además, las proteínas contienen nitrógeno y azufre, y los nucleótidos, así como algunos lípidos, contienen nitrógeno y fósforo. Se ha dicho que es suficiente reconocer cerca de 30 moléculas para tener un conocimiento que permita trabajar con la bioquímica de las células. Dos de esas moléculas son los azúcares glucosa y ribosa; otra, un lípido; otras veinte, los aminoácidos biológicamente importantes; y cinco las bases nitrogenadas, moléculas que contienen nitrógeno y son constituyentes claves de los nucleótidos. En general, las moléculas grandes, como los polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos, que están constituidas de subunidades idénticas o similares, se conocen como polímeros ("muchas partes") y las subunidades son llamadas monómeros ("una sola parte"). Monómeros POLIMERO En esencia, la química de los organismos vivos es la química de los compuestos que contienen carbono, o sea, los compuestos orgánicos. El carbono es singularmente adecuado para este papel central, por el hecho de que es el átomo más liviano capaz de formar múltiples enlaces covalentes. A raíz de esta capacidad, el carbono puede combinarse con otros átomos de carbono y con átomos distintos para formar una gran variedad de cadenas fuertes y estables y de compuestos con forma de anillo. Las moléculas orgánicas derivan sus configuraciones tridimensionales primordialmente de sus esqueletos de carbono. Sin embargo, muchas de sus propiedades específicas dependen de grupos funcionales ( grupos de átomos unidos entre sí que poseen determinadas propiedades y confieren características comunes a las moléculas que los portan). Una característica general de todos los compuestos orgánicos es que liberan energía cuando se oxidan. Algunos grupos funcionales biológicamente importantes Grupo Nombre Importancia biológica  – OH

Hidroxilo

cido débil (dador de hidrógeno); cuando pierde un ion h idrógeno adquiere carga negativa:

 – C=O

I OH

Carboxilo

 – N – H

I H H I  – C=O  – C=O I H I  – C – H I H O II  – P – OH I OH

Polar, y por esta razón soluble en agua; forma puentes de hidrógeno

Amino

--C=O I O- + H+ Base débil (aceptor de hidrógeno); cuando acepta un ion hidrógeno adquiere carga positiva: H I +  – N  – H I H

Aldehído

Polar, y por esta razón soluble en agua; caracteriza a algunos azúcares

Cetona (o carbonilo)

Polar, y por esta razón soluble en agua; caracteriza a otros azúcares

Metilo

Hidrofóbico (insoluble en agua)

Fosfato

cido (dador de hidrógeno); en solución presenta habitualmente carga negativa: O II +  – P – O  + 2H I O-

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2.

HIDRATOS D DE C CARBONO

Los carbohidratos, glúcidos o, simplemente azúcares pueden ser moléculas pequeñas, o moléculas grandes y complejas. Hay tres tipos principales de carbohidratos, clasificados de acuerdo con el número de moléculas de azúcar que contienen. Los monosacáridos ( reductores) como la ribosa, la glucosa y la fructosa, contienen sólo una molécula de azúcar (figura 1). Los disacáridos (oligosacáridos más frecuentes e importantes) consisten en dos moléculas de azúcar simples unidas covalentemente. Ejemplos familiares son la sacarosa (azúcar de caña, no reductor ), la maltosa (azúcar de malta, reductor ) y la lactosa (azúcar de la leche, reductor ). Los polisacáridos( no reductores) como la celulosa, el almidón y el glucógeno, contienen muchas moléculas de azúcar simples unidas entre sí. Los disacáridos y polisacáridos se forman por reacciones de condensación, en las que dos unidades de monosacárido se unen covalentemente con la eliminación de una molécula de agua (figura 2). Pueden ser escindidas nuevamente, con la incorporación de una molécula de agua.

Este tipo de ruptura de una unión por incorporación de agua se conoce con el nombre genérico de hidrólisis.

Glucosa (hexosa: seis carbonos)

Ribosa (pentosa: cinco carbonos)

Fructosahexosa

Ribulosapentosa

Figura 1 Figura 2

ESTRUCTURA MONOSACARIDOS

OLIGOSACARIDOS

POLISACARIDOS

Son polialcoholes con una función aldehído (aldosas) o cetona (cetosas). Solubles en agua y de sabor dulce Formados por la unión de entre 2 y 10 monosacáridos mediante enlaces glucosídicos. Los di o trisacáridos son solubles en agua y sabor dulce Constituidos por una gran cantidad de monosacáridos unidos entre sí por enlaces glucosídicos. Poco solubles en agua y no presentan sabor dulce.

FUNCIONES Combustibles celulares (principalmente la glucosa). Intermediarios en procesos metabólicos (respiración, fotosíntesis). Forman parte de moléculas mayores(de coenzimas, de ácidos nucleicos, de polisacáridos). Los disacáridos son los más importantes fisiológicamente. Combustible celular. Forma de transporte en vegetales. Los oligosacáridos más largos constituyen las glicoproteínas y los glicolípidos que tienen función en el reconocimiento intercelular. Reserva de energía (glucógeno y almidón). Estructura de las células vegetales (celulosa). La quitina es componente del exoesqueleto de artrópodos y de las paredes celulares de muchos hongos.

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A - RECONOCIMIENTO DE AZUCARES REDUCTORES Una sustancia reductora es aquella capaz de ceder electrones (e -). Al perder electrones, la sustancia se oxida. Simultáneamente, la sustancia que recibe los electrones se reduce. Una de las propiedades más destacadas de los monosacáridos en general ( glucosa, fructosa, etc.) y de algunos disacáridos ( lactosa, maltosa, etc.) es el poder reductor que les confiere el grupo aldehido o cetona de sus moléculas. Esta tendencia a ceder electrones puede ponerse de manifiesto frente a las sales de cobre, en las que el ión cúprico se reduce por ganancia de un electrón pasando a ión cuproso: Cu++ + eCu+ cúprico cuproso El reactivo utilizado para detectar la presencia de azúcares con esta capacidad reductora es el licor de Fehling, que consta de dos soluciones separadas (A y B) que se mezclan en el momento de usarlo.

(A) CuSO4 + 2 NaOH (B) Cu (OH)2 + Na2SO4 El hidróxido cúprico Cu(OH) 2 resultante de la mezcla de las soluciones A y B de Fehling es de color azul, y cuando es reducido, da un precipitado color rojo ladrillo de óxido cuproso (Cu 2O). El hidrato de carbono que cedió el electrón se oxida. Procedimiento: En un tubo de ensayo colocar 2 ml de una solución al 0,5 % de glucosa (testigo positivo). Agregar 5 gotas de Fehling A y 5 gotas de Fehling B. Calentar a llama de un mechero de 3 a 5 minutos, sosteniendo con pinza de madera y moviendo el tubo de un lado a otro a través de la llama. Realizar el mismo ensayo con sacarosa (testigo negativo), almidón, manzana y leche.

Manzana: Cortar varios trocitos de manzana pelada y aplastar en un mortero; agregar agua y filtrar en un tubo de ensayo con la ayuda de un embudo y gasa. Observar e interpretar los resultados.

Nota: La reacción será positiva si la muestra se vuelve de color rojo ladrillo y será negativa si queda azul o cambia a un tono azul-verdoso o verde.

B - RECONOCIMIENTO DE ALMIDON El polisacárido almidón (polímero de glucosa) es en realidad una mezcla de dos polisacáridos: amilopectina (80 a 90%) y amilosa (10 a 20%). Esta última se colorea de azul violeta en presencia de yodo, debido a una reacción física (NO química) de adsorción, que consiste en la fijación del yodo en la superficie de la molécula. Como reactivo se utiliza la solución yodo- yodurada de potasio ( solución de Lugol). Procedimiento: Colocar 3 ml de una suspensión al 0,5 % de almidón (testigo positivo) en un tubo de ensayo. Añadir 1-2 gota/s de Lugol. Observar qué ocurre. Realizar el mismo ensayo con papa y banana.

Papa: cortar una rebanada de papa y depositarla en una caja de Petri. Respecto de la banana, raspar sobre la superficie y llevar el raspado a un tubo de ensayo. Agregar agua de la canilla hasta la mitad. - Reacción reversible: calentar suavemente hasta que desaparezca el color, y dejar enfriar hasta que aparezca nuevamente el color.

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3.  R RECONOCIMIENTO Y P DE L LOS L LIPIDOS  Y PROPIEDADES D Los lípidos son un grupo heterogéneo (que incluye grupos emparentados químicamente y otros cuya estructura difiere por completo) de sustancias orgánicas insolubles en solventes polares como el agua, pero que se disuelven fácilmente en solventes orgánicos no polares, tales como el cloroformo, el éter y el benceno. Típicamente, son moléculas de almacenamiento de energía, usualmente en forma de grasa o aceite (mono, di y triglicéridos), y también los hay estructurales, como en el caso de los fosfolípidos, glucolípidos, esfingolípidos y ceras (protección). Algunos lípidos, sin embargo, desempeñan papeles principales como "mensajeros" químicos, tanto dentro de las células como entre ellas (por ejemplo las hormonas esteroideas sexuales y de la corteza suprarrenal). Otros lípidos que podemos mencionar son: colesterol (componente de membranas celulares), sales biliares, vitaminas (A y D), terpenos (integrantes de clorofilas y otros pigmentos, hormonas vegetales), prostaglandinas (regulan la presión sanguínea y modulan la actividad hormonal). Una molécula de grasa está formada por tres ácidos grasos unidos a una molécula de glicerol (de aquí el término "triglicérido"). Las largas cadenas hidrocarbonadas que componen los ácidos grasos terminan en grupos carboxilo (-COOH), que se unen covalentemente a la molécula de glicerol a través de una unión éster. Las propiedades físicas de una grasa, como por ejemplo su punto de fusión, están determinadas por las longitudes de sus cadenas de ácidos grasos y dependen también de si las cadenas son saturadas o no saturadas. Los ácidos grasos pueden estar saturados, es decir, no presentar enlaces dobles. También pueden estar insaturados, es decir, tener átomos de carbono unidos por enlaces dobles. Las cadenas rectas de los ácidos grasos saturados permiten el empaquetamiento de las moléculas, produciendo un sólido como la manteca o el cebo. En los grasos insaturados, los dobles enlaces provocan que las cadenas se doblen; esto tiende a separar las moléculas, produciendo un líquido como el aceite de oliva o de girasol.  Algunas plantas también almacenan energía en forma de aceites, especialmente en las semillas y en los frutos. Grandes masas de tejido graso rodean a algunos órganos como, por ejemplo, a los riñones de los mamíferos, y sirven para protegerlos de una c onmoción física; estos depósitos permanecen intactos, aun en épocas de inanición. Otra característica de los mamíferos es una capa de grasa que se encuentra debajo de la piel y que sirve como aislante térmico. Esta capa está particularmente bien desarrollada en los mamíferos marinos. Existen tres tipos generales de lípidos de las membranas: glicerofosfolípidos, esfingolípidos y esteroles. Dentro de estas tres clases de lípidos se produce una enorme diversidad debido a las diferentes combinaciones de “colas” de ácidos grasos y “cabezas” polares.

Los esfingolípidos no contienen glicerol. La esfingosina + ácido graso = ceramida. Entre los glicerofosfolípidos encontramos: fosfatidilinositol, fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, cardiolipina, etc. En los esfingolípidos: esfingomielina, glucoesfingolípidos (cerebrósidos, gangliósidos) y en los esteroles: colesterol (animal), ergosterol (hongos), fitoesteroles (plantas), ácidos biliares. Ver figuras a continuación.

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Para preparar una solución, las moléculas ó iones de las sustancias deben unirse formando una mezcla homogénea. El proceso de disolución depende de las fuerzas de atracción existentes entre las partículas del soluto y el solvente, éstas determinan si algo se disuelve. La regla general en el proceso de disolución es la regla “igual disuelve igual”. Esto significa que compuestos que poseen fuerzas de atracción similares pueden mezclarse entre sí. Podemos decir entonces que sustancias polares se disuelven en otras sustancias polares (presentan separación de cargas eléctricas) y sustancias no-polares se disuelven en sustancias nopolares. Si preparamos soluciones entre fluídos (gases y líquidos) podemos clasificarlos en fluidos miscibles si se mezclan completamente en todas las proporciones (Ejemplo: agua en alcohol). Fluidos inmiscibles no pueden mezclarse (ejemplo: aceite en agua). Nota: Las grasas y los aceites contienen una mayor proporción de enlaces carbono-hidrógeno ricos en energía que los carbohidratos y, en consecuencia, contienen más energía química. En promedio, las grasas producen aproximadamente 9,3 kilocalorías por gramo, en comparación con las 3,79 kilocalorías por gramo de carbohidrato, o las 3,12 kilocalorías por gramo de proteína. También, dado que las grasas son no polares, no atraen moléculas de agua y, así, no están "embebidas" en éstas, como ocurre en el caso de glucógeno. Teniendo en cuenta el factor hídrico, las grasas almacenan seis veces más energía gramo por gramo que el glucógeno, y éste es indudablemente el motivo por el cual, en el curso de la evolución, llegaron a desempeñar un papel fundamental en el almacenamiento de energía.

Experiencias: A. Colocar en un tubo de ensayo agua y aceite por partes iguales (1/3 de cada uno). Agitar fuertemente la mezcla y dejar reposar. Los lípidos son insolubles en agua; cuando se agitan fuertemente se dividen en pequeñísimas gotitas formando una emulsión de aspecto lechoso que es transitoria, pues desaparece en el reposo por reagrupamiento de las gotitas de grasa (emulsión inestable).

B. Utilizar el mismo procedimiento con éter de petróleo y aceite, comparar los resultados. C. Coloración para lípidos: utilizando colorantes tipo Sudán III, Sudán IV, Sudán negro B, entre otros, insolubles en agua y muy solubles en grasa. No es un verdadero método de coloración sino un proceso de transferencia de color por disolución de la sustancia empleada en el lípido.

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Técnica: Disponer en una gradilla dos tubos de ensayo, colocando en ambos 1/3 del tubo de aceite.  Añadir a uno de los tubos 3 gotas de solución de Sudán IV. Agitar suavemente por inversión y dejar en reposo. Observar el resultado.  Añadir al otro tubo 3 gotas de tinta roja. Agitar suavemente por inversión y dejar en reposo. Observar el resultado.  A un tercer tubo colocar 3 ml de leche y añadirle 3 gotas de Sudán IV. Observar el resultado.

4. IDENTIFICACION  D DE P PROTEINAS Las proteínas son moléculas muy grandes compuestas de cadenas largas de aminoácidos, conocidas como cadenas polipeptídicas. A partir de sólo veinte aminoácidos diferentes usados para hacer proteínas se puede sintetizar una inmensa variedad de diferentes tipos de moléculas proteínicas, cada una de las cuales cumple una función altamente específica en los sistemas vivos. Cada aminoácido contiene un grupo amino (-NH 2) y un grupo carboxilo (-COOH) unidos a un átomo de carbono central. Un átomo de hidrógeno y el grupo lateral están también unidos al mismo átomo de carbono. Esta estructura básica es idéntica en todos los aminoácidos. Y solamente difieren por las propiedades de sus grupos laterales (R). Los grupos laterales pueden ser no polares (sin diferencia de carga entre distintas zonas del grupo), polares no cargados, o cargados, negativa o positivamente. Los grupos laterales no polares no son solubles en agua, mientras que los grupos laterales polares y cargados son solubles en agua. Los aminoácidos se unen entre sí por medio de enlaces peptídicos covalentes, determinando una secuencia lineal que se conoce como ESTRUCTURA PRIMARIA de la proteína. La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos de la proteína. Nos indica qué aminoácidos componen la cadena polipeptídica y el orden en que dichos aminoácidos se encuentran. La función de una proteína depende de su secuencia y de la forma que ésta adopte.

Los  puentes de hidrógeno  entre los grupos C=O y NH tienden a plegar la cadena en una ESTRUCTURA SECUNDARIA REPETIDA, tal como la hélice alfa o la hoja plegada beta. Los  puentes de hidrógeno estabilizan la estructura secundaria. La

estructura secundaria es la disposición de la secuencia de aminoácidos en el espacio.

La hélice alfa: esta hélice mantiene su forma por la presencia de los PUENTES DE HIDRÓGENO, indicados por las líneas de puntos. Los grupos R se extienden hacia afuera desde la hélice. La hoja plegada beta, en la que los pliegues se forman por la existencia de PUENTES DE HIDRÓGENO entre distintos átomos del esqueleto del polipéptido; los grupos R, unidos a los carbonos, se extienden por encima y por debajo de los pliegues de la hoja.

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Se llama ESTRUCTURA TERCIARIA a la disposición tridimensional de todos los átomos que componen la proteína. La estructura terciaria de una proteína es la responsable directa de sus propiedades biológicas (determina su función), ya que la disposición espacial de los distintos grupos funcionales determina su interacción con los diversos ligandos. Para las proteínas que constan de una sola cadena polipeptídica (carecen de estructura cuaternaria), la estructura terciaria es la máxima información estructural que se puede obtener. La estructura terciaria es una disposición precisa y única en el espacio, y surge a medida que se sintetiza la proteína. En otras palabras, la estructura terciaria está determinada por la secuencia de aminoácidos (estructura primaria). Se distinguen dos tipos de estructura terciaria:

-- Proteínas con estructura terciaria de tipo fibroso, insolubles en agua, en las que una de las dimensiones es mucho mayor que las otras dos. Son ejemplos el colágeno, la queratina del cabello o la fibroína de la seda (proteínas estructurales de sostén y relleno). En este caso, los elementos de estructura secundaria (hélices α u hojas β) pueden mantener su ordenamiento sin recurrir a grandes modificaciones, tan sólo introduciendo ligeras torsiones longitudinales, como en las hebras de una cuerda. -- Proteínas con estructura terciaria de tipo globular , solubles en agua, más frecuentes, en las que no existe una dimensión que predomine sobre las demás, y su forma es aproximadamente esférica. En este tipo de estructuras se suceden regiones con estructuras al azar, hélice α, hoja β, acodamientos y giros. También pueden cumplir propósitos estructurales. Los microtúbulos, que son componentes del citoesqueleto, están compuestos por unidades repetidas de proteínas globulares, asociadas helicoidalmente en un tubo hueco. Otras proteínas globulares tienen funciones de regulación, de transporte, de protección, de almacenamiento, enzimáticas, inmunológicas, contráctiles, tóxicas, constituyentes de membranas. Las fuerzas que estabilizan la estructura terciaria de una proteína se establecen entre las distintas cadenas laterales de los aminoácidos que la componen. Los enlaces propios de la estructura terciaria pueden ser de dos tipos: covalentes y no covalentes (Figura de la derecha). -- Los enlaces covalentes pueden deberse a (1) la formación de un puente disulfuro entre dos cadenas laterales de Cys, o a (2) la formación de un enlace amida (-CO-NH-) entre las cadenas laterales de la Lys y un  AA dicarboxílico (Glu o Asp). -- Los enlaces no covalentes pueden ser de cuatro tipos: (1) fuerzas electrostáticas entre cadenas laterales ionizadas, con cargas de signo opuesto, (2) puentes de hidrógeno , entre las cadenas laterales de  AA polares (3) interacciones hidrofóbicas entre cadenas laterales apolares y (4) fuerzas de polaridad debidas a interacciones dipolo-dipolo

ESTRUCTURA CUATERNARIA Esta estructura informa de la unión , mediante enlaces débiles ( no covalentes) de varias cadenas polipeptídicas con estructura terciaria, para formar un complejo proteico. Solo está presente si hay más de una cadena polipeptídica. Con varias cadenas polipeptídicas, la estructura cuaternaria representa su interconexión y organización.

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REACCION DE BIURET Una de las reacciones más utilizadas para la identificación de proteínas es la de Biuret, propia de proteínas y péptidos grandes, pero no de los aminoácidos libres, ya que reconoce específicamente los enlaces peptídicos. Todas las proteínas reaccionan en medio alcalino cuando se agrega CuSO 4 dando un color violeta. Sus productos de hidrólisis (polipéptidos) dan colores que varían del violeta al rosado. El color depende del grado de hidrólisis alcanzado. Los péptidos más pequeños y los aminoácidos libres no dan color. Por lo tanto, este ensayo se utiliza para seguir la progresión en la hidrólisis de una proteína (del mismo modo que el lugol puede usarse para seguir el proceso de hidrólisis del almidón).

Procedimiento: En un tubo de ensayo añadir 2 ml de una solución de albúmina al 1% (testigo positivo).  Agregar 2 ml de NaOH al 10%.  Añadir 3 gotas de CuSO4 al 2% y agitar. Realizar el mismo ensayo con leche.

REACCION DE BIURET: Se forma un complejo entre los enlaces peptídicos de las proteínas y el reactivo de cobre en medio alcalino.

5.  A ACIDOS NUCLEICOS La información que dicta las estructuras de la enorme variedad de moléculas de proteínas que se encuentran en los organismos está codificada en moléculas conocidas como ácidos nucleicos. La información contenida en los ácidos nucleicos es transcripta y luego traducida a las proteínas, siendo estas las moléculas que finalmente ejecutarán las "instrucciones" codificadas en los ácidos nucleicos.  Así como las proteínas están formadas por cadenas largas de aminoácidos, los ácidos nucleicos están formados por cadenas largas de nucleótidos. Se les dio ese nombre porque son compuestos de naturaleza ácida y fueron encontrados en el núcleo de las células. Estructura de las subunidades Los ácidos nucleicos están formados por nucleótidos, unidades moleculares que constan de una base nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos (pentosa) y un grupo fosfato (figura 1). Las purinas (que tienen un anillo doble) y pirimidinas (con un solo anillo) son dos tipos de bases nitrogenadas presentes en los ácidos nucleicos (figura 2). El ADN contiene las purinas adenina (A) y guanina (G) y las pirimidinas citosina (C) y timina (T), junto con el azúcar desoxirribosa y fosfato. El  ARN contiene las purinas adenina y guanina, y las pirimidinas citosina y uracilo (U), junto con el azúcar ribosa y fosfato. La eliminación de un grupo fosfato de un nucleótido produce un compuesto llamado nucleósido, que está formado exclusivamente por la base y la pentosa. Las moléculas de ácidos nucleicos están constituídas por cadenas lineales de nucleótidos, cada uno de los cuales se une al siguiente por medio de enlaces estéricos entre la molécula de azúcar de uno y el grupo fosfato del otro (figura 3).

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Existen dos tipos: el ácido ribonucleico(ARN) y el ácido desoxirribonucleico (ADN); los diferentes tipos de ARN y ADN varían en algunos de sus componentes estructurales y en sus funciones metabólicas. El ADN, constituido por una doble cadena helicoidal (salvo algunas excepciones como ciertos virus) (figura 4), se localiza en los cromosomas del núcleo celular y es el principal reservorio de la información hereditaria. También hay ADN en algunas organelas como las mitocondrias y los cloroplastos. El ARN presenta una cadena simple (aunque se han encontrado virus cuyo material genético es una doble hélice de ARN), se encuentra principalmente en el citoplasma formando parte de los ribosomas; en la matriz citoplasmática; también en el núcleo, y en menor cantidad en otras partes de la célula. Existen tres clases: ARN mensajero , ARNr ibosómico  y ARNtransferencia y cada clase cumple funciones específicas en el proceso de síntesis de proteínas. Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

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CUESTIONES y PROBLEMAS para pensar y discutir 1- ¿Cuántos moles de iones OH - por litro habrá en una solución de pH 3? ¿Y de iones H+?  _______________________________________________________________________

2- Tache lo que NO corresponda: - Una solución de pH 11 es :

ácida

iones H+ es > que la de iones OH - Si agregamos

un ácido fuerte /

/ /

básica

y la concentración de

iones OH- es > que la de iones H + . una base fuerte

a una solución,

aumenta / disminuye su pH y la concentración de H + / OH-

aumenta / disminuye . .

3-  El aspartamo es un edulcorante sintético que se emplea como sustituto de la sacarosa. No es un glúcido sino un dipéptido formado por los aminoácidos ácido aspártico y fenilalanina.

-- ¿Cuáles podrían ser las DOS  estructuras del aspartamo? Represéntelas. ¿Cómo se denomina el enlace que une ambos aminoácidos? ...........................................................................................

4- Sea la secuencia de un filamento de ADN: ............ 5’ G G C A C T A G T A C T A A A T C C C A G G T C 3’ ............ Indique la secuencia del filamento de ADN complementario.

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5- Completar el siguiente cuadro: ADN

ARN

Número de cadenas  Azúcar que posee Bases nitrogenadas Ubicación celular Función específica

6- Responder verdadero (V) o falso (F): Todos los monosacáridos tienen una estructura básica compuesta por seis átomos de carbono. En la formación de un disacárido a partir de dos monosacáridos se libera una molécula de CO 2. Los monasacáridos como la glucosa no son solubles en agua. En un monosacárido típico existe el mismo número de átomos de carbono que de oxígeno. Todos los monosacáridos tienen un grupo funcional amino y uno carboxilo. En los animales, los polisacáridos cumplen exclusivamente la función de almacenar energía, mientras que en las plantas sólo intervienen como componentes estructurales de la pared celular. Todos los monosacáridos se reducen en presencia del reactivo de Fehling. La celulosa, el glucógeno y el almidón son polisacáridos formados por unidades de glucosa.

7- Con cuál de estas moléculas se deben combinar 3 ácidos grasos para dar un triglicérido?

8- Un sistema buffer: a- sólo se encuentra en células que sufren cambios de pH muy grandes. b- es importante porque mantiene el mismo pH en todas las organelas subcelulares. c- permite resistir pequeños cambios de pH e influye en los procesos bioquímicos de la célula. d- no es importante para las células sanguíneas, que no sufren cambios considerables en la concentración de H+.

9- Indica la opción correcta. a) b) c) d) e)

Una célula eucariota almacena energía en forma de glicerol y celulosa. Los lípidos forman parte de otros compuestos como ácidos nucleicos y glucoproteínas. El almidón forma parte de las paredes celulares de las plantas. Algunas proteínas funcionan como enzimas, otras como componentes estructurales de las células y tejidos. Los glucolípidos y las lipoproteínas actúan como enzimas en el almacenamiento y expresión de la información genética.